Биологическая химия - часть 94

В противоположность этому глюкоза является главным «топливом» для

мозга у лиц, получающих сбалансированную пищу. При голодании и диа-

бете мозг адаптируется к использованию ацетоацетата. Установлено, что

в условиях длительного голодания 75% потребности мозга в «топливе»

удовлетворяется за счет ацетоацетата.

Известно, что в периферических тканях 3-гидроксибутират (β-оксимас-

ляная кислота) способен окисляться до ацетоацетата, а последний акти-

вируется с образованием соответствующего КоА-эфира (ацетоацетил-КоА).

Ацетоацетат может быть активирован путем переноса КоА с сукцинил-КоА

в реакции, катализируемой специфической КоА-трансферазой. Образовав-

шийся ацетоацетил-КоА далее расщепляется тиолазой с образованием

2 молекул ацетил-КоА, которые затем включаются в цикл Кребса:

Не исключено, что существует и второй путь активации ацетоаце-

тата – это использование АТФ и HS-KoA аналогично тому, как при

активации жирных кислот:

БИОСИНТЕЗ НАСЫЩЕННЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

В настоящее время в достаточной степени изучен механизм биосинтеза

жирных кислот в организме животных и человека, а также катализирующие

этот процесс ферментные системы. Синтез жирных кислот протекает

в цитоплазме клетки. В митохондриях в основном происходит удлинение

существующих цепей жирных кислот. Установлено, что в цитоплазме

печеночных клеток синтезируется пальмитиновая кислота (16 углеродных

атомов), а в митохондриях этих клеток из уже синтезированной в цито-

плазме клетки пальмитиновой кислоты или из жирных кислот экзогенного

происхождения, т.е. поступающих из кишечника, образуются жирные кис-

лоты, содержащие 18, 20 и 22 углеродных атома.

381

Ацетоацетат

КоА-трансфераза

Сукцинил-КоА

Сукцинат

Ацетоацетил-КоА

Тиолаза

КоА

2

 Ацетил-КоА

СН

3

–СО–СН

2

–СООН

Ацетоацетат

АТФ

HS-КoA

АМФ

РР

i

Ацил-КоА-синтетаза

СН

3

–СО–CH

2

–CO–S-КоА

Ацетоацетил-КоА

Иными словами, митохондриальная система биосинтеза жирных кислот,

включающая несколько модифицированную последовательность реакций

β-окисления, осуществляет только удлинение существующих в организме

среднецепочечных жирных кислот, в то время как полный биосинтез

пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА активно протекает в цитозоле, т.е.

вне митохондрий, по совершенно другому пути.

Внемитохондриальная система биосинтеза de novo жирных кислот (ли-

погенез). 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 НАДФН, АТФ, Мn

2+

 и НСО

3–

 (в качестве источника СО

2

);

субстратом является ацетил-КоА, конечным продуктом – пальмитиновая

кислота. Потребности в кофакторах процессов биосинтеза и β-окисления

жирных кислот значительно различаются.

Как отмечалось, строительным блоком для синтеза жирных кислот

в цитозоле клетки служит ацетил-КоА, который в основном поступает из

митохондрий. Было выявлено, что цитрат стимулирует синтез жирных

кислот в цитозоле клетки. Известно также, что образующийся в мито-

хондриях в процессе окислительного декарбоксилирования пирувата и

окисления жирных кислот ацетил-КоА не может диффундировать в цито-

золь клетки, так как митохондриальная мембрана непроницаема для

данного субстрата. Поэтому вначале внутримитохондриальный ацетил-

КоА взаимодействует с оксалоацетатом, в результате чего образуется

цитрат. Реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой. Образовав-

шийся цитрат переносится через мембрану митохондрий в цитозоль при

помощи специальной трикарбоксилаттранспортирующей системы.

В цитозоле цитрат реагирует с HS-KoA и АТФ, вновь распадаясь на

ацетил-КоА и оксалоацетат. Эта реакция катализируется АТФ-цитрат-лиа-

зой. Уже в цитозоле оксалоацетат при участии цитозольной малатдегидро-

геназы восстанавливается до малата. Последний при помощи дикарбокси-

латтранспортирующей системы возвращается в митохондриальный мат-

рикс, где окисляется до оксалоацетата, завершая тем самым так назы-

ваемый челночный цикл:

382

Матрикс

митохондрии

Мембрана

митохондрии

Цитозоль

HS-КoA

Ацетил-КоА

Н

+

 + НАДН

НАД

+

Цитрат

Цитрат

АТФ + HS-КoA

АДФ + Р

i

Ацетил-КоА

НАДН + Н

+

Оксалоацетат

Оксалоацетат

Малат

Малат

НАД

+

Синтез жирных

кислот

Существует еще один путь переноса внутримитохондриального аце-

тил-КоА в цитозоль клетки – с участием карнитина. Как отмечалось, кар-

нитин играет роль переносчика ацильных групп из цитозоля в митохондрии

при окислении жирных кислот. По-видимому, он может выполнять эту роль

и в обратном процессе, т.е. в переносе ацильных радикалов, в том числе

ацетильного радикала, из митохондрий в цитозоль клетки. Однако, когда

речь идет о синтезе жирных кислот, данный путь переноса ацетил-КоА не

является главным.

