Я.Мусил - Современная биохимия в схемах

БИОСИНТЕЗ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЖИРОВ И ФОСФОЛИПИДОВ

81

БИОСИНТЕЗ СФИНГОЛИПИДОВ

82

РАСПАД НЕЙТРАЛЬНЫХ ЖИРОВ

происходит гидролитически под действием липаз. Липазы в значительных количествах присутствуют в поджелудочной железе и в слизистой кишечника. Липазы наиболее активны в присутствии желчных кислот или их солей, а также белкового кофактора, называемого колипазой. Колипаза (молекулярная масса 10000) связывает липазу в присутствии солей желчных кислот и, таким образом, смещает рН-оптимум действия фермента с 9 до 6.

Липазы поджелудочной железы отщепляют жирные кислоты только у α и α' атомов ацилглицеринов, а липазы кишечника также и у β-атома. При помощи этих ферментов из нейтральных жиров образуются диацилглицерины и моноацилглицерины. При длительной обработке жиров липазами может отщепиться и третий остаток жирной кислоты. Выделившиеся жирные кислоты распадаются далее за счет β-окисления до ацетил-СоА, который в свою очередь может быть окислен в цикле лимонной кислоты или же после транспортировки в цитоплазму может участвовать в синтетических реакциях. Второй продукт распада жиров - глицерин распадается в процессе последовательных реакций гликолиза.

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ ДЕГРАДАЦИЯ ФОСФАТИДОВ

Фосфолипазы делятся на четыре группы в зависимости от того, какие связи они гидролизуют.

Фосфолипаза A1 отщепляет жирные кислоты по α-положению.

Фосфолипаза А2 отщепляет жирные кислоты по β-положению.

ФосфолипазаСотщепляетфосфорилированные азотсодержащие спирты от фосфолипидов.

ФосфолипазаDразрушаетфосфолипидыдоазотсодержащего спирта и фосфатидной кислоты.

83

СИНТЕЗ СТЕРОИДОВ

Ацетил-СоА является исходным соединением для синтеза изопреноидов и, следовательно, стероидов. Биосинтез стеринового скелета подразделяется на три части.

1. Синтез мевалоновой кислоты

Две молекулы активированной уксусной кислоты объединяются в ацетоацетил-СоА. Разветвление цепи происходит при конденсации со следующей молекулой ацетил-СоА. Полученная β-окси-β-метилглутаровая кислота в условиях восстановления отщепляет HS-CoA, в результате чего карбонильная группа превращается в спиртовую с одновременным окислением двух молекул NADPH. Так образуется мевалоновая кислота, являющаяся ключевым соединением для синтеза изопреноидов.

2. Образование активного изопрена и его последовательная конденсация в сквален (С30)

Последовательное фосфорилирование мевалоновой кислоты аденозинтрифосфатом приводит к образованию «активного изопрена», изопентенилпирофосфата (5С). При конденсации изопентенилпирофосфата с 3,3-диметилаллилпирофосфа- том образуются геранилпирофосфат (10С) и фарнезилпирофосфат (15С), две молекулы которого образуют сквален путем восстановительной конденсации в присутствии NADPH. Эта стадия биосинтеза протекает в растворе цитоплазмы в отсутствие кислорода.

3. Превращение сквалена в холестерин

На стадии окисления происходит циклизация и образуются ланостерин и холестерин. При этом происходит насыщение двойных связей и окислительное отщепление метильных групп при С4 и С14 в виде СО2.

Циклизация сквалена в структуру, напоминающую стероидную, так же, как и последующие реакции, протекает на поверхности эндоплазматического ретикулума. Эти реакции катализируются соответствующими ферментами, которые непосредственно определяют пространственное строение молекулы сквалена и его конфигурацию.

