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.
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.
Образование малонил-КоА
Первая реакция синтеза ЖК -- превращение ацетил-КоА в малонил-КоА. Это регуляторная реакция в синтезе ЖК катализируется ацетил-КоА-карбоксилазой.
Ацетил-КоА-карбоксилаза состоит из нескольких субъединиц, содержащих биотин.
Реакция протекает в 2 стадии:
- 1) СО 2 + биотин + АТФ > биотин-СООН + АДФ + Фн
- 2) ацетил-КоА + биотин-СООН > малонил-КоА + биотин
Ацетил-КоА-карбоксилаза регулируется несколькими способами:
- 1) Ассоциация/диссоциация комплексов субъединиц фермента. В неактивной форме ацетил-КоА-карбоксилаза представляет собой комплексы, состоящих из 4 субъединиц. Цитрат стимулирует объединение комплексов, в результате чего активность фермента увеличивается. Пальмитоил-КоА вызывает диссоциацию комплексов и снижение активности фермента;
- 2) Фосфорилирование/дефосфорилирование ацетил-КоА-карбоксилазы. Глюкагон или адреналин через аденилатциклазную систему стимулируют фосфорилирование субъединиц ацетил-КоА карбоксилазы, что приводит к ее инактивации. Инсулин активирует фосфопротеинфосфатазу, ацетил-КоА карбоксилаза дефосфорилируется. Затем под действием цитрата происходит полимеризация протомеров фермента, и он становится активным;
- 3) Длительное потребление богатой углеводами и бедной липидами пищи приводит к увеличению секреции инсулина, который индукцирует синтез ацетил-КоА-карбоксилазы, пальмитатсинтазы, цитратлиазы, изоцитратдегидрогеназы и ускоряет синтез ЖК и ТГ. Голодание или богатая жирами пища приводит к снижению синтеза ферментов и, соответственно, ЖК и ТГ.
Образование пальмитиновой кислоты
После образования малонил-КоА синтез пальмитиновой кислоты продолжается на мультиферментном комплексе -- синтазе жирных кислот (пальмитоилсинтетазе) .
Пальмитоилсинтаза - это димер, состоящий из двух идентичных полипептидных цепей. Каждая цепь имеет 7 активных центров и ацилпереносящий белок (АПБ). В каждой цепи есть 2 SH-гpyппы: одна SH-гpyппa принадлежит цистеину, другая -- остатку фосфопантетеиновой кислоты. SH-группа цистеина одного мономера расположена рядом с SH-группой 4-фосфопантетеината другого протомера. Таким образом, протомеры фермента расположены «голова к хвосту». Хотя каждый мономер содержит все каталитические центры, функционально активен комплекс из 2 протомеров. Поэтому реально синтезируются одновременно 2 ЖК.
Этот комплекс последовательно удлиняет радикал ЖК на 2 атома С, донором которых служит малонил-КоА.
Реакции синтеза пальмитиновой кислоты
- 1) Перенос ацетила с КоА на SH-группу цистеина ацетилтрансацилазным центром;
- 2) Перенос малонила с КоА на SH-группу АПБ малонилтрансацилазным центром;
- 3) Кетоацилсинтазным центром ацетильная группа конденсируется с малонильной с образованием кетоацила и выделением СО 2 .
- 4) Кетоацил восстанавливается кетоацил-редуктазой до оксиацила;
- 5) Оксиацил дегидратируется гидратазой в еноил;
- 6) Еноил восстанавливается еноилредуктазой до ацила.
В результате первого цикла реакций образуется ацил с 4 атомами С (бутирил). Далее бутирил переносится из позиции 2 в позицию 1 (где находился ацетил в начале первого цикла реакций). Затем бутирил подвергается тем же превращениям и удлиняется на 2 атома С (от малонил-КоА).
Аналогичные циклы реакций повторяются до тех пор, пока не образуется радикал пальмитиновой кислоты, который под действием тиоэстеразного центра гидролитически отделяется от ферментного комплекса, превращаясь в свободную пальмитиновую кислоту.
Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА и малонил-КоА имеет следующий вид:
CH 3 -CO-SKoA + 7 HOOC-CH 2 -CO-SKoA + 14 НАДФН 2 > C 15 H 31 COOH + 7 СО 2 + 6
Н 2 О + 8 HSKoA + 14 НАДФ +
Синтез жиров осуществляется главным образом из углеводов, поступивших в избыточном количестве и не используемых для пополнения запаса гликогена. Кроме того, в синтезе участвуют и некоторые аминокислоты. Накоплению жиров способствует и избыток пищи.
Строительным блоком для синтеза жирных кислот в цитозоле клетки служит ацетил-КоА, который в основном поступает из митохондрий. Ацетил Ко-А самостоятельно не может диффундировать в цитозоль клетки, так как митохондриальная мембрана непроницаема для него. 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 НS-КоА и АТФ, вновь распадаясь на ацетил-КоА и оксалоацетат. Эта реакция катализируется АТФ-цитрат-лиазой. Уже в цитозоле оксалоацетат при участии цитозольной малатдегидрогеназы восстанавливается до малата. Последний при помощи дикарбоксилаттранспортирующей системы возвращается в митохондриальный матрикс, где окисляется до оксалоацетата.
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 «ацилпереносящий 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 содержит пантотеновую кислоту в виде 4 / -фосфопантетеина. В синтетазной системе АПБ выполняет роль КоА. Синтазный комплекс, катализирующий образование жирных кислот, является димером. У животных мономеры идентичны и образованы одной полипептидной цепью, включающей 6 ферментов, катализирующих биосинтез жирных кислот, и АПБ с реакционноспособной SH-группой, принадлежащей 4 / -фосфопантетеину. В непосредственной близости от этой группы расположена другая сульфгидрильная группа, принадлежащая остатку цистеина, входящего в состав 3-кетоацил-ситазы (конденсирующего фермента), которая входит в состав другого мономера. Поскольку для проявления ситазной активности необходимо участие обеих сульфгидрильных групп, синтазный комплекс активен только в виде димера.
Первой реакций биосинтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-КоА, для чего требуется бикарбонат, АТФ, ионы марганца. Катализирует реакцию ацетил-КоА-карбоксилаза. Фермент относится к классу лигаз и содержит в качестве простетической группы биотин.
Реакция протекает в два этапа: I – карбоксилирование биотина с участием АТФ и II-перенос карбоксильной группы на ацетил-КоА, в результате чего образуется малонил-КоА:
Малонил-КоА переходит в комплекс с SH-АПБ при участии фермента малонил-трансацилазы. В следующей реакции происходит взаимодействие ацетил-S-АПБ и малонил-S-АПБ. Происходит выделение карбоксильной группы малонил-S-АПБ в виде СО 2 . Ацетоацетил-S-АПБ при участии НАДФ + -зависимой редуктазы восстанавливается с образованием b-гидроксибутирил-S-АПБ. Далее реакция гидратации b-гидроксибутирил-S-АПБ приводит к образованию кротонил-b-гидроксибутирил-S-АПБ, который восстанавливается НАДФ + -зависимой редуктазой с образованием бутирил-S-АПБ. Далее рассмотренный цикл реакций повторяется: полученный бутирил-S-АПБ реагирует с другой молекулой малонил-S-АПБ с выделением молекулы СО 2 (рис. 42).
Рис. 42. Биосинтез жирных кислот
В случае синтеза пальмитиновой кислоты (С 16) необходимо повторение шести реакций, началом каждого из циклов будет присоединение молекулы малонил-S-АПБ к карбоксильному концу синтезируемой цепи жирной кислоты. Таким образом, присоединяя одну молекулу малонил-S-АПБ, углеродная цепь синтезируемой пальмитиновой кислоты увеличивается на два углеродных атома.
Субстратом синтеза ВЖК является ацетил-КоА.Однако,в ходе синтеза жирных кислот (ЖК) в каждом цикле удлинения используется не сам ацетил-КоА, а его производное - малонил-КоА.
