20.1.1. Высшие жирные кислоты могут быть синтезированы в организме из метаболитов углеводного обмена. Исходным соединением для этого биосинтеза является ацетил-КоА , образующийся в митохондриях из пирувата - продукта гликолитического распада глюкозы. Место синтеза жирных кислот - цитоплазма клеток, где имеется мультиферментный комплекссинтетаза высших жирных кислот . Этот комплекс состоит из шести ферментов, связанных с ацилпереносящим белком , который содержит две свободные SH-группы (АПБ-SH). Синтез происходит путём полимеризации двууглеродных фрагментов, конечным продуктом его является пальмитиновая кислота - насыщенная жирная кислота, содержащая 16 атомов углерода. Обязательными компонентами, участвующими в синтезе, являются НАДФН (кофермент, образующийся в реакциях пентозофосфатного пути окисления углеводов) и АТФ.
20.1.2. Ацетил-КоА поступает из митохондрий в цитоплазму при помощи цитратного механизма (рисунок 20.1). В митохондриях ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом (фермент -цитратсинтаза ), образующийся цитрат переносится через митохондриальную мембрану при помощи специальной транспортной системы. В цитоплазме цитрат реагирует с HS-КоА и АТФ, вновь распадаясь на ацетил-КоА и оксалоацетат (фермент - цитратлиаза ).
Рисунок 20.1. Перенос ацетильных групп из митохондрий в цитоплазму.
20.1.3. Начальной реакцией синтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА (рисунок 20.2). Фермент ацетил-КоА-карбоксилаза активируется цитратом и ингибируется КоА-производными высших жирных кислот.
Рисунок 20.2. Реакция карбоксилирования ацетил-КоА.
Затем ацетил-КоА и малонил-КоА взаимодействуют с SH-группами ацилпереносящего белка (рисунок 20.3).
Рисунок 20.3. Взаимодействие ацетил-КоА и малонил-КоА с ацилпереносящим белком.
Рисунок 20.4. Реакции одного цикла биосинтеза жирных кислот.
Продукт реакции взаимодействует с новой молекулой малонил-КоА и цикл многократно повторяется вплоть до образования остатка пальмитиновой кислоты.
20.1.4. Запомните основные особенности биосинтеза жирных кислот по сравнению с β-окислением:
- синтез жирных кислот в основном осуществляется в цитоплазме клетки, а окисление - в митохондриях;
- участие в процессе связывания СО2 с ацетил-КоА;
- в синтезе жирных кислот принимает участие ацилпереносящий белок, а в окислении - коэнзим А;
- для биосинтеза жирных кислот необходимы окислительно-восстановительные коферменты НАДФН, а для β-окисления - НАД+ и ФАД.
Ранее предполагали, что процессы расщепления являются обращением процессов синтеза, в том числе синтез жирных кислот рассматривали как процесс, обратный их окислению.
В настоящее время установлено, что митохондриальная система биосинтеза жирных кислот, включающая несколько модифицированную последовательность реакции β-окисления, осуществляет только удлинение уже существующих в организме среднецепочечных жирных кислот, в то время как полный биосинтез пальмитиновой кислоты из ацетил-СоА активно протекает вне митохондрий по совершенно другому пути.
Рассмотрим некоторые важные особенности пути биосинтеза жирных кислот.
1. Синтез происходит в цитозоле в отличие от распада, который протекает в митохондриальном матриксе.
2. Промежуточные продукты синтеза жирных кислот ковалентно связаны с сульфгидрильными группами ацилпереносящего белка (АПБ), тогда как промежуточные продукты расщепления жирных кислот связаны с коферментом А.
3. Многие ферменты синтеза жирных кислот у высших организмов организованы в мультиферментный комплекс, называемый синтетазой жирных кислот. В противоположность им ферменты, катализирующие расщепление жирных кислот, повидимому, не склонны к ассоциации.
4. Растущая цепь жирной кислоты удлиняется путем последовательного присоединения двухуглеродных компонентов, происходящих из ацетил-СоА. Активированным донором двухуглеродных компонентов на стадии элонгации служит малонил-АПБ. Реакция элонгации запускается высвобождением СО 2 .
5. Роль восстановителя при синтезе жирной кислоты выполняет NАDРН.
6. В реакциях также участвует Мn 2+ .