Образование малонил-КоА. Первой реакцией биосинтеза жирных кислот

является карбоксилирование ацетил-КоА, для чего требуются бикарбонат,

АТФ, ионы марганца. Катализирует эту реакцию фермент ацетил-КоА-кар-

боксилаза. Фермент содержит в качестве простетической группы биотин.

Авидин – ингибитор биотина угнетает эту реакцию, как и синтез жирных

кислот в целом.

Установлено, что ацетил-КоА-карбоксилаза состоит из переменного числа оди-

наковых субъединиц, каждая из которых содержит биотин, биотинкарбоксилазу,

карбоксибиотинпереносящий белок, транскарбоксилазу, а также регуляторный ал-

лостерический центр, т.е. представляет собой полиферментный комплекс.

Реакция протекает в два этапа: I – карбоксилирование биотина с учас-

тием АТФ и II – перенос карбоксильной группы на ацетил-КоА, в ре-

зультате чего образуется малонил-КоА:

Малонил-КоА представляет собой первый специфический продукт био-

синтеза жирных кислот. В присутствии соответствующей ферментной систе-

мы малонил-КоА быстро превращается в жирные кислоты.

Энзиматические системы, осуществляющие синтез жирных кислот, на-

зываются жирно-кислотными синтетазами. Они широко встречаются в

природе и могут быть изолированы из различных одноклеточных орга-

низмов, растений и животных тканей.

Жирно-кислотные синтетазы делятся на 2 группы. К первой группе

относятся полиэнзимные, не поддающиеся фракционированию комплексы

с мол. м. порядка 500000, в которых все индивидуальные энзимы собраны

в компактную структуру. В частности, в эту группу входят жирно-кислот-

ные синтетазы животных тканей и дрожжей.

Вторая группа включает жирно-кислотные синтетазы, из которых от-

дельные энзимы могут быть выделены методами белкового фракциониро-

вания. Такие синтетазы встречаются у ряда микроорганизмов (в частности,

у E.coli) и растений. Иными словами, в этих случаях все индивидуальные

ферменты синтетазной системы находятся в виде автономных полипепти-

дов.

Мультиферментный комплекс, называемый синтетазой (синтазой) жир-

ных кислот, состоит из 6 ферментов, связанных с так называемым ацилпе-

383

СО

2

 + АТФ + биотин-Фермент

карбоксибиотин-фермент + АДФ + P

i

(1)

Карбоксибиотин-фермент + СН

3

–СО–S-КоА

Ацетил-КоА

HOOC–СН

2

–СО–S-КоА + биотин-фермент

Малонил-KоА

(2)

реносящим белком (АПБ). Этот белок относительно термостабилен, имеет

две свободные HS-группы (цистеина и фосфопантетеинового остатка, при-

соединенного к ОН-группе серина) и вовлекается в процесс синтеза высших

жирных кислот практически на всех его этапах. Мол. масса АПБ составляет

около 10000. Данный белок в синтетазной системе выполняет роль КоА.

Заметим, что в животных тканях не удалось обнаружить свободного АПБ,

подобного микробному. Из печени выделен полиэнзимный комплекс, содер-

жащий все энзимы, необходимые для синтеза жирных кислот. Энзимы

комплекса настолько прочно связаны друг с другом, что все попытки

изолировать их в индивидуальном виде не увенчались успехом. Приво-

дим последовательность реакций, происходящих при синтезе жирных

кислот:

384

CH

3

–CO–S-КoA +

HS-АПБ

Ацетил-КоА

СН

3

–СО–S-АПБ

Ацетил-АПБ

+

HS-KoA

(1)

Ацетил-трансацилаза

HOOC–CH

2

–CO–S-КoA +

HS-АПБ

Маломил-трансацилаза

Малонил-КоА

HOOC–CH

2

–CO–S-АПБ

+

HS-КoA

(2)

Малонил-АПБ

CH

3

–CO–S-АПБ

+ НООС–СН

2

–СО–S-АПБ

Ацетил-АПБ

Малонил-АПБ

CH

3

–CO–CH

2

–CO–S-АПБ

+ HS-АПБ +

СО

2

Ацил-малонил-АПБ

(конденсирующий фермент)

(З)

CH

3

–CO–CH

2

–CO–S-АПБ

+

НАДФН+Н

+

Ацетоацетил-АПБ

β-Кетоацил-АПБ-редуктаза

СН

3

–СН(ОН)–СН

2

–СО–S-АПБ

+

НАДФ

+

(4)

β-Гидроксибутирил-АПБ

CH

3

–CH(OH)–CH

2

–CO–S-АПБ

β-Гидроксибутирил-АПБ

β-Гидроксиацил-АПБ-дегидратаза

СН

3

–СН=СН–CO–S-АПБ

+ Н

2

O

(5)

Кротонил-АПБ

СН

3

–СН=СН–CO–S-АПБ + НАДФН+Н

+

Еноил-АПБ-редуктаза

Кротонил-АПБ

СН

3

–СН

2

–СН

2

–CO–S-АПБ

+ НАДФ

+

Бутирил-АПБ

(6)