Глава II. МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ

Метаболизм липидов - это совокупность ферментативных реакций, протекающих в организме, исходным метаболитом (объектом изменения) которых являются липиды. Метаболизм липидов можно представить следующими основными процессами:

1. Метаболизм липидов в системе пищеварения. Это совокупность процессов тонкого эмульгирования и переваривания жира (триглицеридов) пищевых продуктов, поступающих в пищеварительный тракт с пищей, до жирных кислот, моноглицеридов и глицерина и последующее всасывание тонкоэмульгированных жиров и продуктов их расщепления из полости пищеварительного тракта в кровь и лимфу.

2. Метаболизм липидов в тканях, клетках и субклеточных структурах (митохондрии, цитозоль, эндоплазматический ретикулум и др.). Это совокупность процессов катаболизма и анаболизма липидов, протекающих в клетках, тканях и субклеточных структурах организма.

1. Катаболизм жиров

С пищей в организм ежедневно поступает от 80 до 150 г липидов. Основную массу составля­ют жиры, наряду с глюкозой служащие главны­ми источниками энергии. Хотя калорийность жиров значительно выше, чем углеводов (9 по сравнению с 4,7 ккал/моль), при рациональном питании жиры обеспечивают не более 30% от общего количества калорий, поступающих с пи­щей. Жидкие жиры (масла) содержат в своём со­ставе полиеновые жирные кислоты, которые не синтезируются в организме; поэтому жидкие жиры должны составлять не менее одной трети жиров пищи. С липидами в организм поступают и жирорастворимые витамины A, D, Е, К.

Триацилглицеролы – очень важный источник энергии в организме животных. В клетках они откладываются в запас в виде жировых капелек, состоящих из почти чистого жира. У животных, впадающих в спячку, и у перелетных птиц триацилглицеролы служат практически единственным источником энергии. Углеводы, если их накапливается слишком много (а способность организма хранить гликоген крайне ограничена), тоже превращаются в триацилглицеролы для длительного хранения.

Около 95% всей биологически доступной энергии в молекуле триацилглицеролов заключают в себе остатки трех жирных кислот с длинной цепью, и только 5% приходится на долю остатка глицерола. Такое большое различие в выходе энергии объясняется тем, что жирные кислоты являются значительно более высоко восстановленными соединениями. Кроме того, триацилглицеролы обладают сильно выраженной неполярностью и поэтому резервируются в почти обезвоженной форме. Количество энергии, запасенной в 1 грамме почти обезвоженного жира, более чем в 6 раз превышает количество энергии, запасенного в 1 грамме гидратированного гликогена. Именно поэтому триацилглицеролы, а не гликоген, были отобраны в ходе эволюции в качестве основного источника энергии.

У человека весом в 70 кг резервы топлива распределяются следующим образом: 100000 ккал в триацилглицеролах, 25000 ккал в белках (преимущественно в мышечных), 600 ккал в гликогене, 40 ккал в глюкозе. На жиры из общего веса тела приходится 11 кг. Если бы это же количество энергии запасалось бы в виде гликогена, общий вес тела должен был быть на 55 кг больше.

У млекопитающих, у человека основным местом накопления триацилглицеролов является цитоплазма жировых клеток. Капли триацилглицерола сливаются, образуя большие глобулы, которые могут занимать большую часть клеточного объема. Жировые клетки специализированны для синтеза и хранения триацилглицеролов, а также для их мобилизации в качестве топливных молекул, способных переноситься кровью к другим тканям.

1.1. Превращения жиров в пищеварительном тракте

Жиры составляют до 90% липидов, поступа­ющих с пищей. В пищеварительном тракте они подвергаются целому ряду последовательных процессов, среди которых основные: эмульгирование, расщепление, всасывание. Основные этапы поступления и превращения экзогенных (поступивших в организм с пищей) жиров в организме показаны на рис.7.

Рис.8. Липопротеины плазмы крови

Некоторые апопротеины интегральные и не могут быть отделены от липопротеина, а другие могут свободно пе­реноситься от одного типа липопротеина к дру­гому. Апопротеины выполняют несколько фун­кций:

• формируют структуру липопротеинов;

• взаимодействуют с рецепторами на поверх­ности клеток и таким образом определяют, какими тканями будет захватываться дан­ный тип липопротеинов;

• служат ферментами или активаторами фер­ментов, действующих на липопротеины.

Классификация липопротеинов основана на величине их плотности, которая в свою очередь зависит от содержания липидов. В организме синтезируются следующие типы липопротеинов: хиломикроны (ХМ), липопротеины очень низкой плот­ности (ЛПОНП), липопротеины промежуточ­ной плотности (ЛППП), липопротеины низкой плотности (ЛПНП) и липопротеины высокой плотности (ЛПВП).

Липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП) ρ = 0,95-1г/мл, состоят на 10% из белка, 60% триацилглицеролов, 18% фосфолипидов, 15% холестерола.

Липопротеины низкой плотности (ЛПНП) ρ = 1-1,06 г/мл, состоят на 25% из белка, 10% триацилглицеролов, 22% фосфолипидов, 45% холестерола.

Липопротеины высокой плотности (ЛПВП) ρ = 1,06-1,21 г/мл, состоят на 50% из белка, 3% триацилглицеролов, 30% фосфолипидов, 18% холестерола.

Хиломикроны (ХМ) состоят на 85% из триглицеридов, поэтому вместе с липопротеинами очень низкой плотности (ЛПОНП) их относят к триглицерид-богатым липопротеинам. Кроме триглицеридов хиломикроны содержат также холестерин и эфиры холестерина. При секреции единственным белком в составе хиломикрон является одна из изоформ аполипопротеина B, который частично покрывает поверхность хиломикрона и таким образом обеспечивает стабильность частицы в процессе циркуляции.