7. Элонгация под действием комплекса синтетазы жирных кислот останавливается на этапе образования палъмитата (С 16). Дальнейшая элонгация и введение двойных связей осуществляются другими ферментными системами.
Образование малонилкофермента А
Синтез жирных кислот начинается с карбоксилирования ацетил-СоА в малонил-СоА. Эта необратимая реакция представляет собою решающий этап в синтезе жирных кислот.
Синтез малонил-СоА катализируется ацетил-СоА-карбоксилазой и осуществляется за счет энергии АТР. Источником СО 2 для карбоксилирования ацетил-СоА является бикарбонат.
Рис. Синтез малонил-СоА
Ацетил-СоА-карбоксилаза содержит в качестве простетической группы биотин .
Рис. Биотин
Фермент состоит из переменного числа одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит биотин, биотинкарбоксилазу , карбоксибиотин-переносящий белок , транскарбоксилазу , а также регуляторный аллостерический центр, т.е. представляет собой полиферментный комплекс. Карбоксильная группа биотина ковалентно присоединяется к ε-аминогруппе остатка лизина карбоксибиотин-переносящего белка. Карбоксилирование биотинового компонента в образованном комплексе катализируется второй субъединицей - биотин-карбоксилазой. Третий компонент системы – транскарбоксилаза – катализирует перенос активированного СО 2 от карбоксибиотина на ацетил-СоА.
Биотин-фермент + АТР + НСО 3 - ↔ СО 2 ~Биотин-фермент + АDР + P i ,
СО 2 ~Биотин-фермент + Ацетил-СоА ↔ Молонил-СоА + Биотин-фермент.
Длина и гибкость связи между биотином и переносящим его белком обусловливают возможность перемещения активированной карбоксильной группы от одного активного центра ферментного комплекса к другому.
У эукариот ацетил-СоА-карбоксилаза существует в виде лишенного ферментативной активности протомера (450 кДа) или в виде активного нитевидного полимера. Их взаимопревращение регулируется аллостерически. Ключевым аллостерическим активатором служит цитрат , который сдвигает равновесие в сторону активной волокнистой формы фермента. Оптимальная ориентация биотина по отношению к субстратам достигается в волокнистой форме. В противоположность цитрату пальмитоил-СоА сдвигает равновесие в сторону неактивной протомерной формы. Таким образом, пальмитоил-СоА, конечный продукт, ингибирует первый решающий этап в биосинтезе жирных кислот. Регуляция ацетил-СоА-карбоксилазы у бактерий резко отличается от таковой у эукариот, так как у них жирные кислоты являются прежде всего предшественниками фосфолипидов, а не резервным топливом. Здесь цитрат не оказывает действия на ацетил-СоА-карбоксилазу бактерий. Активность транскарбоксилазного компонента системы регулируется гуаниновыми нуклеотидами, которые координируют синтез жирных кислот с ростом и делением бактерий.
Ранее предполагали, что процессы расщепления являются обращением процессов синтеза (например, гликогенолиз и гликогенез), а синтез жирных кислот рассматривали как процесс, обратный их окислению.
В настоящее время установлено, что митохондриальная система биосинтеза жирных кислот, включающая несколько модифицированную последовательность реакции -окисления, осуществляет только удлинение уже существующих в организме среднецепочечных жирных кислот, в то время как полный биосинтез пальмитиновой кислоты из активно протекает вне митохондрий по совершенно другому пути. Активная система, обеспечивающая удлинение цепей жирных кислот, имеется в эндоплазматическом ретикулуме.
Внемитохондриальная система биосинтеза de novo жирных кислот (липогенез)
Эта система находится в растворимой (цитозольной) фракции клеток многих органов, в частности печени, почек, мозга, легких, молочной железы, а также в жировой ткани. Биосинтез жирных кислот протекает с участием NADPH, АТР, качестве источника ); субстратом является конечным продуктом - пальмитиновая кислота. Потребности в кофакторах процессов биосинтеза и -окисления значительно различаются.
