Синтез жирных кислот

Ферментная система, катализирующая синтез насыщенных длинноцепочечных жирных кислот из ацетил-СоА, малонил-СоА и NADРН, называется синтетазой жирных кислот.

Имеются два типа синтазных комплексов. У бактерий, растений и низших форм животных, таких, как эвглена, все ин­дивидуальные ферменты синтазной системы находя­тся в виде автономных полипептидов. Ацильные ра­дикалы (субстрат) связаны с одним из них, получившим название ацилпереносящии белок (АПБ). У дрожжей, млекопитающих и птиц синтазная система представляет собой полиферментный комплекс, который нельзя разделить на компоненты, не нарушив его активности. В данном случае АПБ является частью этого комплекса. Как АПБ бактерий, так и АПБ полиферментного комплекса содержат витамин пантотеновую кислоту в виде 4'-фосфопантетеина (Рис).

Рис. Фосфопантетеин

В синтазной системе АПБ выполняет роль СоА. Синтазный комплекс, катализирующий образование жирных кислот, является димером (рис. 23.6).

Рис. Синтетаза жирных кислот: строение

У животных мономеры идентичны и образованы одной полипептидной цепью, включающей 6 ферментов, катализирующих биосинтез жирных кислот, и АПБ с реакционноспособной SН-группой, принадлежащей 4'-фосфопантетеину. В непосредственной близости от этой группы расположена другая сульфгидрильная группа, принадлежащая остатку цистеина, входящего в состав 3-кетоацил-синтазы (конденсирующего фермента), которая входит в состав другого мономера. Поскольку для проявления синтазной активности необходимо участие обеих сульфгидрильных групп, синтазный комплекс активен только в виде димера.

Причем, в одном димерном синтазном комплексе имеются 2 активных центра, функционирующие независимо друг от друга, в результате одновременно образуются 2 молекулы пальмитиновой кислоты.

Рис. Биосинтез жирных кислот: реакции

На первом этапе процесса инициирующая молекула ацетил-СоА при участии трансацилазы взаимодействует с –SН-группой цистеина. Mалонил-СоА под действием того же фермента (трансацилазы) взаимодействует с соседней –SН-группой, принадлежащей 4'-фосфопантетеину, локализованному в АПБ другого мономера. В результате этой реакции образуется ацетил(ацил)малонил-фермент. 3-Кетоацил-синтаза катализирует взаимодействие ацетильной группы фермента с метиленовой группой малонила и высвобождение СО₂, в результате образуется 3-кетоацил-фермент (ацетоацетил-фермент); при этом освобождается сульфгидрильная группа цистеина, ранее занятая ацетильной группой. Декарбоксилирование позволяет реакции пройти до конца и является движущей силой биосинтеза. 3-Кетоацильная группа восстанавливается, затем дегидратируется и вновь восстанавливается, в результате образуется соответствующий насыщенный ацил-S-фермент. Эти реакции сходны с соответствующими реакциями β-окисления; отличие заключается, в частности, в том, что при биосинтезе образуется D(–)-изомер 3-гидроксикислоты, а не L(+)-изомер, кроме того, NАDРН, а не NАDН является донором водорода в реакциях восстановления. Далее новая молекула малонил-СоА взаимодействует с –SН-группой фосфопантетеина, при этом насыщенный ацильный остаток перемещается на свободную –SН-группу цистеина. Цикл реакций повторяется еще 6 раз, и каждый новый остаток малоната встраивается в углеродную цепь, до тех пор пока не образуется насыщенный 16-углеродный ацил-радикал (пальмитоил). Последний высвобождается из полиферментного комплекса под действием шестого фермента, входящего в состав комплекса, – тиоэстеразы (деацилазы). Свободная пальмитиновая кислота, прежде чем вступить в другой метаболический путь, должна перейти в активную форму ацил-СоА-производного. Затем активированный пальмитат обычно подвергается эстерификации с образованием ацилглицеролов.

Длинна синтезируемого ацильного фрагмента зависит от специфичности тиоэстеразы данной ткани. Например, в молочной железе имеется особая тиоэстераза, специфичная к ацильным остаткам С₈-, С₁₀- или С₁₂-жирных кислот, входящих в состав липидов молока.

Объединение всех ферментов рассматриваемого метаболического пути в единый полиферментный комплекс обеспечивает его высокую эффективность и устраняет конкуренцию других процессов, в результате достигается эффект компартментации данного пути в клетке без участия дополнительных барьеров проницаемости.

Привидем суммарную реакцию биосинтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-СоА и малонил-СоА:

Ацетил-СоА + 7Малонил-СоА + 14NАDРН + 7Н⁺ → Пальмитат + 7СО₂ +

+ 14NАDР⁺ + 8СоА + 6Н₂О.

При этом использовано следующее уравнение для синтеза малонил-СоА:

7Ацетил-СоА + 7СО₂ + 7АТР → 7Малонил-СоА + 7АDР + 7Р_i + 7Н⁺.