Каждый из типов ЛПобразуется в разных тканях и транспортирует определённые липи­ды. Например, ХМ транспортируют экзогенные (пищевые жиры) из кишечника в ткани, поэто­му триацилглицеролы составляют до 85% мас­сы этих частиц.

ЛП хорошо растворимы в крови, некоторые из них легко проходят через стенки капилляров кровеносных сосудов и доставляют липиды к клеткам.

В плазме крови имеются три основных класса липопротеинов, причем содержание липидов в них может составлять от 50 до 90%;. Молекулы липидов и полипептидов в липопротеинах прочно соединены между собой, хотя и не образуют ковалентных связей. Липопротеины плазмы крови содержат полярные липиды и триацилглицеролы, а так же холестерол и его эфиры.

Большой размер ХМ не позволяет им про­никать через стенки капилляров, поэтому из клеток кишечника они сначала попадают в лимфатическую систему и потом через глав­ный грудной проток вливаются в кровь вместе с лимфой.

1.2. Катаболизм и энергетика глицерола

Глицерол, образованный при гидролизе триацилглицеролов, независимо от того, поступит ли он на ресинтез жиров или будет претерпевать дальнейший распад, прежде всего фосфорилируется. Донором остатка фосфорной кислоты в этой реакции служит АТФ. Процесс ускоряется соответствующей фосфотрансферазой (А):

Глицерол Фосфоглицерол

Фермент: Глицеролкиназа

Образующийся фосфоглицерол, в основном, расходуется на синтез новых мо­лекул триглицеридов, но часть его окисляется с образованием фосфодиоксиацетона (ФДА) (Б):

Фосфоглицерол Фосфодиоксиацетон (ФДА)

Фермент: Глицерофосфатдегидрогеназа

Фосфодиоксиацетон, в свою очередь, изомеризуется до фосфоглицеринового альдегида (ФГА) (В):

Фосфодиоксиацетон (ФДА) Фофоглицериновый альдегид (ФГА)

Фермент: Триозофосфатизомераза

ФГА служит промежуточным продуктом гликолиза и глюконеогенеза.

Таким образом, в печени, содержащей соответствующие ферменты, глицерол может превратиться в пируват (ПВК), который в аэробных условиях через цикл Кребса и окислительное фосфорилирование полностью окисляется до углекислого газа и воды. Энергия 1 моль глицерина аккумулируется (трансформируется) в 22 моль АТФ.

1.3. β - Окисление жирных кислот

Как уже указывалось, значительную часть энергии, извлекаемой в процессе окисления, животный организм получает из жирных кислот, которые расщепляются путем окисления при β-углеродном атоме.

β-Окисление жирных кислот было впервые изучено в 19004 г. Ф. Кноопом. В дальнейшем было установлено, что β-окисление осуществляется только в митохондриях. Благодаря работам Ф. Линена с сотрудниками (1954-1958 г.г.) были выяснены основные ферментативные процессы окисления жирных кислот. В честь ученых, открывших данный путь окисления жирных кислот, процесс β-окисления получил название цикла Кноопа-Линена.

β-Окисление — специфический путь ката­болизма жирных кислот, при котором от кар­боксильного конца жирной кислоты последо­вательно отделяется по 2 атома углерода в виде ацетил-КоА. Метаболический путь - β-окисление - назван так потому, что реакции окисле­ния жирной кислоты происходят у β-углеродного атома. Реакции β-окисления и последующего окисления ацетил-КоА в ЦТК (цикле трикарбоновых кислот) служат одним из основных источников энергии для синтеза АТФ по механизму окислительного фосфорилирования. β-Окисление жирных кислот происходит только в аэробных условиях.

Все реакции многостадий­ного окисления ускоряются специфическими ферментами. β-окисление высших жирных кислот является универсальным биохи­мическим процессом, протекающим во всех живых организмах. У млекопитающих этот процесс происходит во многих тканях, в первую очередь в печени, почках и сердце. Окисление жирных кислот происходит в митохондриях. Ненасыщенные высшие жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая и др.) предварительно восстанавливаются до предельных кислот.

Проникновению жирных кислот в митохондриальный матрикс предшествует их активация путем образования соединения с коэнзимом А (НS~КоА), содержащего макроэргическую связь. Последняя, видимо, способствует более гладкому протека­нию реакций окисления образовавшегося соединения, которое называют ацилкоэнзимом А (ацил-КоА).

Взаимодействие высших жирных кислот с КоА ускоряется специфическими лигазами - ацил-КоА-синтетазами трех видов, специфичных соответственно для кислот с коротким, средним и длин­ным углеводородными радикалами. Они локализованы в мембранах эндоплазматической сети и в наружной мембране митохондрий. По-видимому, все ацил-КоА-синтетазы являются мультимерами; так, фермент из микросом пе­чени имеет молекулярную массу 168 кДа и состоит из 6 идентичных субъеди­ниц. Реакция активации жирных кислот протекает в 2 этапа:

а) сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образаванием ациладенилата:

RCOOH + ATФ → RCO~AMФ + ФФ

б) затем идет образование активированной формы ацил-КоА:

RCO~AMФ + НS~КоА → RCO~SKoA + AMФ

Пирофосфат (ФФ) быстро гидролизуется под действием пирофосфатазы, в результате чего вся реакция оказывается необратимой: ФФ + H₂O → 2Ф

Суммарное уравнение:

RCOOH + ATФ+ НS~КоА→ RCO~SKoA + AMФ + 2Ф

Жирные кислоты с короткой и средней длиной цепи (от 4 до 12 атомов углерода) могут прони­кать в матрикс митохондрий путём диффузии, там происходит их активация. Жирные кислоты с длин­ной цепью, которые преобладают в организме человека (от 12 до 20 атомов углерода), активи­руются ацил-КоА синтетазами, расположенны­ми на внешней мембране митохондрий.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для длинноцепочных ацил-КоА, образовавшихся в цитоплазме. Переносчиком активированных жирных кислот служит карнитин (витамин В_т), который поступает с пи­щей или синтезируется из незаменимых амино­кислот лизина и метионина.