Образование малонил-СоА
Первой реакцией биосинтеза жирных кислот, катализируемой ацети арбоксилазой и осуществляемой за счет энергии АТР, является карбоксилирование источником является бикарбонат. Для функционирования фермента необходим витамин биотин (рис. 23.5). Этот фермент состоит из переменного числа одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит биотин, биотинкарбоксилазу, карбоксибиотин-переносящий белок, транс-карбоксилазу, а также регуляторный аллостерический центр, т. е. представляет собой полиферментный комплекс. Реакция протекает в две стадии: (1) карбоксилирование биотина с участием АТР (рис. 20.4) и (2) перенос карбоксильной группы на ацетил-СоА, в результате чего образуется активируется цитратом и ингибируется длинноцепочечными Активированная форма фермента легко полимеризуется с образованием нитей, состоящих из 10-20 протомеров.
Синтазный комплекс, катализирующий образование жирных кислот
Имеются два типа синтазных комплексов, катализирующих биосинтез жирных кислот; оба находятся в растворимой части клетки. У бактерий, растений и низших форм животных, таких, как эвглена, все индивидуальные ферменты синтазной системы находятся в виде автономных полипептидов; ацильные радикалы связаны с одним из них, получившим название
Рис. 23.5. Биосинтез малонил-СоА. Фацетил-СоА-карбоксилаза.
ацилпереносящин белок (АПБ). У дрожжей, млекопитающих и птиц синтазная система представляет собой полиферментный комплекс, который нельзя разделить на компоненты, не нарушив его активности, а АПБ является частью этого комплекса. Как АПБ бактерий, так и АПБ полиферментного комплекса содержат витамин пантотеновую кислоту в виде 4-фосфопантетеина (см. рис. 17.6). В синтазной системе АПБ выполняет роль СоА. Синтазный комплекс, катализирующий образование жирных кислот, является димером (рис. 23.6). У животных мономеры идентичны и образованы одной полипептидной
Рис. 23.6. Полиферментный комплекс, катализирующий синтез жирных кислот. Комплекс представляет собой димер, состоящий из двух идентичных полипептидных мономеров 1 и 2. Каждый мономер включает 6 индивидуальных ферментов и ацилпереносящий белок (АПБ). Cys-SH-тиоловая группа цистеина. Сульфгидрильная группа 4-фосфопантетеина одного мономера расположена в непосредственной близости от такой же группы остатка цистсина кетоацил-синтетазы, входящей в состав другого мономера; это указывает на расположение мономеров по типу «голова к хвосту». Последовательность расположения ферментов в мономерах окончательно не уточнена и здесь приводится по данным Цукамото (Tsukamoto). Каждый из мономеров включает все ферменты, катализирующие биосинтез жирных кислот; он не является, однако, функциональной единицей (в состав последней входят фрагменты обоих мономеров, при этом половина одного мономера взаимодействует с «комплементарной» половиной другого). Синтазный комплекс одновременно синтезирует две молекулы жирных кислот.
(см. скан)
Рис. 23.7. Биосинтез длинноцепочечных жирных кислот. Показано, как присоединение одною малонильного остатка приводит к удлинению ацилыюй цепи на 2 углеродных агома. Cys - остаток цистеина; Фп - 4-фосфопантетеин. Строение синтазы жирных кислот показано на рис. 23.6. - индивидуальные мономеры синтазы жирных кислот. На одном димере одновременно синтезируются 2 ацильные цепи, при этом используется 2 пары - -групп; в каждой паре одна из групп принадлежит Фп, а другая - Cys.
цепью, включающей 6 ферментов, катализирующих биосинтез жирных кислот, и АПБ с реакционноспособной -группой, принадлежащей -фосфопантетеину. В непосредственной близости от этой группы расположена другая сульфгидрильная группа, принадлежащая остатку цистеина, входящего в состав -кетоацил-синтазы (конденсирующего фермента), которая входит в состав другого мономера (рис. 23.6). Поскольку для проявления синтазной активности необходимо участие обеих сульфгидрильных групп, синтазный комплекс активен только в виде димера.
На первом этапе процесса инициирующая молекула при участии трансацилазы взаимодействует с -группой цистеина под действием того же фермента (трансацилазы) взаимодействует с соседней -группой, принадлежащей -фосфопантетеину, локализованному в АПБ другого мономера. В результате этой реакции образуется ацетил (ацил) малонил-фермент. З-Кетоацилсннтаза катализирует взаимодействие ацетильной группы фермента с метиленовой группой малонила и высвобождение в результате образуется -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-8-фермент. Эти реакции сходны с соответствующими реакциями Р-окисления; отличие заключается, в частности, в том, что при биосинтезе образуется D(-)-изомер 3-гидроксикислоты, а не кроме того, NADPH, а не NADH является донором водорода в реакциях восстановления. Далее новая молекула взаимодействует с --группой фосфопантетеина, при этом насыщенный ацильный остаток перемещается на свободную --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 ацилрадикал (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 Затем активированный пальмитат обычно подвергается эстерификации с образованием ацилглицеролов (рис. 23.8).