Отсюда выводим итоговую стехиометрию синтеза пальмитата:

8Ацетил-СоА + 7АТР + 14NАDРН → Пальмитат + 14NАDР⁺ + 8СоА +

+ 6Н₂О + 7АDР + 7Р_i.

Таким образом, из молекулы ацетил-СоА, выступающей в качестве затравки, образуются 15-й и 16-й углеродные атомы пальмитиновой кислоты. Присоединение всех последующих двухуглеродных фрагментов происходит за счет малонил-СоА-производного. В печени и молочной железе млекопитающих в качестве затравки может служить бутирил-СоА. Если в качестве затравки выступает пропионил-СоА, то синтезируются длинноцепочечные жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода. Такие жирные кислоты характерны в первую очередь для жвачных животных, у которых пропионовая кислота образуется в рубце под действием микроорганизмов.

Источники восстановительных эквивалентов и ацетил-СоА

1. В реакции восстановления как 3-кетоацил, так и 2,3-ненасыщенных ацил-производных в качестве кофермента используется NADPH. Водород, необходимый для восстановительного биосинтеза жирных кислот, образуется в ходе окислительных реакций пентозофосфатного пути. Важно отметить, что ткани, в которых активно функционирует пентозофосфатный путь, способны эффективно осуществлять липогенез (например, печень, жировая ткань и молочная железа в период лактации). Кроме того, оба метаболических пути протекают в клетке вне митохондрий, поэтому переходу NАDРН/NАDР от одного метаболического пути к другому не препятствуют мембраны или другие барьеры. Другими источниками NАDРН являются реакция превращения малата в пируват, катализируемая «яблочным» ферментом (NАDР-малатдегидрогеназой), а также внемитохондриальная реакция, катализируемая изоцитратдегидрогеназой

Рис. Цикл ацетил-СоА

2. Ацетил-СоА, являющийся строительным блоком для синтеза жирных кислот, образуется в митохондриях из углеводов в результате окисления пирувата. Однако ацетил-СоА не может свободно проникать во внемитохондриальный компартмент – главное место биосинтеза жирных кислот. В связи с этим, путь использования пирувата в процессе липогенеза проходит через стадию образования цитрата. Этот метаболический путь включает гликолиз, затем окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-СоА в митохондриях и последующую реакцию конденсации с оксалоацетатом с образованием цитрата, который является компонентом цикла лимонной кислоты. Далее цитрат перемещается во внемитохондриальный компартмент, где АТР-цитрат-лиаза в присутствии СоА и АТР катализирует его расщепление на ацетил-СоА и оксалоацетат.

Цитрат + АТР + СоА → Ацетил-СоА + АDР + Р_i + Оксалоацетат

Ацетил-СоА превращается в малонил-СоА и включается в биосинтез пальмитиновой кислоты. Оксалоацетат под действием NАDН-зависимой малатдегидрогеназы может превращаться в малат:

Оксалоацетат + NАDН + Н⁺ ↔ Малат + NАD⁺,

затем в результате реакции, катализируемой «яблочным» ферментом, происходит образование NАDРН, который поставляет водород для пути липогенеза:

Малат + NАDР⁺ → Пируват + СО₂ + NАDРН

Данный метаболический процесс обеспечивает перенос восстановительных эквивалентов от внемитохондриального NАDН к NАDР. В альтернативном случае малат может транспортироваться в митохондрии, где превращается в оксалоацетат.

Пируват + СО₂ + АТР + Н₂О → Оксалоацетат + АDР + Р_i + 2Н⁺

Отметим также, что для работы цитрат(трикарбоксилат)-транспортирующей системы митохондрий необходим малат, который обменивается на цитрат.

Суммируя эти три реакции, получаем:

NАDР⁺ + NАDН + АТР + Н₂О → NАDРН + NАD⁺ + АDР + P_i + H⁺

У жвачных содержание АТР-цитрат-лиазы и «яблочного» фермента в тканях, осуществляющих липогенез, незначительно. Это связано, повидимому, с тем, что у этих животных основным источником ацетил-СоА является ацетат, образующийся в рубце. Поскольку ацетат активируется до ацетил-СоА внемитохондриально, ему не нужно проникать в митохондрии и превращаться в цитрат, прежде чем включиться в путь биосинтеза длинноцепочечных жирных кислот. У жвачных животных из-за низкой активности «яблочного» фермента особое значение приобретает образование NАDРН, катализируемое внемитохондриальной изоцитратдегидрогеназой.

Микросомальная система удлинения цепей жирных кислот (элонгаза)

Микросомы, по-видимому, являются основным местом, где происходит удлинение длинноцепочечных жирных кислот. Ацил-СоА-производные жирных кислот превращаются в соединения, содержащие на 2 атома углерода больше. При этом малонил-СоА является донором ацетильной группы, а NАDРН – восстановителем. Промежуточными соединениями рассматриваемого пути являются тиоэфиры СоА. Затравочными молекулами могут служить насыщенные (С₁₀ и выше) и ненасыщенные жирные кислоты. При голодании процесс удлинения цепей жирных кислот затормаживается.

Рис. Микросомальная система элонгации жирных кислот