содержание      ..     20      21      22      23     ..

БИОСИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ И ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ (ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ)

За исключением полиеновых эссенциальных жирных кислот (ЖК), все другие ЖК в организме животных и человека синтезируются. Синтез ЖК de novo называется липогенезом. Наиболее интенсивно липогенез происходит в печени. В качестве источника при синтезе ЖК используется ацетил-СоА. Углеводородные цепи ЖК собираются в ходе последовательного присоединения двууглеродных фрагментов.

Липогенез не является процессом, обратным β-окислению. Он отличается от него по ряду параметров: 1) биосинтез ЖК осуществляется в основном в цитозоле; 2) источником двууглеродных фрагментов при наращивании цепи ЖК служит малонил-СоА, образующийся в результате присоединения СО₂ к ацетил-СоА; 3) на всех стадиях синтеза ЖК принимает участие ацилпереносщий белок − АПБ, а не HSCoA; 4) для синтеза ЖК необходим NADPH, а в β-окислении в качестве кофермента используются FAD и NAD⁺; 5) интермедиатами в ходе синтеза ЖК являются гидроксипроизводные, относящиеся к D-ряду, тогда как при окислении ЖК − гидроксипроизводные L-ряда.

В цитозоле осуществляется синтез насыщенных жирных кислот с длиной углеводородной цепи до С₁₆ (пальмитат). В митохондриях и ЭПР может происходить дальнейшее наращивание углеводородных цепей, кроме того, в ЭПР осуществляется превращение насыщенных ЖК в ненасыщенные.

Суммарная реакция синтеза пальмитата:

                                                                                   пальмитатсинтаза

Ацетил-СоА + 7 малонил-СоА + 14 NADPH + 14H⁺   →

CН₃(СН₂)₁₄СООН + 7СО₂ + 6Н₂О + 14 NADP⁺ + 8 HSСоА

Строение синтазы жирных кислот

Биосинтез ЖК осуществляется мультиферментным комплексом, который называется синтазой жирных кислот (пальмитатсинтаза, СЖК). Строение этого комплекса приведено на рис.23.1.

Мультиэнзимный комплекс синтазы ЖК у высокоорганизованных форм (млекопитающие, птицы, насекомые) характеризуется молекулярной массой 400-500 кДа, образован единственной полипептидной цепи, включающей около 2300 аминокислотных остатков. Этот комплекс состоит из двух идентичных субъединиц, т.е. является гомодимером. Каждая субъединица может катализировать семь различных реакций, из которых складывается синтез ЖК. Пространственное объединение нескольких реакций в мультиферментный комплекс (МФК) имеет ряд преимуществ по сравнению с отдельными ферментами: предотвращаются конкурентные реакции, последовательные реакции согласованы как на конвейере, реакции протекают эффективно, благодаря высокой концентрации субстрата и незначительным потерям его за счет диффузии.

У бактерий, таких, как E. Coli в синтезе ЖК участвуют семь отдельных ферментов и ацилпереносящий белок. Растения также имеют индивидуальные белки с различной активностью, которые ассоциированы в четвертичный комплекс.

Рис.23.1. Комплекс синтазы жирных кислот млекопитающих

Каждая субъединица МФК включает три различных домена и восемь субдоменов.

Домен I состоит из трех субдоменов: субдомен 1 − АПБ-S-ацетилтрансфераза, 60 кДа; субдомен 2 − АПБ-S-малонилтрансфераза, 23 кДа; субдомен 3 − β-кетоацил-АПБ-синтаза (конденсирующий фермент, 45 кДа). Домен I катализирует присоединение субстратов ацетил-СоА и малонил-СоА ацетилтрансферазой и малонилтрансферазой соответственно и последующую конденсацию обоих партнеров β-кетоацил-синтазой.

Домен II также состоит из трех субдоменов: субдомен 4 − β-кетоацил-АПБ-редуктаза, 21 кДа; субдомен 5 − β-гидроксиацил-АПБ-дегидратаза, 50 кДа; субдомен 6 − еноил-АПБ-редуктаза, 14 кДа. К субдомену 4 присоединен ацилпереносящий белок (АПБ), 15 кДа. Домен II восстанавливает растущую цепь ЖК с помощью вышеназванных трех ферментов.