В наружной мембране митохондрий находится фермент карнитинацилтрансфераза I (карнитин-палъмитоилтрансфераза I), катализи- рующий ре­акцию с образованием ацилкарнитина:

H₃C H₃C

RCO~SKoA + H₃C- N⁺-CH₂-CH-CH₂-COOH ↔ H₃C- N⁺-CH₂-CH-CH₂-COOH + HS~KoA

H₃C H₃C О

OH O-C – R

Ацил-КоА Карнитин (В_т) Ацилкарнитин Кофермент А

Этот фермент является регуляторным, он регулирует скорость поступления ацильных групп в митохондрии, а, следовательно, и скорость окисления жирных кислот.

Образовавшийся ацилкарнитин проходит че­рез межмембранное пространство к наружной стороне внутренней мембраны и транспортиру­ется с помощью карнитинацилкарнитинтранслоказы на внутреннюю поверхность внутренней мембраны митохондрий, где фермент карнити­нацилтрансфераза II катализирует перенос ацила на внутримитохондриальный КоА, то есть обратную реакцию (рис.9).

Рис.9. Перенос жирных кислот с длинным углеводородным радикалом через мембраны митохондрий

Итак, ацил-КоА становится доступным для ферментов β-окисления. Свободный карни­тин возвращается на цитозольную сторону внутренней мембраны митохондрий той же транслоказой. После этого ацил-КоА включается в реак­ции β-окисления.

В матриксе митохондрий происходит катаболизм (распад) ацил-КоА в результате повторяющейся последовательности из четырех реакций.

1) Первой реакцией в каждом цикле является его окисление ферментом ацил-КоА-дегидрогеназой, коферментом которого является ФАД. Дегидрирование происходит между β - и α - атомами углерода, в результате чего в углеродной цепи образуется двойная связь и продуктом этой реакции является еноил-КоА:

R-CH₂-CH₂CO~SKoA + ФАД → R-CH=CHCO~SKoA + ФАДН₂

Ацил-КоА Еноил-КоА

2) На втором этапе цикла окисления жирных кислот происходит гидратация двойной связи еноил-КоА, в результате чего образуется β-гидроксиацил-КоА. Реакция катализируется ферментом еноил-КоА-гидратазой:

OH

R-CH=CHCO~SKoA +Н₂О → R-CH-CH₂CO~SKoA

Еноил-КоА β- гидроксиацил-КоА

3) На третьем этапе цикла β-гидроксиацил-КоА подвергается дегидрированию (второму окислению) при участии фермента β-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназы, коферментом которой является НАД⁺. Продуктом данной реакции является β-кетоацил-КоА:

OH

R-CH-CH₂CO~SKoA + НАД⁺ → R-CОCH₂CO~SKoA + НАДН + Н⁺

β- гидроксиацил-КоА β- кетоацил-КоА

4) Последняя реакция цикла окисления жирных кислот катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (тиолазой). На этом этапе β-кетоацил-КоА взаимодействует со свободным КоА и расщепляется с образованием, во-первых, двухуглеродного фрагмента, содержащего два концевых углеродных атома исходной жирной кислоты в виде ацетил-КоА, и, во-вторых, КоА-эфира жирной кислоты, укороченной теперь на два атома углерода. По аналогии с гидролизом эту реакцию называют тиолизом:

R-CОCH₂CO~SKoA + НS~KoA → CH₃CO~SKoA + R₁CO~SKoA

β- кетоацил-КоА Ацетил-КоА Ацил-КоА,

укороченный на

2 углеродных атома

Укороченный ацил-КоА подвергается далее следующему циклу окисления, начинающемуся с реакции, катализируемой ацил-КоА-дегидрогеназой (окисление), затем следует реакция гидратации, реакция второго окисления, тиолазная реакция, то есть этот процесс многократно повторяется (рис.10).

β- Окисление высших жирных кислот протекает в митохондриях. В них же ло­кализованы ферменты дыхательного цикла, ведущие передачу атомов водорода и электронов на кислород в условиях окислительного фосфорилирования АДФ, поэтому β-окисление высших жирных кислот является источником энергии для синтеза АТФ.

Рис.10. Окисление жирной кислоты

Окончательным про­дуктом β-окисления высших жирных кислот с четным числом углеродных атомов является ацетил-КоА, а с нечетным - пропионил-КоА.

Если бы ацетил-КоА накапливался в организме, то запасы HS~KoA скоро исчер­пались бы, и окисление высших жирных кислот остановилось. Но этого не происхо­дит, так как КоА быстро освобождается из состава ацетил-КоА. К этому приводит ряд процессов: ацетил-КоА включается в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот или весьма близкий к нему глиоксилевый цикл, или ацетил-КоА используется для синтеза стеролов и соединений, содержащих изопреноидные группировки и т.п.

Пропионил-КоА, являющийся конечным продуктом β-окисления высших жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов, превращается в сукцинил-КоА, который утилизируется через цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот.

Около половины жирных кислот в организ­ме человека ненасыщенные.

β-Окисление этих кислот идёт обычным путём до тех пор, пока двойная связь не окажется между третьим и чет­вёртым атомами углерода. Затем фер­мент еноил-КоА-изомераза перемещает двой­ную связь из положения 3—4 в положение 2-3 и изменяет цис-конформацию двойной связи на транс-, которая требуется для β-окисления. В этом цикле β-окисления первая реакция де­гидрирования не происходит, так как двойная связь в радикале жирной кислоты уже имеется. Далее циклы β-окисления продолжаются, не от­личаясь от обычного пути. Основные пу­ти метаболизма жирных кислот демонстрирует ри.11.

