Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ III. МЕТАБОЛІЗМ ОСНОВНИХ КЛАСІВ БІОМОЛЕКУЛ

ГЛАВА 15. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ. II. БІОСИНТЕЗ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ І СКЛАДНИХ ЛІПІДІВ

Біосинтез ліпідів різних класів є важливою складовою їх метаболізму, що забезпечує організм резервами метаболічного палива у вигляді акумульованих у жировій тканині та клітинах інших органів триацилгліцеролів і є необхідним для поновлення структурних компонентів біомембран (фосфогліцеридів, сфінголіпідів, гліколіпідів).

15.1. БІОСИНТЕЗ ВИЩИХ ЖИРНИХ КИСЛОТ

Біосинтез вищих жирних кислот із подальшим їх включенням до складу триацилгліцеролів жирової та інших тканин — ліпогенез — є метаболічним шляхом, що дозволяє акумулювати в організмі людини та тварин значні енергетичні резерви метаболічного палива.

Фізіологічне значення цього процесу пояснюється тією обставиною, що здатність тваринних клітин до створення запасів полісахаридів у вигляді глікогену є досить обмеженою, і тому глюкоза, що надходить із їжею в кількостях, які перевищують безпосередні енергетичні потреби організму, перетворюється на жирні кислоти. Найбільш активно синтез жирних кислот відбувається в адипоцитах жирової тканини, гепатоцитах печінки, епітеліальних клітинах молочної залози під час лактації.

Метаболічні джерела синтезу жирних кислот

В організмі людини і тварин здійснюється синтез насичених жирних кислот із парною кількістю вуглецевих атомів (переважно пальмітату та стеарату); метаболічним джерелом для цього синтезу є ацетил-КоА, який утворюється за рахунок аеробного окислення глюкози. Активність процесу біосинтезу жирних кислот залежить від характеру дієти; їжа, що містить значну кількість жирів, пригнічує швидкість цього синтезу.

Ферментні реакції біосинтезу жирних кислот з ацетил-КоА, на відміну від їх окислення, відбуваються в цитоплазмі клітин; основним продуктом цього синтезу є пальмітинова кислота С₁₅Н₃₁СООН.

Безпосереднім донором двовуглецевих фрагментів, що використовуються клітиною для синтезу довголанцюгових жирних кислот, є ацетил-КоА, утворюваний у реакції окислювального декарбоксилювання пірувату (глава 11), яка перебігає в матриксі мітохондрій. Оскільки внутрішня мембрана мітохондрій є непроникною для ацетил-КоА, то для використання ацетил-КоА в процесі біосинтезу жирних кислот застосовується спеціальна човникова система, яка транспортує мітохондріальний ацетил-КоА в цитозоль. Процес відбувається за таким механізмом:

1. Усередині мітохондрій ацетил-КоА взаємодіє з оксалоацетатом, утворюючи лимонну кислоту (цитрат), яка є головним субстратом окислювального цитратного циклу (ЦТК), але може частково залишати мітохондрії і виходити в цитозоль за допомогою спеціальної транспортної системи трикарбоксилатів:

Стимуляція виходу цитрату з мітохондрій у цитоплазму можлива в умовах, що сприяють активації анаболічних процесів в організмі, зокрема при посиленому харчуванні глюкозою та іншими цукрами, гліколітичне окислення яких спричиняє накопичення цитрату й інших метаболітів ЦТК у матриксі мітохондрій.

2. У цитозольному просторі цитрат розщеплюється спеціальною ліазою з утворенням оксалоацетату та цитозольного ацетил-КоА, який надходить у систему синтезу вищих жирних кислот:

Оксалоацетат повертається до матриксу мітоходрій за допомогою човникової системи, що включає його відновлення до малагу, який може проникати через мітохондріальну мембрану. Альтернативним механізмом повернення вуглецевих атомів малату в цитозоль є його перетворення в піруват — шлях, який генерує відновлений НАДФ⁺, необхідний для синтезу жирних кислот (див. нижче) — рис. 15.1.

Рис. 15.1. Човникова система транспорту ацетильних радикалів із мітохондрій у цитозоль.

Синтез малоніл-КоА

Ініціація росту вуглецевого ланцюга вищої жирної кислоти відбувається шляхом взаємодії ацетил-КоА з активною формою малонової кислоти — малоніл-КоА, який безпосередньо постачає двовуглецеві субстрати для цього синтезу. Таким чином, у разі біосинтезу пальмітату малоніл-КоА є метаболічним попередником, який стає джерелом 14 з 16 атомів вуглецю пальмітату.

Малоніл-КоА утворюється з цитоплазматичного CH ₃ ацетил-КоА та діоксиду вуглецю під дією біотинвмісного ферменту ацетил-КоА-карбоксилази.

Ацетил-КоА-карбоксилаза містить кофермент біотин (вітамін Н), що є простетичною групою ферменту. Карбоксильна група біотину зв’язана амідним зв’язком із Е-аміногрупою лізинового залишку, який розташований в активному центрі ферменту.

Активною формою вугільної кислоти, яка бере участь у карбоксилюванні ацетил-КоА, є карбоксибіотин, що утворюється в такій реакції:

Біохімічні стадії синтезу насичених жирних кислот

Синтетаза жирних кислот є мультиензимним комплексом, до складу якого входять декілька ферментних білків із каталітичною активністю, що забезпечує послідовне подовження вуглецевого ланцюга (С₂, С₄, С₆ ...) до утворення ацильного залишку з необхідною кількістю вуглецевих атомів (переважно С₁₆). Сукупність ферментних реакцій біосинтезу пальмітинової кислоти називається циклом Лінена.