84

СХЕМА БИОСИНТЕЗА СТЕРОИДНЫХ ГОРМОНОВ

85

БИОСИНТЕЗ ЖЕЛЧНЫХ КИСЛОТ

87

VII Ацетил-СоА, цикл лимонной кислоты

Ацетил-СоА является ключевым промежуточным соединением в превращении всех основных питательных веществ. В аэробных условиях он образуется из

сахаров при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты, липидов при β-окислении жирных кислот и при гликолитическом распаде глицерина,

аминокислот путем образования пирувата (Gly, Ser, Val, Ala, Leu, Ile, Cys), промежуточных соединений цикла лимонной кислоты (Asp, Asn, Glu, Gln, Pro) или других промежуточных соединений (Leu, Ilе, Trp).

Цикл лимонной кислоты представляет собой замкнутый процесс, состоящий из 10 отдельных реакций. Оксалоацетат является одним из исходных субстратов и одновременно конечным продуктом этого цикла.

Вторым субстратом служит ацетил-СоА. В серии реакций, включающих дегидрирование, гидратацию, дегидратацию и окислительное декарбоксилирование, ацетил-СоА постепенно окисляется до 2СО2 (с

одновременной регенерацией СоА, который является определяющим коферментом цикла). Атомы водорода, образующиеся при реакциях дегидрирования (в виде NADH и FADH2), становятся субстратами (донорами электронов) в реакциях дыхательной цепи и тесно связанного с ней аэробного фосфорилирования.

Реакции цикла лимонной кислоты протекают в матриксе митохондрии и не связаны с какой-либо биологической структурой.

В цикле лимонной кислоты промежуточные соединения, участвующие в обмене веществ, не окисляются непосредственно кислородом и не образуется АТР (один моль GTP генерируется в процессе превращения сукцинил-СоА в сукцинат). АТР образуется аэробным фосфорилированием, которое сопровождает перенос водорода и электронов в дыхательной цепи.

Промежуточные соединения цикла лимонной кислоты идентичны промежуточным соединениям других метаболических путей. Таким образом, цикл лимонной кислоты играет центральную роль в метаболизме клетки.

Промежуточные соединения цикла лимонной кислоты включаются в следующие процессы биосинтеза.

а.Глюконеогенез - превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват и в сахара.

б.Синтез жирных кислот, который протекает вне митохондрий (ацетил-СоА не может проходить через мембрану митохондрий, сначала он должен быть превращен в цитрат реакцией с оксалоацетатом; далее цитрат переносится в цитоплазму). Ацетил-СоА вновь образуется в цитоплазме при распаде цитрата с по-

мощью специального АТР-зависимого фермента (цитрат-омыляющий фермент) и затем включается в биосинтез жирных кислот.

в. Взаимопревращения аминокислот. Все реакции начинаются с синтеза трех аминокислот (Ala, Asp, Glu), получающихся из кетокислот цикла лимонной кислоты за счет переаминирования; центральная роль в этой реакции принадлежит продукту цикла лимонной кислоты - α-кетоглутарату. Аминогруппы различных аминокислот под действием трансаминазы переносятся к α-кетоглутарату. При этом образуется глутамат, а аминокислоты, участвующие в реакции переаминирования, превращаются в кетокислоты. Предполагается, что процессы переаминирования протекают преимущественно в цитоплазме. Образующийся в этой реакции глутамат при помощи специфического носителя переносится в митохондрии, где аминогруппа либо отщепляется окислительным дезаминированием, либо ее перенос к оксалоацетату приводит к образованию аспартата. Азот аминогрупп глутаминовой и аспарагиновой кислот в клетках печени оказывается в конце концов в составе мочевины, а образующийся при этом α-кетоглутарат окисляется в цикле лимонной кислоты.

г. Синтез пиримидинов и пуринов. Аспартат образует углеродный скелет пиримидинов. Из глутамина получаются аминогруппы пиримидинов и пуринов.

д. Синтез порфиринов. Сукцинил-СоА является исходным соединением для синтеза порфиринов. е. Синтез изопреноидов начинается с ацетил-СоА и протекает в цитоплазме.

Центральная роль ацетил-СоА в метаболизме определяется тем, что, являясь продуктом катаболизма сахаров, липидов и определенных аминокислот, он может быть или полностью окислен в цикле лимонной кислоты и дыхательной цепи до СО2 и Н2О, или же использован в качестве активного промежуточного соединения для синтеза (его свободная энергия несколько выше, чем свободная энергия АТР).