Рис.11.Основные пу­ти метаболизма жирных кислот

Не­давно было обнаружено, что помимо β-окисления – основного пути катаболизма жирных кислот, в тканях мозга происходит α-окисление жирных кис­лот с числом атомов углерода (С₁₃-С₁₈), то есть последовательное отщепление одноуглеродных фрагментов от карбоксиль­ного конца молекулы.

Этот тип окисления наиболее характерен для растительных тканей, но может происходить и в некоторых тканях животных. α-Окисление имеет циклический характер, причем цикл состоит из двух реакций.

Первая реакция заключается в окислении жирной кислоты пероксидом водорода в соответствующий альдегид и СО₂ с участием специфической пероксидазы:

В результате этой реакции углеводородная цепь укорачивается на один атом углерода.

Суть второй реакции заключается в гидратации и окслении образовавшегося альдегида в соответствующую карбоновую кислоту под действием альдегиддегидрогеназы, содержащей окисленную форму кофермента НАД:

Затем цикл α-окисления повторяется снова. В сравнении с β-окислением этот тип окисления энергетически менее выгоден.

ω-Окисление жирных кислот. В печени животных и у некоторых микроорганизмов существует ферментная система, обеспечивающая ω-окисление жирных кислот, то есть окисление по концевой СН₃-группе, обозначаемой буквой ω. Сначала под действием монооксигеназы происходят гидроксилирование с образованием ω-оксикислоты:

Затем ω-оксикислота окисляется в ω-дикарбоновую кислоту под действием соответствующей дегидрогеназы:

Полученная таким образом ω-дикарбоновая кислота укорачивается с любого конца с помощью реакций β-окисления.

1.4. Энергетика процессов катаболизма жиров

В каждом цикле реакций ацил-КоА укорачивается на два углеродных атома и образуется по одной молекуле ФАДН₂, НАДН+Н⁺ и ацетил-КоА. Жирная кислота, содержащая n-число углеродных атомов претерпевает (n/2 -1) циклов. При окислении одной молекулы НАДН+Н⁺ через дыхательную цепь образуется 3 АТФ, а при окислении одной молекулы ФАДН₂ – 2 АТФ. Окисление ацетил-КоА (n/2) в цикле Кребса и дыхательной цепи дает 12 АТФ.

Отсюда энергетический баланс окисления высшей жирной кислоты рассчитывается по следующей формуле:

[(n/2-1) x 5 + n/2 x 12 – 1],

где n – число углеродных атомов в составе высшей жирной кислоты;

n/2 – число молекул ацетил-КоА, образовавшихся при β-окислении высшей жирной кислоты;

(n/2 -1) – число циклов β-окисления, которое претерпевает данная высшая жирная кислота;

5 – число молекул АТФ, синтезирующихся за 1 цикл β-окисления высшей жирной кислоты;

12 - число молекул АТФ, синтезирующихся из 1-ой молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и окислительном фосфорилировании;

(-1) – молекула АТФ, которая затрачивается на активацию высшей жирной кислоты

Так, например, при β-окислении 1 моль пальмитиновой кислоты синтезируется 130 молекул АТФ, что видно по результатам вычисления по данной формуле: (16/2-1) x 5 + 16/2 x 12 – 1 = 130).

Для расчета энергетического баланса окисления триацилглицерола (простого жира) можно вывести формулу:

[(n/2 - 1) x 5 + n/2 x 12 – 1] x 3 +22,

где n – число углеродных атомов в составе высшей жирной кислоты;

n/2 – число молекул ацетил-КоА, образовавшихся при β-окислении высшей жирной кислоты;

(n/2 -1) – число циклов β-окисления, которое претерпевает данная высшая жирная кислота;

5 – число молекул АТФ, синтезирующихся за 1 цикл β-окисления высшей жирной кислоты;

12 - число молекул АТФ, синтезирующихся из 1-ой молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса и окислительном фосфорилировании;

(-1) – молекула АТФ, которая затрачивается на активацию высшей жирной кислоты;

3 – число ацильных радикалов в составе любого жира;

22 – число молекул АТФ, синтезирующихся при катаболизме 1 моль глицерола.

Например, энергетический баланс трипальмитилглицерола составляет 412 молекул АТФ, что видно из результатов вычисления по данной формуле: (16/2-1) x 5 + 16/2 x 12 – 1) x 3 +22 = 412).

Эффективность накопления энергии в результате окисления жирных кислот при стандартных условиях составляет около 40%, что близко к этой величине для гликолиза, ЦТК, окислительного фосфорилирования.

2. Синтез и ресинтез жиров

Для обмена жиров характерно широкое использование продуктов их распада для ресинтеза. В связи с этим значительная часть β-моноглицеридов (2-моноацилглицеролов), глицерина и свободных высших жирных кислот, освобождающихся при гидролизе триглицеридов, используется для ресинтеза триглицеридов, но несколько иного состава и строения, характерного для того или иного организма (если для этого использовать пищевые жиры) или органа (если идет перестройка жиров в пре­делах организма).

Продукты распада жиров всасываются через стенки кишок в лимфу и поступают в кровь. В стенке кишечника происходит ресинтез нейтрального жира; из чужеродного жира образуется жир, свойственный данному виду организма. В известной мере это обеспечивается тем, что в синтезе триацилглицеролов, а также фосфолипидов в кишечной стенке принимают участие наряду с экзогенными и эндогенные жирные кислоты.

Однако способности к осуществлению в стенке кишечника синтеза жира, специфичного для данного вида животного все же ограничена. Основная масса его откладывается в жировых депо: подкожной клетчатке, сальнике, брыжжейке и жировых прослойках различных органов. Этот резервный жир расходуется при недостатке в пище, и в первую очередь при истощении углеводистых ресурсов. Более длительная способность переносить голодание обусловлена наличием жировых депо.