Домен III содержит субдомен 7 − ацил-АПБ-гидролаза, тиоэстераза, 33 кДа. Домен III после семь циклов удлинения цепи катализирует высвобождение готового продукта − пальмитата с помощью гидролитического фермента тиоэстеразы.

Центральную роль в функционировании комплекса СЖК играет ацилпереносящий белок, простетической группой которого является 4-фосфопантетеин. Почти посередине полипептидной цепи этого белка находится остаток серина, к ОН-группе которого сложноэфирной связью присоединяется 4-фосфопантетеин, по структуре идентичный фосфопантотеиновой группе коэнзима А (рис.23.2).

Рис.23.2. Фосфопантетеиновая группа коэнзима А и ацилпереносящего белка

Функция АПБ в биосинтезе ЖК аналогична функции СоА в β-окислении жирных кислот. В процессе наращивания цепи ЖК промежуточные продукты связаны с АПБ. Простетическая группа АПБ служит «вращающейся ручкой», которая перемещает промежуточные соединения от активного центра одного фермента к другому. Ацильные остатки прочно связываются с концевой SH-группой АПБ, что предотвращает обмен метаболитами, образующимися в процессе синтеза и распада ЖК. Кроме HS-группы АПБ в синтазе жирных кислот есть еще одна SH-группа, принадлежащая специфическому остатку цистеина в молекуле β-кетоацил-синтазы. Обе эти SH-группы участвуют в биосинтезе жирных кислот. Растущая цепь ЖК всегда связана с фосфопантетеиновой группой ацилпереносящего белка.

Димер синтазы жирных кислот ориентирован таким образом, что Домен I одного мономера прилежит к Доменам II и III другого мономера. Поворот «фосфопантетеиновой ручки» позволяет реакции активации протекать на одной субъединице, а остальным реакциям  цикла − на другой. Поэтому синтаза ЖК функционально активна только в виде димера.

Механизм синтеза жирных кислот

Для того чтобы синтезировать жирную кислоту, нужно последовательно присоединять к ацетил-СоА двууглеродные единицы. Активным донором таких единиц является малонил-СоА, хотя его малонильный остаток содержит не два, а три углеродных атома. Малонил-СоА образуется из ацетил-СоА в результате присоединения карбоксильной группы. Но прежде чем это произойдет, находящийся в матриксе митохондрий ацетил-СоА должен попасть в цитоплазму, где локализован комплекс синтазы жирных кислот.

Транспорт ацетил-СоА из митохондрий в цитозоль

В матриксе митохондрий основное количество ацетил-СоА образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата, в процессе β-окисления жирных кислот, при расщеплении углеродных скелетов аминокислот. Ацетил-СоА является заряженной молекулой, поэтому он не способен преодолеть внутреннюю мембрану митохондрий. Для транспорта ацетильных группт в цитоплазму существует специальный «челночный механизм». Им является цитрат- малат-пируватный транспортер (рис.23.3).

Рис.23.3. Транспорт ацетил-СоА из матрикса митохондрий в цитозоль

С помощью этого «челнока» ацетильные компоненты попадают в цитоплазму в составе цитрата, который при участии АТР-цитрат-лиазы расщепляется на оксалоацетат и ацетил-СоА. Для реакции необходимы АТР и HSCоА. Оксалоацетат восстанавливается в малат и таким образом возвращается в матрикс, где регенерируется в цитрат. Часть малата под действием малик-фермента (NADP⁺-зависимой малатдегидрогеназы) подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием пирувата и NADPH. NADPH используется в качестве восстановительного эквивалента в липогенезе. Пируват транспортируется в митохондрии.

Транспорт цитрата из митохондрий в цитозоль происходит при высокой концентрации кислоты. Это наблюдается тогда, когда изоцитратдегидрогеназа ингибируется высокими концентрациями АТР. При повышении концентрации цитрата в митохондриях начинает работать «челночный механизм» (рис.23.3) − цитрат поступает в цитозоль. Появление его в цитозоле служит аллостерическим сигналом о том, что цикл лимонной кислоты перегружен топливом и что избыток ацетил-СоА должен запасаться в виде триацилглицеролов.