В молочной железе имеется особая тиоэстераза, специфичная к ацильным остаткам или -жирных кислот, входящих в состав липидов молока. В молочной железе жвачных животных этот фермент входит в состав синтазного комплекса, катализирующего образование жирных кислот.
По-видимому, в одном димерном синтазном комплексе имеются 2 активных центра, функционирующие независимо друг от друга, в результате одновременно образуются 2 молекулы пальмитиновой кислоты.
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.
Ниже приводится суммарная реакция биосинтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-СоА и малонил-СоА:
Из молекулы выступающей в качестве затравки, образуются 15-й и 16-й углеродные атомы пальмитиновой кислоты. Присоединение всех последующих двухуглеродных фрагментов происходит за счет В печени
Рис. 23.8. Судьба пальмитата.
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. В реакции восстановления как 3-кетоацил-, так и 2,3-ненасыщенных ацилпроизодных 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 пентозо-
(см. скан)
Рис. 23.9. Источники ацетил-СоА и NADPH для липогснеза. ПФП - пентозофосфатный путь: Т трикарбоксилат-псреносящая система; К а-кетоглутарат-переносяшая система
фосфатный 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 NADPH/NADP от одного метаболического пути к другому не препятствуют мембраны или другие барьеры. Другими источниками NADPH являются реакция превращения малата в пируват, катализируемая «яблочным» ферментом (-малатдегидрогеназой) (рис. 23.9), а также внемитохондриальная реакция, катализируемая нзоцитратдегидрогеназой (вероятно, роль ее незначительна).
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. Активности внеми-тохондриальной АТР-цитрат-лиазы и «яблочного» фермента при хорошем питании увеличиваются -раллельно активностям ферментов, участвующих в биосинтезе жирных кислот. В настоящее время полагают, что 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. Ацетил-СоА превращается в малонил-СоА (рис. 23.5) и включается в биосинтез пальмитиновой кислоты (рис. 23.9). Оксалоацетат под действием NADH-зависимой малатдегидрогеназы может превращаться в малат, затем в результате реакции, катализируемой «яблочным» ферментом, происходит образование NADPH, который поставляет водород для пути липогенеза. Данный метаболический процесс обеспечивает перенос восстановительных эквивалентов от внемитохондриального NADH к NADP. В альтернативном случае малат может транспортироваться в митохондрии, где превращается в оксалоацетат. Следует подчеркнуть, что для работы цитрат(трикарбоксилат)-транспортирующей системы митохондрий необходим малат, который обменивается на цитрат (см. рис. 13.16).
У жвачных содержание АТР-цитратлиазы и «яблочного» фермента в тканях, осуществляющих липогенез, незначительно. Это связано, по-видимому, 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 NADPH, катализируемое
Рис. 23.10. Микросомальная система удлинения цепи жирной кислоты (элонгазная система).
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; малонил-СоА является донором ацетильной группы, a NADPH- 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. При образовании миелиновых оболочек нервных клеток в мозгу резко усиливается процесс удлинения стеарил-СоА, в результате образуются -жирные кислоты, входящие в состав сфинголипидов (рис. 23.10).
ЛИТЕРАТУРА
Boyer P. D. (ed.). The Enzymes, 3rd ed.. Vol. 16 of Lipid Enzymology, Academic Press, 1983. -
Debeer L. J., Mannaerts G. P. The mitochondrial and peroxisomal pathways of fatty acid oxidation in rat liver, Diabete Metab. (Paris), 1983, 9, 134.
Goodridge A.G. Fatty acid synthesis in eukaryotes, Page 143. In: Biochemistry of Lipids and Membranes, Vance D. E., Vance J. E. (eds.), Benjamin/Cummings, 1985.
Gurr M.I., James A.I. Lipid Biochemistry: An Introduction, 3rd ed., Wiley, 1980.
