Metabolicheskaia_biokhimiia

201

Механизм биосинтеза малонил-КоА в мономерном состоянии ацетил- КоА-:карбоксилаза неактивна и приобретает способность карбоксилировать СНзСО-SКоА только после соединения мономеров в нитевидный олигомер с молекулярной массой в несколько сотен миллионов и длиной около 500 нм. Процесс олигомеризации регулируется аллостернчески присоединением – лимонной кислоты. Кроме того, активность ацетил-КоА-карбоксилазы регулируется ее фосфорилироваиием (снижение) и дефосфорилированием (повышение). Таким образом, интенсивность работы цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот и уровень протеинкиназных и протеинфосфатазных реакций предопределяет объем биосинтеза высших жирных кислот, последующие стадии которого осуществляются при посредстве второго полифyмционального энзима-синтетазы высших жирных кислот. Этот комплекс у высокоорганизованных форм (млекопитающие, птицы, насекомые) характеризуется М = 400 000–560 000, а у низкоорганизованных (микобактерии, низшие грибы, жгутиковые) –1,4·106–2,3·106.

В нем сосредоточены все каталитические активности, необходимые для обеспечения многоступенчатого биосинтеза высших жирных кислот, а также ацилпроводящий домен, функция которого состоит в передвижении ацильной группы от одного субдомена к другому в строгом соответствии с химизмом этого процесса. Представление о работе синтетазы высших жирных кислот дают рисунки. В первом случае (синтетаза из печени цыпленка) каждая его полипептидная цепь длиной около 2300 аминокислотных остатков образует 3 домена и 8 субдоменов, с каждым из которых связана определенная функция. Однако один из субдоменов, а именно – обладающий β-кетоацилсинтетазной активностью, работает только в паре с другой такой же полипептидной цепью, расположенной по отношению к первой по правилу «голова к хвосту». Он перебрасывает

201

202

ацетильную (первый цикл синтеза) или ацильную (последующие циклы) группу со своего остатка цистеина на малонильный остаток, закрепленный на НS-группе пантотеиновой «руки» ацил-перепосящего субдомена соседпей су6ъединицы. Возникший β-кето- ацильный остаток при помощи той же пантотеиновой руки перемещается по остальным трем субдоменам домена 11 (восстанавливающего β-кетоацил в ацил).

Далее ацетил (ацил) трансферазный домен элонгационного домена 1 посылает эту ацильную группу на НS-группу остатка цистеина 3- кетоацилсинтетазного субдомена и начинается новый циюt удлинения цепи, но уже на соседней субъединице синтетазы высших жирных кислот. По достижении ацильным радикалом длины в 16 атомов углерода он отщепляется тиоэстеразой в виде ацил-КоА.

Во втором случае (синтетаза из дрожжей) принцип согласованной и взаимозависимой работы субъединиц синтетазы высших жирных кислот остается в силе (рисунок 56).

202

203

Рисунок 56.– Структура синтетазы высших жирных кислот дрожжей

Фермент представляет α6β6 комплекс с М ~2469000 Да. Каждая из субъединиц обладает своим набором каталитических активностей. ACPацилпереносящий домен, обладающий пантотеиновой «рукой» [обозначева SH (Р)]. SH(C)-цистеииовый остаток β-кeтoацилcинтетазы, с которого идет перенос ацетильной (первый цикл) и ацильных (последующие циклы) групп на малонильный остаток, закрепленный на HS-гpyппe пантотеиновой «pyки». Вверху - свернутая; внизу - развернутая форма фермента. Механизм дeйствия полностью аналогичен таковому синтетазы высших жирных кислот из печени цыпленка.