Образование малонил-СоА

Лимитирующей стадией в биосинтезе ЖК является образование малонил-СоА из ацетил-СоА и бикарбоната. Реакция карбоксилирования  осуществляется в цитозоле, катализируется ацетил-СоА- карбоксилазой и требует затраты одной молекулы АТР. Участвующий в реакции СО₂ образует свободную карбоксильную группу малонил-СоА.

Ацетил-СоА-карбоксилаза − сложный фермент, простетической группой которого служит биотин (рис.23.4).

Рис.23.4. Строение ацетил-СоА-карбоксилазы

Образование малонил-СоА происходит в две стадии. На первой стадии биотинкарбоксилаза осуществляет АТР-зависимое присоединение СО₂ к атому азота биотина; на второй − активированный СО₂ при участии карбоксилтрансферазы переносится с биотина на ацетил-СоА с образованием малонил-СоА (рис.23.4, 23.5).

Рис.23.5. Образование малонил-СоА

Ацетил-СоА-карбоксилаза − регуляторный фермент. Катализируемая этим ферментом реакция является лимитирующей стадией всего процесса биосинтеза ЖК в животных тканях. Ацетил-СоА-карбоксилаза существует  в малоактивной протомерной и активной форме (нитевидный полимер). Взаимопревращение этих форм и факторы, влияющие на данный процесс, приведены на рис. 23.6.

Рис. 23.6. Аллостерическая регуляция и ковалентная модификация ацетил-СоА-карбоксилазы

Положительным аллостерическим эффектором, способствующим образованию полимерной молекулы фермента, служит цитрат, отрицательным ‒ пальмитоил-СоА. Фосфорилирование ацетил-СоА-карбоксилазы, осуществляемое АМР-зависимой протеинкиназой, ингибирует фермент. Поэтому клетка при низкой величине энергетического заряда (много АМР, мало АТР) не синтезирует жирные кислоты. Глюкагон и адреналин ингибируют синтез ЖК, а инсулин − стимулирует (эти гормоны оказывают противоположный эффект на деградацию ЖК).

Экспрессия синтазы жирных кислот регулируется гормонами. Инсулин стимулирует синтез фермента в печени, а полиеновые жирные кислоты уменьшают транскрипцию гена синтазы жирных кислот. В адипоцитах экспрессия гена синтазы жирных кислот ингибируется лептином, играющим важную роль в регуляции приема пищи и метаболизме жирных кислот.

Наращивание (элонгация) углеродной цепи жирной кислоты

Все стадии синтеза ЖК представляют собой циклический процесс, протекающий на поверхности синтазы ЖК. В синтазе жирных кислот есть две существенные для катализа SH-группы, одна из которых принадлежит 4-фосфопантетеину АПБ, другая − специфическому остатку цистеина в молекуле β-кетоацил-АПБ-синтазы. Для того чтобы начался синтез ЖК, необходимо, чтобы они были нагружены соответствующими ацильными группами. Их загрузка происходит в результате двух последовательных реакций (реакции 1 и 2, см. рис.23.7), катализируемых ацетил − и малонилтрансферазой соответственно. После завершения этих реакций с синтазой  оказываются ковалентно связанными две ацильные группы: ацетильная, присоединенная к SH-группе цистеина, и малонильная, связанная с SH-группой 4-фосфопантетеина ацилпереносящего белка.

Присоединение каждого двууглеродного фрагмента в процессе наращивания цепи происходит в четыре этапа:

1 этап − конденсация. Ацетильная и малонильная группа конденсируются с образованием ацетоацетильной группы, которая связана с SH-группой АПБ. Одновременно с этим происходит выделение молекулы СО₂. Катализирует этот процесс β-кетоацил-АПБ-синтаза (реакция 3).