Pande S. V., Parvin R. Page 143. In: Carnitine Biosynthesis, Metabolism, and Functions, Frenkel R. A., McGarry J. D. (eds.), Academic Press, 1980.
Schulz H. Oxidation of fatty acids, Page 116. In: Biochemistry of Lipids and Membranes, Vance D. E., Vance J. E. (eds.), Benjamin/Cummings, 1985.
Singh N.. Wak.il S.J., Stoops J.K. On the question of half- or fullsite reactivity of animal fatty acid synthetase, J. Biol. Chem., 1984, 259, 3605.
Tsukamoto Y. et al. The architecture of the animal fatty acid synthetase complex, J. Biol. Chem., 1983, 258, 15312.
Various authors. Disorders characterized by evidence of abnormal lipid metabolism. In: The Metabolic Basis of Inherited Disease, 5th ed., Stanbury J. B. et al. (eds.), McGraw-Hill, 1983.
Строительным блоком для синтеза жирных кислот в цитозоле клетки служит ацетил-КоА, который образуется двумя путями: либо в результате окислительного декарбоксилирования пирувата. (см. рис. 11, Этап III), либо в результате b-окисления жирных кислот (см. рис. 8).
Рисунок 11 – Схема превращения углеводов в липиды
Напомним, что превращения образовавшегося при гликолизе пирувата в ацетил-КоА и его образование при b-окислении жирных кислот происходит в митохондриях. Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацетил-КоА. Его поступление в цитоплазму осуществляется по типу облегченной диффузии в виде цитрата или ацетилкарнитина, которые в цитоплазме превращаются в ацетил-КоА, оксалоацетат или карнитин. Однако главный путь переноса ацетил-коА из митохондрии в цитозоль является цитратный (см. рис. 12).
Вначале внутримитохондриальный ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат. Реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой. Образовавшийся цитрат переносится через мембрану митохондрий в цитозоль при помощи специальной трикарбоксилаттранспортирующей системы.
В цитозоле цитрат реагирует с HS-КоА и АТФ, вновь распадается на ацетил-КоА и оксалоацетат. Эта реакция катализируется АТФ-цитратлиазой. Уже в цитозоле оксалоацетат при участии цитозольной дикарбоксилат-транспортирующей системы возвращается в митохондриальный матрикс, где окисляется до оксалоацетата, завершая тем самым так называемый челночный цикл:
Рисунок 12 – Схема переноса ацетил-КоА из митохондрий в цитозоль
Биосинтез насыщенных жирных кислот происходит в направлении, противоположном их b-окислению, наращивание углеводородных цепей жирных кислот осуществляется за счет последовательного присоединения к их концам двухуглеродного фрагмента (С 2) – ацетил-КоА (см. рис. 11, этап IV.).
Первой реакцией биосинтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-КоА, для чего требуется СО 2 , АТФ, ионы Mn. Катализирует эту реакцию фермент ацетил-КоА – карбоксилаза. Фермент содержит в качестве простетической группы биотин (витамин Н). Реакция протекает в два этапа: 1 – карбоксилирование биотина с участием АТФ и II – перенос карбоксильной группы на ацетил-КоА, в результате чего образуется малонил-КоА:
Малонил-КоА представляет собой первый специфический продукт биосинтеза жирных кислот. В присутствии соответствующей ферментной системы малонил-КоА быстро превращается в жирные кислоты.
Нужно отметить, что скорость биосинтеза жирных кислот определяется содержанием сахаров в клетке. Увеличение концентрации глюкозы в жировой ткани человека, животных и повышение скорости гликолиза стимулирует процесс синтеза жирных кислот. Это свидетельствует о том, что жировой и углеводный обмен тесно взаимосвязаны друг с другом. Важную роль здесь играет именно реакция карбоксилирования ацетил-КоА с его превращением в малонил-КоА, катализируемая ацетил-КоА-карбоксилазой. Активность последней зависит от двух факторов: наличия в цитоплазме высокомолекулярных жирных кислот и цитрата.
Накопление жирных кислот оказывает тормозящее влияние на их биосинтез, т.е. подавляют активность карбоксилазы.
Особая роль отводится цитрату, который является активатором ацетил-КоА-карбоксилазы. Цитрат в то же время играет роль связующего звена углеводного и жирового обменов. В цитоплазме цитрат вызывает двойной эффект в стимулировании синтеза жирных кислот: во-первых, как активатор ацетил-КоА-карбоксилазы и, во-вторых, как источник ацетильных групп.