Приводим последовательность реакций, происходящих при синтезе жирных кислот:

203

204

Далее цикл реакций повторяется. Допустим, что идет синтез пальмитиновой кислоты (С16). В этом случае образованием бутирил-АПБ завершается лишь первый из 7 циклов, в каждом из которых началом является присоединение молекулы малонил-АПБ к карбоксильному концу растущей цепи жирной кислоты. При этом отщепляется дистальная карбоксильная группа малонил-АПБ в виде СО2. Например, образовавшийся в первом цикле бутирил-АПБ взаимодействует с малонил-АПБ:

204

205

Завершается синтез жирной кислоты отщеплением HS-АПБ от ацилАПБ под влиянием фермента деацилазы. Например:

Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты можно записать

так:

Или, учитывая, что на образование одной молекулы малонил-КоА из ацетил-КоА расходуются одна молекула АТФ и одна молекула СО2, которая затем отщепляется, суммарное уравнение можно представить в следующем виде:

Основные этапы биосинтеза жирных кислот можно представить в виде схемы:

205

206

В общем виде синтез жирных кислот у кишечной палочки представлен на рисунке 57. Последовательность и характер реакций в синтезе жирных кислот, начиная с образования βкетоацил-АПБ (на рисунке 92 –ацетоацетил- АПБ) и кончая завершением одного цикла удлинения цепи на два углеродных атома, являются как бы обратными реакциями окисления жирных кислот. На самом деле пути синтеза и окисления жирных кислот не пересекаются даже частично. Это становится очевидным, если принять во внимание некоторые особенности синтеза и окисления жирных кислот. По сравнению с βокислением биосинтез жирных кислот имеет ряд характерных особенностей: синтез жирных кислот в основном осуществляется в

206

207

цитозоле клетки, а окисление –в митохондриях; участие в процессе биосинтеза жирных кислот малонил-КоА, который образуется путем связывания СО2 (в присутствии биотин-фермента и АТФ) с ацетил-КоА; на всех этапах синтеза жирных кислот принимает участие ацилпереносящий белок (HS-АПБ); при биосинтезе образуется D(–)-изомер 3-гидроксикис- лоты, а не L(+)-изомер, как это имеет место при β-окислении жирных кислот; необходимость для синтеза жирных кислот кофермента НАДФН. Последний в организме частично (на 50%) образуется в реакциях пентозофосфатного цикла, частично – в других реакциях, в частности в реакциях:

Малат + НАДФ+ → Пируват + СO2 + НАДФН + Н+ Изоцитрат + НАДФ+ → α-Кетоглутарат + СO2 + НАДФН + Н+.

Рисунок 57. – Синтез пальмитиновой кислоты у кишечной палочки при участии одной молекулы ацетил-КоА и 7 молекул малонил-КоА.

Подробно представлен первый цикл синтеза – образование бутирилАПБ. Остальные 6 циклов аналогичны первому.

Тема 5.2 Синтез липидов

5.2.1 Синтез жирных кислот Образование ненасыщенных жирных кислот. Элонгация жирных

кислот. В отличие от растительных тканей ткани животных обладают весьма ограниченной способностью превращать насыщенные жирные кислоты в ненасыщенные. Установлено, что две наиболее распространенные мононенасыщенные жирные кислоты – пальмитоолеиновая и олеиновая –

207

208

синтезируются из пальмитиновой и стеариновой кислот. Эти превращения протекают в микросомах клеток печени и жировой ткани при участии молекулярного кислорода, восстановленной системы пиридиновых нуклеотидов и цитохрома b5. Превращению подвергаются только активированные формы пальмитиновой и стеариновой кислот. Ферменты, участвующие в этих превращениях, получили название десатураз. Наряду с десатурацией жирных кислот (образование двойных связей) в микросомах происходит и их удлинение (элонгация), причем оба эти процесса могут сочетаться и повторяться. Удлинение цепи жирной кислоты происходит путем последовательного присоединения к соответствующему ацил-КоА двууглеродных фрагментов при участии малонил-КоА и НАДФН. Энзиматическая система, катализирующая удлинение жирных кислот, получила название элонгазы. На схеме представлены пути превращения пальмитиновой кислоты в реакциях десатурации и элонгации.

НЕЗАМЕНИМЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ В настоящее время показано, что в микросомах клеток млекопитающих

образование двойных связей может происходить только на участке цепи жирной кислоты от 9-го до 1-го углеродных атомов, ибо в микросомах отсутствуют десатуразы, которые могли бы катализировать образование

208

209

двойных связей в цепи далее 9-го углеродного атома. У животных двойные связи могут образовываться в 4-, 5-, 6- и 9-положении, но не далее 9- положения, в то время как у растений –в 6-, 9-, 12 и 15-положении. Поэтому в организме млекопитающих, в том числе и человека, не могут образовываться, например, из стеариновой кислоты (18:0) линолевая (18:2; 9,12) и линоленовая (18:3; 9,12,15) кислоты. Эти кислоты относятся к категории незаменимых жирных кислот. К незаменимым жирным кислотам обычно относят также арахидоновую кислоту (20:4; 5,8,11,14). У большинства млекопитающих арахидоновая кислота может образовываться из линолевой кислоты. Приводим структуры незаменимых жирных кислот:

Незаменимые жирные кислоты должны поступать в организм с пищей. При длительном их отсутствии в пище у животных наблюдается отставание в росте, развиваются характерные поражения кожи и волосяного покрова. Описаны случаи недостаточности незаменимых жирных кислот и у человека. Так, у детей грудного возраста, получающих искусственное питание с незначительным содержанием жиров, может развиться чешуйчатый дерматит, который поддается лечению препаратом линолевой кислоты. Нарушения, обусловленные недостатком незаменимых жирных кислот, наблюдаются также у больных, жизнедеятельность которых в течение длительного времени поддерживается только за счет внутривенного питания, почти лишенного жирных кислот. Принято считать, что во избежание этих нарушений необходимо, чтобы на долю незаменимых жирных кислот приходилось не менее 1–2% от общей потребности в калориях. Следует отметить, что незаменимые жирные кислоты содержатся в достаточно больших количествах в растительных маслах. Исследования, проведенные с применением изотопов, показали, что арахидоновая кислота и некоторые другие 20-углеродные (эйкозановые) кислоты, содержащие двойные связи, участвуют в образовании эйкозаноидов – обширной группы физиологически и фармакологически активных соединений. К ним относятся простаноиды (простагландины, простациклины, тромбоксаны) и лейкотриены.

209

210

5.2.2 Принципы биосинтеза ацилглицеринов и фосфолипидов

Известно, что скорость биосинтеза жирных кислот во многом определяется скоростью образования триглицеридов и фосфолипидов, так как свободные жирные кислоты присутствуют в тканях и плазме крови в небольших количествах и в норме не накапливаются. Синтез триглицеридов происходит из глицерина и жирных кислот (главным образом стеариновой, пальмитиновой и олеиновой). Путь биосинтеза триглицеридов в тканях протекает через образование αглицерофосфата (глицерол-3-фосфата) как промежуточного соединения. В почках, а также в стенке кишечника, где активность фермента глицеролкиназы высока, глицерин фосфорилируется за счет АТФ с образованием глицерол-3-фосфата:

В жировой ткани и мышцах вследствие очень низкой активности глицеролкиназы образование глицерол-3-фосфата в основном связано с процессами гликолиза и гликогенолиза. Известно, что в процессе гликолитического распада глюкозы образуется дигидроксиацетонфосфат. Последний в присутствии цитоплазматической глицерол-3- фосфатдегидрогеназы способен превращаться в глицерол-3-фосфат:

Отмечено, что если содержание глюкозы в жировой ткани понижено (например, при голодании), то образуется лишь незначительное количество глицерол-3-фосфата и освободившиеся в ходе липолиза свободные жирные кислоты не могут быть использованы для ресинтеза триглицеридов, поэтому жирные кислоты покидают жировую ткань. Напротив, активация гликолиза в жировой ткани способствует накоплению в ней триглицеридов, а также входящих в их состав жирных кислот. В печени наблюдаются оба пути образования глицерол-3-фосфата. Образовавшийся тем или иным путем глицерол-3-фосфат последовательно ацилируется двумя молекулами КоАпроизводного жирной кислоты (т.е. «активными» формами жирной кислоты

– ацил-КоА). В результате образуется фосфатидная кислота (фосфатидат):

210