Липиды, входящие в состав протоплазмы клеток других органов и тканей отличаются высокой специфичностью, их состав и свойства мало зависят от пищевых жиров.

Как правило, отличие синтеза и ресинтеза жиров сводится к тому, что в ресинтезе участвуют экзогенные высшие жирные кислоты, а в синтезе эндогенные высшие жирные кислоты. Кроме того, ресинтез может протекать из продуктов неполного или полного гидролиза экзогенных жиров. Основные этапы этих процессов могут быть сходны.

2.1.Синтез нейтральных жиров

При синтезе нейтральных жиров отправными веществами являются ацил-КоА и фосфоглицерол. Фосфоглицерол образуется при фосфорилировании глицерина или при восстановлении фосфодиоксиацетона (ФДА). Ацил-КоА возникает в процессе синтеза высших жирных кислот, а также путем активирования высших жирных кислот при β-окислении.

Процесс синтеза жиров осуществляется посредством реакций трансацилирования и складывается из нескольких этапов:

1. Образование фосфоглицерола;

2. Активация высших жирных кислот, синтезированных из ацетил-КоА (эндогенного происхождения);

3. Трансферазная реакция - реакция трансацилирования – идущая в две стадии (перенос 2-х ацильных радикалов высших жирных кислот с ацил-КоА на глицерофосфат) с образованием фосфатидной кислоты;

4. Гидролиз фосфатидной кислоты с образованием диацилглицерола;

5. Трансферазная реакция - реакция трансацилирования - (перенос еще одного ацильного радикала высшей жирной кислоты с ацил-КоА на третий углеродный атом диацилглицерола) с образованием триацилглицерола.

1)Фософоглицерол образуется или за счет фосфорилирования глицерина в киназной реакции (А) или при восстановлении промежуточного продукта гликолиза фосфодиоксиацетона (ФДА) (Б).

Глицерол Фосфоглицерол

Фермент: Глицеролкиназа

Б) H₂C-OH

HC-OН + НАДН +Н⁺ → НАД⁺

H₂C-OH

Фосфодиоксиацетон (ФДА) Фосфоглицерол

Фермент: Глицерофосфатдегидрогеназа

Прямое фосфорилирование глицерола (А) характерно для почек животных, стенок кишечника, а также для микроорганизмов. В жировой ткани, мышцах идет образование глицерол-3-фосфата через гликолиз (Б). В клетках печени возможно образование глицерофосфата двумя путями.

2)Жирные кислоты, синтезированные путем новообразования из ацетил-КоА, активируются под действием фермента ацил-КоА-синтетазы и превращаются в ацил-КоА (подробнее см. β-окисление жирных кислот):

R-COOH + HS~KoA + АТФ → R-CO ~ SKoA + АМФ + 2 H₃PO₄

3)На третьем этапе идет трансацилирование двух свободных гидроксильных групп глицерофосфата двумя молекулами КоА-производных жирных кислот с образованием фосфатидной кислоты при участии фермента глицерофосфатацилтрансфераза:

2С₁₅Н₃₁СО~ SKoA

Глицерофосфат Пальмитил-КоА

4)При участии фермента фосфатазы фосфатидная кислота гидролизуется с образованием диглицерида и фосфорной кислоты:

Фосфатидная кислота Дипальмитилглицерол

5)Диацилглицерол, взаимодействуя с третьей молекулой КоА-производного жирной кислоты (R-CO~SKoA) в результате трансацилазной реакции под действием фермента диглицеридацилтрансфераза (трансацилаза) превращается в триацилглицерол:

Дипальмитинглицерол Трипальмитинглицерол

Формирование каждой эфирной связи триацилглицеролов требует значительного количества свободной энергии. При активизации жирной кислоты используется энергия двух высокоэнергетических фосфатных связей благодаря пирофосфатному расщеплению АТФ и последующему гидролизу пирофосфата.

В норме у взрослых людей и у животных биосинтез и окисление жиров протекает одновременно, и для этих процессов устанавливается определенное стационарное состояние. В связи с этим количество жира в организме сохраняется в течение сравнительно длительного времени на относительно постоянном уровне, хотя, конечно, при изменении калорийности пищевого рациона могут возникать незначительные временные отклонения. Однако в тех случаях, когда углеводы, жиры или белки употребляются в количествах, превосходящих энергетические потребности организма, излишки калорий запасаются в виде триацилглицеролов.

2.2. Механизм ресинтеза жиров

Ресинтез жиров может протекать из продуктов неполного (2-моноацилглицеролов) и полного (экзогенные жирные кислоты, глицерол) гидролиза пищевых жиров.

Основной механизм ресинтеза триацилглицеролов в клетках стенки кишечника в общих чертах сводится к следующему:

- первоначально из экзогенных жирных кислот образуется их активная форма ацил-КоА при участии фермента ацил-КоА-синтетаза (А);

- после чего происходит ацилирование 2-моноацилглицеролов с образованием диацилглицеролов (Б) под действием ферментов ацил-КоА-трансфераз;

- затем под действием этих же ферментов образование триацилглицеролов (В).

А) С₁₇Н₃₅СООН + НS~КоА + АТФ → С₁₇Н₃₅СО~ SKoA + АМФ + 2Н₃РО₄

Стеариновая кислота Кофермент А Стеарил-КоА

Б) + С₁₇Н₃₅CO ~ SKoA → + НS~KoA

2-моноацилглицерол 1,2-диацилглицерол

(2-олеоглицерол) (стеароолеоглицерол)

В) + С₁₇Н₃₅СО~ SKoA → + НS~KoA

1,2-диацилглицерол триацилглицерол

(олеодистеарин)

Следовательно, ресинтез жиров может идти непосредственно без промежуточных стадий из промежуточных продуктов гидролиза пищевых жиров – 2-моноацилглицеролов.