Эту реакцию катализирует фермент ацетил-КоА-карбоксилаза -ключевой фермент в мультиферментной системе синтеза ЖК. Активность фермента регулируется по типу отрицательной обратной связи. Ингибитором является продукт синтеза: ацил-КоА с длинной цепью (n=16) - пальмитоил-КоА. Активатором является цитрат. В состав небелковой части этого фермента входит витамин H (биотин).
В дальнейшем в ходе синтеза жирных кислот происходит поэтапное удлинение молекулы ацил-КоА на 2 углеродных атома за каждый этап за счет малонил-КоА, который в этом процессе удлинения теряет СО 2 .
После образования малонил-КоА основные реакции синтеза жирных кислот катализируются одним ферментом - синтетазой жирных кислот (фиксирован на мембранах эндоплазматического ретикулума). Синтетаза жирных кислот содержит 7 активных центров и АПБ (ацилпереносящий белок). Участок, связывающий малонил-КоА, содержит небелковый компонент – витамин B 3 (пантотеновую кислоту). Последовательность одного цикла реакций синтеза ВЖК прпедставлен на рис.45.
Рис.45. Реакции синтеза высших жирных кислот
После окончания цикла ацил-АПБ вступает в следующий цикл синтеза. К свободной SH-группе ацилпереносящего белка присоединяется новая молекула малонил-КоА. Затем происходит отщепление ацильного остатка, он переносится на малонильный остаток (с одновременным декарбоксилированием) и цикл реакций повторяется.
Таким образом, углеводородная цепочка будущей жирной кислоты постепенно растет (за каждый цикл – на два углеродных атома). Это происходит до момента, пока она не удлинится до 16 углеродных атомов (в случае синтеза пальмитиновой кислоты) или более (синтез других жирных кислот). Вслед за этим происходит тиолиз и образуется в готовом виде активная форма жирной кислоты – ацил-КоА.
Для нормального течения синтеза высших жирных кислот необходимы следующие условия:
1) Поступление углеводов, при окислении которых образуются необходимые субстраты и НАДФН 2 .
2) Высокий энергетический заряд клетки – высокое содержание АТФ, которое обеспечивает выход цитрата из митохондрий в цитоплазму.
Сравнительная характеристика b-окисления и синтеза высших жирных кислот:
1 . b-окисление протекает в митохондриях, а синтез жирных кислот протекает в цитоплазме на мембранах эндоплазматического ретикулума. Однако, образовавшийся в митохондриях ацетил-КоА через мембраны сам проходить не может. Поэтому существуют механизмы транспорта ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму с участием ферментов цикла Кребса (рис.46).
Рис.46. Механизм транспорта ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму.
Ключевыми ферментами ЦТК являются цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа. Основные аллостерические регуляторы этих ферментов - это АТФ и АДФ. Если в клетке много АТФ, то АТФ выступает как ингибитор этих ключевых ферментов. Однако изоцитратдегидрогеназа угнетается АТФ сильнее, чем цитратсинтетаза. Это приводит к накоплению цитрата и изоцитрата в матриксе митохондрии. При накоплении цитрат выходит из митохондрии в цитоплазму. В цитоплазме есть фермент цитратлиаза. Этот фермент расщепляет цитрат на ЩУК и ацетил-КоА.
Таким образом, условием для выхода ацетил-КоА из митохондрии в цитоплазму является хорошее обеспечение клетки АТФ. Если АТФ в клетке мало, то ацетил-КоА расщепляется до СО 2 и Н 2 О.
2 . В ходе b-окисления промежуточные продукты связаны с HS-КоА, а при синтезе жирных кислот промежуточные продукты связаны с особым ацил-переносящим белком (АПБ). Это сложный белок. Его небелковая часть похожа по строению на КоА и состоит из тиоэтиламина, пантотеновой кислоты (витамин В 3) и фосфата.
3 . При b-окислении в качестве окислителя используются НАД и ФАД. При синтезе ЖК нужен восстановитель - используется НАДФ*Н 2 .
В клетке существует 2 основных источника НАДФ*Н 2 для синтеза жирных кислот:
а) пентозофосфатный путь распада углеводов;