88

АЦЕТИЛ-СоА И ЕГО МЕТАБОЛИЗМ

Ацетил-СоА образуется в митохондриях следуюшими путями:

1.Окислительным декарбоксилированием пирувата, образующегося в серии гликолитических реакций или в результате превращения соответствующих аминокислот.

2.β-Окислением жирных кислот: жирные кислоты, содержащие в цепи от 4 до 10 атомов углерода, свободно проходят через мембрану митохон-

дрий, перенос через мембрану высших жирных кислот облегчается соединением их с карнитином.

3. Из аминокислот через промежуточные соединения:

а) пируват (Ala, Gly, Ser, Cys, Thr),

б) цикл лимонной кислоты (Asp, Asn, Glu, Gln, Pro, Phe, Туг, His, Arg, Met, Ile, Val),

в) ацетоацетил-СоА (Leu, Lys, Phe, Туг, Тгр).

Превращения ацетил-СоА

1. В цикле лимонной кислоты

Ацетил-СоА является одним из первых субстратов цикла лимонной кислоты. Лимонная кислота получается в результате реакции ацетил-СоА с оксалоацетатом. В процессе циклических превращений из лимонной кислоты выделяются две молекулы СО2, и образуется конечный продукт реакции - оксалоацетат. Последний получается также прямым карбоксилированием пирувата или же вначале в результате последовательного дегидрирования и восстановительного карбоксилирования образуется малат, который затем превращается в оксалоацетат. Еще один путь получения оксалоацетата - переаминирование аспарагиновой кислоты. Превращение пирувата в оксалоацетат является ключевым моментом глюконеогенеза.

2. Участие в процессе образования карбонильных соединений

В присутствии избытка ацетил-СоА и относительного недостатка оксалоацетата образуются ацетоацетат, β-оксибутират и ацетон.

Транспорт ацетил-СоА из митохондрий в цитоплазму

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацетил-СоА. Поэтому вначале АсСоА конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата, легко проникающего в цитоплазму. В цитоплазме цитрат распадается под действием ци- трат-омыляюшего фермента на оксалоацетат и исходный ацетил-СоА, который используется в синтетических реакциях (синтезе жирных кислот, синтезе стероидов и т.д.).

89

ЦИКЛ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

Фрагмент молекулы ацетил-СоА, содержащий 2С, вступает в реакцию конденсации с оксалоацетатом (4С), что приводит к образованию цитрата (6С), который в процессе шести последовательных реакций опять превращается в оксалоацетат. Два атома углерода постепенно отщепляются в виде молекул СО2 (одна молекула от ацетил-СоА, дру-

они оказываются связанными с коферментами соответствующих дегидрогеназ.

Цикл лимонной кислоты протекает в тесной связи с дыхательной цепью, где большая часть энергии выделяется при окислении восстановленных коферментов.

Энергетический баланс цикла лимонной кислоты сводится к небольшому понижению свободной энергии (ΔG°' = —104 кДж), вызванному распадом макроэргической связи в молекуле сук- цинил-СоА (образуется GTP) и реакциями декарбоксилирования. Но при окислении восстановленных коферментов в дыхательной цепи выделяется 800 кДж. Таким образом, общий энергетический выход 904 кДж отражает сочетание процессов цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи. Часть энергии в организме используется в виде тепла, остальная энергия запасается в форме АТР. Реакции цикла лимонной кислоты протекают внутри митохондрий, в так называемом матриксе. Ферменты, способные катализировать эти реакции, не связаны с какой-либо биологической структурой. Практически это приводит к тому, что любая отдельная реакция цикла может служить исходным пунктом для дальнейших катаболических или анаболических процессов. Таким образом, цикл лимонной кислоты является одним из нескольких возможных путей превращения ацетил-СоА в организме, направленных на получение наибольшей энергии.

Реакции цикла, дающие водород, окисление которого в дыхательной цепи приводит

кобразованию макроэргических связей в АТР

90