Однако в эпителиальных клетках тонкого кишечника содержаться фермент моноацилглицероллипаза, расщепляющая 2-моноацилглицерол на глицерол и жирную кислоту, которые подвергаются дальнейшим превращениям.

Другой путь ресинтеза жиров может протекать из продуктов полного гидролиза экзогенных пищевых жиров. Основные реакции его сходны с механизмом синтеза нейтральных жиров (см.п.2.1.), отличие заключается в том, что активируются на 2-м этапе экзогенные высшие жирные кислоты.

2.3. Биосинтез жирных кислот

С пищей в организм поступают разнообраз­ные жирные кислоты, в том числе и незамени­мые. Значительная часть заменимых жирных кислот синтезируется в печени, в меньшей сте­пени — в жировой ткани и лактирующей молоч­ной железе. Источником углерода для синтеза жирных кислот служит ацетил-КоА, образую­щийся при распаде глюкозы в абсорбтивном периоде. Таким образом, избыток углеводов, поступающих в организм, трансформируется в жирные кислоты, а затем в жиры.

Долгое время считали, что биосинтез высших жирных кислот осуществляется путем обращения реакций β-окисления высших жирных кислот. Однако в последние десятилетия было обнаруже­но, что для его осуществления необходим не только ацетил-Ко А, но и СО₂ (из которых при посредстве АТФ-зависимой реакции возникает малонил-КоА), а сам процесс ускоряется синтетазой высших жирных кислот, локализо­ванной в растворимой фракции клетки, эта точка зрения была отвергнута. В 60-е годы огромную роль в расшифровке механизма биосинтеза высших жирных кислот сыграли работы Ф. Линена и сотрудники.

Рассмотрим некоторые важные особенности биосинтеза жирных кислот.

1. Полный синтез de novo насыщенных жирных кислот как у про­кариот, так и у эукариот осуществляется только в растворимой части цитоплазмы.

2. Промежуточные продукты синтеза жирных кислот ковалентно связаны с сульфгидрильными группами ацилпереносящего белка (АПБ).

3. Многие ферменты синтеза жирных кислот у высших организмов организованы в мультиферментный комплекс, называемый синтетазой высших жирных кислот (ВЖК).

4. Растущая цепь жирной кислоты удлиняется путем последовательного присоединения двух углеродных компонентов, происходящих из ацетил-КоА. Активированным донором двух углеродных компонентов на стадии элонгации служит малонил-АПБ. Реакция элонгации запускается высвобождением углекислого газа.

5. Роль восстановителя при синтезе жирных кислот выполняет НАДФН+Н⁺.

6. Элонгация под действием комплекса синтетазы жирных кислот останавливается на этапе образования пальмитата (С₁₆).

Дальнейшая элонгация и введение двойных связей осуществляется другими ферментными системами.

Синтез жирных кислот состоит из нескольких этапов:

А. Образование ацетил-КоА и его транспорт в цитозоль.

Б. Образование малонил-КоА из ацетил-КоА.

В. Реакции, катализируемые синтетазой ВЖК (синтез пальмитиновой кислоты).

Г. Удлинение цепи и образование двойных связей в молекулах ВЖК.

А. Образование ацетил-КоА и его транспорт в цитозоль

Строительным блоком для синтеза жирных кислот служит ацетил-КоА, который в основном образуется в митохондриях за счет окисления жирных кислот, а также при дихотомическом распаде углеводов.

Так как синтез жирных кислот происходит в цитозоле клеток, то ацетил-КоА должен быть транспор­тирован через внутреннюю мембрану митохон­дрий в цитозоль. Однако внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацетил-КоА, поэтому существует несколько специальных механизмов для перевода CH₃CO-SKoA в транспортабельную форму.

Митохондриальный ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом, в результате образуется цитрат, который свободно проникает в цитоплазму клетки, где расщепляется до ацетил-КоА и ЩУК.

В данном случае цитрат выступает в роли переносчика ацетильного радикала. Перенос цитрата в цитоплазму происходит только при увеличении количества цитрата в митохондриях, когда изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа ингибированы вы­сокими концентрациями НАДH и АТФ. Эта ситуация создаётся тогда, когда клетки печени получают достаточное количе­ство источников энергии.

Есть еще один путь переноса из митохондрий ацетил-КоА в цитоплазму клетки. Это – путь с участием карнитина (витамин В_т). Выше указывалось, что карнитин играет роль переносчика ацильных групп из цитоплазмы в митохондрии при β-окислении жирных кислот. По-видимому, он может играть роль и в обратном процессе, то есть в переносе ацильных групп из митохондрий в цитоплазму; однако этот путь в синтезе жирных кислот не является главным.

Б. Образование малонил-КоА из ацетил-КоА

Начальный этап биосинтеза высшей жирной кислоты, приводящий к синте­зу малонил-КоА ускоряется полифункциональным ферментом (мол. масса 225 кДа) ацетил-КоА-карбоксилазой, содержащей в качестве простетической группы биотин (витамин Н). Она включает в себя домен биотин-карбоксилазы, биотинкарбоксилпроводящий домен и домен транскарбоксилазы.

Эта необратимая реакция представляет собой решающий этап в синтезе жирных кислот, катализируется. Реакция идет в две стадии:

1) биотин-фермент + CO₂+H₂O + АТФ карбоксибиотин-фермент + АДФ + H₃PO₄;

2) карбоксибиотин-фермент + ацетил-КоА → малонил-КоА + биотин-фермент.