Ацетильная группа становится концевым двууглеродным звеном  вновь образованной ацетоацетильной группы. Выделившийся СО₂ − та самая молекула диоксида углерода, которая исходно включилась в молекулу малонил-СоА в ацетил-СоА-карбоксилазной реакции. Таким образом, в ходе биосинтеза ЖК СО₂ не используется для построения ковалентного остова молекулы ЖК, а играет роль катализатора. При отщеплении СО₂ от малонильной группы резко возрастает реакционная способность оставшегося двууглеродного фрагмента и благодаря этому он может быстро взаимодействовать с ацетильной группой.

2 этап − восстановление. Ацетоацетил-АПБ подвергается восстановлению по карбонильной группе с образованием D-β-гидроксибутирил-S-АПБ. Эта реакция катализируется β-кетоцил-АПБ-редуктазой, использующей в качестве восстановителя NADPH (реакция 4).

3 этап − дегидратация. D-β-гидроксибутирил-АПБ дегидратируется под действием β-гидроксиацил-АПБ-дегидратазы с образованием кротонил-S-АПБ (реакция 5).

Рис. 23.7. Биосинтез пальмитиновой кислоты (1 − SH-группа β-кетоацил-АПБ-синтазы, 2 − SH-группа 4-фосфопантетеина АПБ)

4 этап − восстановление (насыщение). Этот этап завершает один цикл элонгации, осуществляемой комплексом синтазы ЖК. Двойная связь восстанавливается под действием еноил-АПБ-редуктазы (реакция 6). Для этого процесса требуется еще одна молекула восстановленного NADP.

Далее происходит перенос бутирильной группы с HS-АПБ на HS-Cys.

Вновь образованная удлиненная ацильная группа (бутирильная) занимает положение при той SH-группе, с которой изначально была связана ацетильная группа. Далее бутирильная группа покидает SH-группу Cys и замещает СООН в малонильной группе на HS-АПБ. В результате образуется 6-углеродная ацильная группа, связанная с SH-группой АПБ. В ходе трех следующих циклов элонгации β-кетогруппа образовавшейся ацильной группы восстанавливается и образуется 6-углеродная насыщенная ацильная группа. Далее С₆-углеродный фрагмент переносится с SH-группы АПБ на SH-группу цистеина.

Для образования конечного продукта − пальмитата − необходимо семь таких циклов. Процесс наращивания цепи заканчивается на шестнадцатом углеродном атоме. Растущий жирнокислотный остаток поочередно связывается с HS-группой АПБ и SH-группой Cys в β-кетоацил-АПБ-синтазе, ни разу не покидая комплекс до тех пор, пока не завершится образование пальмитата. И удлинение цепи, и восстановление кетогруппы происходит тогда, когда субстраты связаны с АПБ. Конечный продукт синтезы ЖК − пальмитоил-АПБ с шестнадцатью углеродными атомами − гидролизуется с освобождением жирной кислоты, которая сразу же взаимодействует с СоА с образованием пальмитоил-СоА.

В конечном счете, все углеродные атомы ЖК образуются из ацетил-СоА, т.к. малонил-СоА, в свою очередь, образуется из ацетил-СоА.

СН₃-СН₂-(СН₂)_13-СООН

16   15             1

Ацетил-СоА  7 малонил-СоА

Пальмитат − основной продукт действия синтазы ЖК, однако в небольших количествах образуются и другие ЖК с более короткой или более длинной углеводородной цепочкой.

NADPH, необходимый для биосинтеза ЖК в разных органах поступает из двух источников. В печени он образуется главным образом в пентозофосфатном пути, жировых клетках (адипоцитах) − в цитозоле (преимущественно в двух ферментативных реакциях − NADP-зависимой малатдегидрогеназной (малик-фермент) и NADP-зависимой изоцитратдегидрогеназной).

Синтез других предельных и непредельных ЖК

Пальмитиновая кислота служит предшественником для синтеза других насыщенных жирных кислот с более длинной цепью в организме животных и человека. Удлинение углеродной цепи может происходить за счет дополнительного присоединения ацетил-СоА (митохондрии) или малонил-СоА

(ЭПР) при помощи ферментов, имеющихся как в цитозоле (микросомальные ферменты), так и в митохондриях.