Очень важной особенностью синтеза жирных кислот является то, что все промежуточные продукты синтеза ковалентно связаны с ацилпереносящим белком (HS-АПБ).
HS-АПБ – низкомолекулярный белок, который термостабилен, содержит активную HS-группу и в простетической группе которого содержится пантотеновая кислота (витамин В 3). Функция HS-АПБ аналогична функции фермента А (HS-КоА) при b-окислении жирных кислот.
В процессе построения цепи жирных кислот промежуточные продукты образуют эфирные связи с АБП (см. рис. 14):
Цикл удлинения цепи жирных кислот включает четыре реакции: 1) конденсации ацетил-АПБ (С 2) с малонил-АПБ (С 3); 2) восстановления; 3) дегидротации и 4) второго восстановления жирных кислот. На рис. 13 представлена схема синтеза жирных кислот. Один цикл удлинения цепи жирной кислоты включает четыре последовательных реакции.
Рисунок 13 – Схема синтеза жирных кислот
В первой реакции (1) – реакции конденсации – ацетильная и малонильные группы взаимодействуют между собой с образованием ацетоацетил-АБП с одновременным выделением СО 2 (С 1). Эту реакцию катализирует конденсирующий фермент b-кетоацил-АБП-синтетаза. Отщепленный от малонил-АПБ СО 2 – это тот же самый СО 2 , который принимал участие в реакции карбоксилирования ацетил-АПБ. Таким образом, в результате реакции конденсации происходит образование из двух-(С 2) и трехуглеродных (С 3) компонентов четырехуглеродного соединения (С 4).
Во второй реакции (2) – реакции восстановления, катализируемой b-кетоацил-АПБ-редуктазой, ацетоацетил-АПБ превращается в b-гидроксибутирил-АПБ. Восстанавливающим агентом служит НАДФН + Н + .
В третьей реакции (3) цикла-дегидратации – от b-гидроксибутирил-АПБ отщепляется молекула воды с образованием кротонил-АПБ. Реакция катлизируется b-гидроксиацил-АПБ-дегидратазой.
Четвертой (конечный) реакцией (4) цикла является восстановление кротонила-АПБ в бутирил-АПБ. Реакция идет под действием еноил-АПБ-редуктазы. Роль восстановителя здесь выполняет вторая молекула НАДФН + Н + .
Далее цикл реакций повторяется. Допустим, что идет синтез пальмитиновой кислоты (С 16). В этом случае образование бутирил-АПБ завершается лишь первый из 7 циклов, в каждом из которых началом является присоединение молекулы молонил-АПБ (С 3) – реакция (5) к карбоксильному концу растущей цепи жирной кислоты. При этом отщепляется карбоксильная группа в виде СО 2 (С 1). Этот процесс можно представить в следующем виде:
С 3 + С 2 ® С 4 + С 1 – 1цикл
С 4 + С 3 ® С 6 + С 1 – 2 цикл
С 6 + С 3 ® С 8 + С 1 –3 цикл
С 8 + С 3 ® С 10 + С 1 – 4 цикл
С 10 + С 3 ® С 12 + С 1 – 5 цикл
С 12 + С 3 ® С 14 + С 1 – 6 цикл
С 14 + С 3 ® С 16 + С 1 – 7 цикл
Могут синтезироваться не только высшие насыщенные жирные кислоты, но и ненасыщенные. Мононенасыщенные жирные кислоты образуются из насыщенных в результате окисления (десатурации), катализуруемой ацил-КоА-оксигеназой. 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 – синтезируются из пальмитиновой и стеариновой кислот. В организме млекопитающих, в том числе и человека, не могут образовываться, например, из стеариновой кислоты (С 18:0) линолевая (С 18:2) и линоленовая (С 18:3) кислоты. Эти кислоты относятся к категории незаменимых жирных кислот. К незаменимым жирным кислотам относят также арахиновую кислоту (С 20:4).
Наряду с десатурацией жирных кислот (образование двойных связей) происходит и их удлинение (элонгации). 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+Н + .
На рисунке 14 представлены пути превращения пальмитиновой кислоты в реакциях десатурации и элонгации.