Суммарная реакция:

CH₃CO ~ SKoA +CO₂+АТФ + H₂O HCOOC-CH₂CO ~SKoA+H₃PO₄ + АДФ

Первый домен обеспечивает ускорение реакции карбоксилирования биотина (рис.12), который через радикал лизина присоединен ко второму, биотин-карбоксилпроводящему домену. Обладая высокой степенью подвижности, карбоксилированный биотин переносит СО₂ в активный центр третьего домена - транскарбоксилазы, который снимает с не­го СО₂ и непосредственно передает его на ацетил-КоА, образуя малонил-КоА.

В мономерном состоянии ацетил-КоА-карбоксилаза неактивна и приобретает способность карбоксилировать CH₃CO~SKoA только после соединения мономе­ров в нитевидный олигомер с молекулярной массой в несколько сотен миллио­нов и длиной около 500 нм.

Фермент ацетил-КоА-карбоксилаза – регуляторный фермент; катализируемая этим ферментом реакция является лимитирующим этапом, определяющим скорость всего процесса биосинтеза жирных кислот в животных тканях. Главным положительным модулятором этого фермента служит цитрат, инициирующий переход фермента в высокоактивное соединение. Как только содержание цитрата в митохондриях увеличивается, что наблюдается при высокой скорости образования митохондриального ацетил-КоА и АТФ, цитрат выходит из митохондрий и выступает одновременно в роли предшественника цитозольного ацетил-КоА и аллостерического активатора ацетил-КоА-карбоксилазы.

Кроме того, активность ацетил-КоА-карбоксилазы регулируется ее фосфорилированием (снижение) и дефосфорилированием (повышение).

Присоединение новой карбоксильной группы к ацетил-КоА и необратимость реакции обеспечивается за счет энергии гидролиза АТФ.

Рис.12. Механизм биосинтез малонил-КоА

В. Реакции, катализируемые синтетазой ВЖК

Биосинтез жирных кислот – циклическое повторение отдельных ферментативных реакций на мультиферментном комплексе, образованном шестью ферментами и ацилпереносящим белком (АПБ), который тоже является ферментом, находящимся в центре. Поэтому часто принимают мультиферментный комплекс (синтетазу высших жирных кислот), состоящий из семи ферментов.

Синтетаза высших жирных кислот (синтаза высших жирных кислот) - полифункциональный комплекс у высокоорганизо­ванных форм имеет молекулярную массу 400 000-560 000 Да. Син­таза высших жирных кислот позвоночных состоит из двух иден­тичных полипептидных цепей, то есть представляет собой димер. Каж­дая из цепей (мономеров) длиной около 2300 аминокислотных остатков образует в третичной структуре три домена и в их соста­ве 7 субдоменов, одним из которых является ацилпереносящий белок (АПБ), а шести остальным присуща определенная фермен­тативная функция (рис.13).

В каждый из двух мономеров в составе соответствующих доменов входят следующие ферменты (субдомены):

1) β-кетоацилсинтаза (конденсирующий фермент);

2) трансацилаза (сочетает две активности: ацилтрансферазы и малонил- трансферазы);

3) β-кетоацилредуктаза;

4) β-оксиацилдегидратаза;

5) еноилредуктаза;

6) тиоэстераза (принимает участие только на заключительной стадии синтеза пальмитиновой кислоты).

Ацилпереносящий белок (АПБ) служит «якорем», к SH-группе кото­рого в ходе удлинения цепи жирной кислоты прикрепляются ацильные промежуточные продукты.

Рис.13. Синтетаза ВЖК

Примечание: Комплекс — димер из двух идентичных полипептидных цепей, каждый из которых имеет 7 активных центров и ацилпереносящий белок (АПБ). SH-группы протомеров принадлежат различным радикалам. Одна SH-группа 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 жирных кислоты. Для упроще­ния в схемах обычно изображают последовательность реакций при синтезе одной молекулы кислоты.

Специфи­ческая SH-группа тиоламина АПБ входит в состав 4^/-фосфопантотеновой простетической группы, включающей витамин В₃, то есть АПБ снабжен своеобразной вращающей «ручкой», торчащей наружу из центральной части комплекса. Она перемещает промежуточные соединения от одного фермента к другому (рис.14).

4^/-Фосфопантотеин

Пантотеновая кислота

Рис.14. Строение «ручки» (простетической группы) АПБ

Каждый из двух мономеров синтетазы хотя и включает все семь субдоменов, участвующих в биосинтезе жирных кислот, однако не является функциональной единицей синтазы. В состав функци­ональной единицы синтазы входят субдомены обоих мономеров: два одного и пять другого, что показано пунктиром на рис.13.

Синтез на мультиферментном комплексе начинается с переноса ацетильной группы CH₃CO~SKoA и малонильной группы HOOC-CH₂CO ~ SKoA на сульфгидрильную группу АПБ:

1)Перенос ацильного остатка из CH₃CO ~ SKoA на HS-группу β-кетоацил-синтазы (Е_конд) на первом (одном из двух) мономере катализируется ферментом ацетил-КоА-трансферазой (трансацилазы):

CH₃CO ~ SKoA + HSАПБ → CH₃CO ~ SАПБ + HS~KoA

2)На следующей стадии «ручка» АПБ второго мономера при­нимает на себя малонил из малонил-КоА под действием фермента малонил-КоА-трансферазы (трансацилазы):

HOOC-CH₂CO ~ SKoA + HS~АПБ → HOOC-CН₂-CO ~ SАПБ + HS~KoA

3)Третья стадия является стадией конденсации. Ацетильный и малонильный остатки, связанные каждый с АПБ, взаимодействуют между собой (конденсируются) с выделением углекислого газа и образованием ацетоацетил-SАПБ (β-кетобутирил-SАПБ). Реакция катализируется

β-кетоацил-АПБ-синтетазой. Реакция конденсации является высоко экзергоничной реакцией:

CH₃CO~SAПБ + HOOC-CH₂CO~SAПБ → CO₂ + CH₃COCH₂CO~SAПБ + HS~AПБ β-кетобутирил-SАПБ

Ацетил-Е_конд и малонил-АПБ на первом мономере реагируют друг с другом таким образом, что ацетильная группа ацетил-Е_конд доставляет 3-й и 4-й атомы углерода для ацетоацетильной группы β-кетобутирил-АПБ. В результате этой реакции из свободной кар­боксильной группы малонил-АПБ высвобождается СО₂.