На рис. 23.8 приведен процесс наращивания углеродного скелета жирной кислоты, осуществляющийся в митохондриях.

Рис.23.8. Элонгация  жирной кислоты в митохондриях

Процесс инициируется тиолазой. β-кетоацильный интермедиат подвергается восстановлению при участии NADH и фермента L-β-гидроксиацил-СоА дегидрогеназы. Далее образовавшийся продукт дегидратируется еноилСоА-гидратазой (оба фермента являются участниками процесса β-окисления, но работают в обратном порядке). Продукт данных двух энзиматических процессов ‒ интермедиат, содержащий двойную связь (α,β-транс-еноил-СоА). Для восстановления двойной связи используется NADPH. В результате образуется ацил-СоА, удлиненный на два атома углерода.

Введение двойных связей осуществляется с помощью ферментов десатураз. Десатуразы (ацил-оксигеназы) могут образовывать двойные связи в пальмитиновой и стеариновой кислотах, в результате образуются моноеновые жирные кислоты ‒ пальмитолеиновая и олеиновая.

Эти процессы осуществляются преимущественно в микросомах в печени и требуют участия молекулярного кислорода, восстановленного NAD и цитохрома b₅ (рис.23.9).

Рис. 23.9. Образование ненасыщенных жирных кислот

В этом процессе одновременно окисляются два разных субстрата: жирная кислота (возникает двойная связь) и NADH. Его катализируют десатуразы, являющиеся монооксигеназами. Известен и другой механизм образования двойных связей в молекулах жирных кислот, не требующий участия молекулярного кислорода. У микроорганизмов (E.coli) синтез пальмитолеиновой кислоты начинается еще на синтазе жирных кислот, со стадии образования двойной связи в составе С₁₀-фрагментов особым ферментом, присутствующим в кишечной палочке. Затем происходит удлинение ненасыщенного фрагмента до С₁₆- и С₁₈-производных.

У животных и  растений введение в молекулу насыщенной жирной кислоты первой двойной связи осуществляется в цитозоле довольно легко. Образование дополнительных связей у растений происходит в эндоплазматическом ретикулуме. У животных образование двойных связей не может происходить в цепи далее девятого углеродного атома, поэтому млекопитающие и человек не могут образовывать ненасыщенные жирные кислоты с двумя и тремя двойными связями. Эти жирные кислоты относятся к категории незаменимых, или эссенциальных, т.е. должны поступать в организм с пищей (растительного происхождения).

Эти жирные кислоты служат субстратами для построения других полиненасыщенных жирных кислот. Недостаток линолевой и линоленовой кислот в рационе животных приводит к торможению роста, поражению кожных покровов и почек, нарушению функции размножения. На рис.23.10 приведен процесс превращения линолевой кислоты (две двойные связи) в арахидоновую кислоту, содержащую четыре двойных связи.

Рис. 23.10 Синтез арахидоновой кислоты у эукариот

Биосинтез триацилглицеролов

Свободные жирные кислоты присутствуют в тканях и плазме крови в небольших количествах и в норме не накапливаются, т.к. используются для синтеза различных липидов и в первую очередь триацилглицеролов. Синтез триацилглицеролов происходит из глицерола и жирных кислот (преимущественно стеариновой, пальмитиновой и олеиновой).

Основными предшественниками для синтеза триацилглицеролов служат активированные жирные кислоты и глицерол-3-фосфат. Глицерол-3-фосфат образуется либо при прямом фосфорилировании за счет АТР при участии глицеролкиназы, либо при восстановлении промежуточного продукта гликолиза ‒ дигидроксиацетон-3-фосфата ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой (рис.23.11).

Рис.23.11. Пути биосинтеза триацилглицеролов

В синтезе триацилглицеролов принимают участие ферменты ацилтрансферазами, которые присоединяют ацильные группы от активированных жирных кислот к моноацилглицеролу, либо диацилглицеролу.

Установлено, что большинство ферментов, участвующих в биосинтезе триацилглицеролов, находятся в эндоплазматическом ретикулуме, и только некоторые, например глицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза, – в митохондриях.

содержание      ..     20      21      22      23     ..