Рисунок 14 – Схема превращения насыщенных жирных кислот
в ненасыщенные
Завершается синтез любой жирной кислоты отщеплением HS-АПБ от ацил-АПБ под влиянием фермента деацилазы. Например:
Образовавшийся ацил-КоА является активной формой жирной кислоты.
Биосинтез жирных кислот наиболее активно происходит в цитозоле клеток печени, кишечника, жировой ткани в состоянии покоя или после еды .
Условно можно выделить 4 этапа биосинтеза:
1. Образование ацетил-SКоА из глюкозы, других моносахаров или кетогенных аминокислот.
2. Перенос ацетил-SКоА из митохондрий в цитозоль :
- может быть в комплексе с карнитином , подобно тому как переносятся внутрь митохондрии высшие жирные кислоты, но здесь транспорт идет в другом направлении,
- обычно в составе лимонной кислоты , образующейся в первой реакции ЦТК.
Поступающий из митохондрий цитрат в цитозоле расщепляется АТФ-цитрат-лиазой до оксалоацетата и ацетил-SКоА.
Образование ацетил-SКоА из лимонной кислоты
Оксалоацетат в дальнейшем восстанавливается до малата, и последний либо переходит в митохондрии (малат-аспартатный челнок), либо декарбоксилируется в пируват малик-ферментом ("яблочный" фермент).
3. Образование малонил-SКоА из ацетил-SКоА.
Карбоксилирование ацетил-SКоА катализируется ацетил-SКоА-карбоксилазой , мульферментным комплексом из трех ферментов.
Образование малонил-SКоА из ацетил-SКоА
4. Синтез пальмитиновой кислоты.
Осуществляется мультиферментным комплексом "синтаза жирных кислот " (синоним пальмитатсинтаза ) в состав которого входит 6 ферментов и ацил-переносящий белок (АПБ).
Ацил-переносящий белок включает производное пантотеновой кислоты – 6-фосфопантетеин (ФП), имеющий HS-группу, подобно HS-КоА. Один их ферментов комплекса, 3-кетоацил-синтаза , также имеет HS-группу в составе цистеина. Взаимодействие этих групп обусловливает начало и продолжение биосинтеза жирной кислоты, а именно пальмитиновой кислоты. Для реакций синтеза необходим НАДФН.
Активные группы синтазы жирных кислот
В первых двух реакциях последовательно присоединяются малонил-SКоА к фосфопантетеину ацил-переносящего белка и ацетил-SКоА к цистеину 3-кетоацилсинтазы.
3-Кетоацилсинтаза катализирует третью реакцию – перенос ацетильной группы на С 2 малонила с отщеплением карбоксильной группы.
Далее кетогруппа в реакциях восстановления (3-кетоацил-редуктаза ), дегидратации (дегидратаза ) и опять восстановления (еноил-редуктаза ) превращается в метиленовую с образованием насыщенного ацила, связанного с фосфопантетеином .
Ацилтрансфераза переносит полученный ацил на цистеин 3-кетоацил-синтазы , к фосфопантетеину присоединяется малонил-SКоА и цикл повторяется 7 раз до образования остатка пальмитиновой кислоты. После этого пальмитиновая кислота отщепляется шестым ферментом комплекса тиоэстеразой .
Реакции синтеза жирных кислот
Удлинение цепи жирных кислот
Синтезированная пальмитиновая кислота при необходимости поступает в эндоплазматический ретикулум. Здесь с участием малонил-S-КоА и НАДФН цепь удлиняется до С 18 или С 20 .
Удлиняться могут и ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая) с образованием производных эйкозановой кислоты (С 20). Но двойная связь животными клетками вводится не далее 9 атома углерода , поэтому ω3- и ω6-полиненасыщенные жирные кислоты синтезируются только из соответствующих предшественников.
Например, арахидоновая кислота может образоваться в клетке только при наличии линоленовой или линолевой кислот. При этом линолевая кислота (18:2) дегидрируется до γ-линоленовой (18:3) и удлиняется до эйкозотриеновой кислоты (20:3), последняя далее вновь дегидрируется до арахидоновой кислоты (20:4). Так формируются жирные кислоты ω6-ряда
Для образования жирных кислот ω3-ряда, например, тимнодоновой (20:5), необходимо наличие α-линоленовой кислоты (18:3), которая дегидрируется (18:4), удлиняется (20:4) и опять дегидрируется (20:5).