Образу­ющаяся молекула СО₂ содержит тот же атом углерода, который включился в малонил-АПБ в процессе ацетил-КоА-карбоксилазной реакции. Оксид углерода (IV) в синтезе высших жирных кислот играет роль катализатора, поскольку он удаляется сразу же после того, как встраивается каждая следующая двууглеродная единица. Декарбоксилирование малонила позволяет реакции пройти до кон­ца и является движущей силой биосинтеза жирных кислот.

4)На четвертой стадии β-кетобутирил-АПБ восстанавливается. Фермент β-кетоацил-АПБ-редуктаза, коферментом которого является восстановленный НАДФН+Н⁺, превращает β-кетобутирил-АПБ в β-гидроксибутирил-АПБ (β-оксибутирил-АПБ):

β-кетобутирил-АПБ β-гидроксибутирил-АПБ

5)На пятой стадии образующийся β-оксибутирил-АПБ дегид­ратируется на втором мономере. Дегидратация приводит к образованию ненасыщенного кротонил-АПБ (еноил-АПБ) при участии фермента β-гидроксиацил-АПБ-дегидратаза:

CH₃CH-CH₂-CO~S-АПБ → СH₃CH=CHCO~S-АПБ + H₂O.

OH

β-гидроксибутирил-АПБ кротонил-АПБ

6)На шестой стадии происходит восстановление ненасыщенного кротонил-АПБ до бутирил-АПБ, которое катализируется ферментом еноил-АПБ-редуктазой, коферментом которого является НАДФН+Н⁺:

CH₃CH=CH-CO~S-АПБ + НАДФН+Н^{+ →} НАДФ⁺ + CH₃CH₂CH₂CO ~S-АПБ.

кротонил-АПБ бутирил-АПБ

Первый из серии циклов заканчивается образованием бутирил-АПБ. Перед вторым циклом радикал бутирила пе­реносится из позиции 2 в позицию 1 (где нахо­дился ацетил в начале первого цикла реакций). Затем остаток бутирила подвергается тем же превращениям (начиная с реакции конденсации) и удлиняется на 2 углеродных атома, происходящих из малонил-КоА. В каждом цикле малонил-S-АПБ связывается с концевым углеродным атомом растущей цепи жирной кислоты с одновременным высвобождением CO₂ и HS~АПБ при действии фермента β-кетоацил-АПБ-синтетазы.

Аналогичные циклы реакций повторяются до тех пор, пока не образуется радикал пальмити­новой кислоты, который под действием тиоэстеразного центра гидролитически отделяется от ферментного комплекса, то есть происходит деацилирование – высвобождение свобод­ной пальмитиновой кислоты при действии гидролитического фермента ацилгидролазы (рис.15).

В каждом цикле биосинтеза пальмитиновой кислоты проходят 2 реакции восстановления, донором водорода в которых служит кофермент НАДФH, восстановление которого происходит в реакциях:

• дегидрирования в окислительных стадиях пентозофосфатного пути катаболизма глюкозы;

• дегидрирования малата;

•дегидрирования изоцитрата цитозольной НАДФ-зависимой дегидрогеназой.

Рис.15. Общая схема реакций синтеза пальмитиновой кислоты

Суммарное уравнение реакции образования пальмитиновой кислоты при участии синтазы имеет следующий вид:

Ацетил-КоА + 7 Малонил-КоА + 14 НАДФН + 14Н⁺ →

→ СН₃(СН₂)₁₄СООН + 7СО₂ + 8НS~КоА + 14 НАДФ⁺ + 6Н₂О

Для образования жирной кислоты с n числом атомов углерода, необходимо пройти (n/2 - 1) циклов.

Объединение всех ферментов синтеза высших жирных кислот в единый полиферментный ансамбль обеспечивает высокую эффек­тивность работы синтазы: одновременно в пределах одного димера образуются две молекулы высшей жирной кислоты.

Основные стадии биосинтеза высших жирных кислот в организ­ме представлены на рис. 16.

Долгое время считалось, что печень является единственным органом, где проис­ходит синтез жирных кислот (ЖК). В настоящее время установлено, что синтез ЖК имеет место также в стенке кишечника, в легочной ткани, в жировой ткани, в ткани мозга, в почках, в костном мозге, в лактирующей молочной железе и даже в сосудистой стенке. Он протекает в цитозоле клетки. Характерно, что в цитозоле печеночных клеток синтезируется главным образом пальмитиновая кислота.

Рис.16. Механизм биосинтеза высших жирных кислот

Г. Удлинение цепи и образование двойных связей в молекулах ВЖК

Удлинение жирных кислот на основе пальмитиновой кислоты проиходит с учас­тием малонил-КоА. Последовательность реакций сходна с той, что происходит при синтезе пальмитиновой кислоты; однако в данном случае жирные кислоты связаны не с синтетазой жирных кислот, а с коферментом А. Фер­менты, участвующие в элонгации, могут ис­пользовать в качестве субстратов не только пальмитиновую, но и другие жирные кис­лоты; поэтому в организме мо­гут синтезироваться не только стеариновая кислота, но и жирные кислоты с большим числом атомов углерода.

Основной продукт элонгации в печени - сте­ариновая кислота

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 1775; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!