Ацилтранспортуючий протеїн

Центральне місце у ферментному комплексі синтетази жирних кислот посідає ацилтранспортуючий протеїн(Acyl Carrier Protein, ACP, англ.). Із молекулою ACP сполучені ферментні білки, що каталізують окремі реакції синтезу жирних кислот С₁₆ та С₁₈. ACP має два SH-вмісних центри зв’язування:

1-й центр —залишок цистеїну поліпептидного ланцюга ACP, який служить для акцептування ацетильного радикалу (СН₃-СО-) від ацетил-КоА;

2-й центр — фосфорильоване похідне вітаміну пантотенової кислоти — 4'-фосфопантетеїн, що є структурою, SH-групи якої акцептують малонільний радикал (НООС-СН₂-СО-) від малоніл-КоА. 4'-Фосфопантетеїн (Фп) ковалентно сполучений із залишком серину в 36-му положенні поліпептидного ланцюга ACP.

Взаємодія ацетил-КоА з ACP має вигляд:

Подібним чином взаємодіє з АРС (HS-групою Фп) і малоніл-КоА.

Послідовність ферментативних реакцій

Після акцептування ацилтранспортуючим білком ацетильного й малонільного радикалів формування ланцюга вищої жирної кислоти може бути поданим у вигляді зазначеної нижче послідовності реакцій.

1. Перенесення ацетильного радикалу, зв’язаного з SH-групою цистеїну, на малонільний радикал, зв’язаний з SH-групою фосфопантетеїну, з утворенням ацетоацетильного радикала, що зв’язаний з SH-групою фосфопантетеїну. Ця реакція конденсації каталізується ферментом 3-кетоацил-АСР-синтазою:

У результаті реакції утворюється ацетоацетил — АРС і виділяється (регенерує) молекула СО₂, що була використана для синтезу малоніл-КоА.

2. Відновлення карбонільної групи в молекулі ацетоацетил-ACP з утворенням 3-гідроксибутирил-ACP. Реакція каталізується НАДФН-залежною 3-кетоацил-АСР-редуктазою:

3. Дегідратація 3-гідроксибутирильного радикала за участю ферменту 3-гідроксиацил-АСР-дегідратази. Продукт реакції — ненасичене похідне масляної кислоти (бутирату), подвійний зв’язок в якому розміщений між 2-м і 3-м атомами вуглецю (Δ²) та має транс-конфігурацію — транс-бутеноїл-Δ²-AСР:

4. Відновлення подвійного зв’язку в молекулі mранс-бутеноїл-Δ²-ACP за участю ферменту еноїл-АСР-редуктази. Продукт реакції — бутирильний радикал, сполучений із ACP:

У результаті розглянутої послідовності чотирьох реакцій двовуглецевий ацетильний радикал (С₂) перетворився на чотиривуглецевий бутирильний радикал (С₄). Для продовження процесу елонгації вуглеводневих радикалів необхідне приведення ферментної системи синтетази жирних кислот у вихідний стан, що досягається перенесенням бутирилу від SH-групи фосфопантетеїну на SH-групу цистеїну та приєднанням до SH-групи фосфопантетеїну, що звільнилася, нового залишку малонілу:

У подальшому починається новий цикл реакцій, що полягають у подовженні вуглеводневого радикала карбонової кислоти ще на один двовуглецевий фрагмент. Продуктом семи зазначених циклів є утворення радикалу пальмітинової кислоти (С₁₆), який відщеплюється від ACP у результаті гідролітичної тіоестеразної реакції:

Сумарне рівняння біосинтезу пальмітату з ацетил-КоА в результаті дії синтетази вищих жирних кислот.

Джерела НАДФН, необхідного для біосинтезу жирних кислот

У кожному циклі біосинтезу пальмітату відбувається по дві відновлювальні реакції, донором водню (2Н⁺ + 2e^-) в яких є НАДФН. Одним з основних постачальників молекул цитозольного НАДФН, відновлювальні еквіваленти яких використовуються при ліпогенезі, є реакція перетворення малату до пірувату, що спряжена з функціонуванням човникової системи транспорту ацетильних радикалів (див. рис. 15.1).

1. У першій реакції оксалоацетат відновлюється до малату за участю цитозольної малатдегідрогенази:

2. У другій реакції відбувається окислювальне декарбоксилювання малату до пірувату за допомогою НАДФ-залежного ферменту малікензиму:

НАДФН, що генерувався в реакції, використовується в ліпогенезі, а піруват перетворюється до оксалоацетату в піруваткарбоксилазній реакції.

Крім розглянутого механізму, постачальником НАДФН, що використовується в біосинтезі пальмітату, виступають також глюкозо-6-фосфат-дегідрогеназна реакція пентозофосфатного циклу окислення глюкози та НАДФ-залежна ізоцитратдегідрогеназна реакція, що перебігає в цитозолі.

Регуляція біосинтезу насичених жирних кислот

Існують два пункти регуляції синтезу вищих насичених жирних кислот в організмі людини:

1. Регуляція на рівні ацетил-КоА-карбоксилази.

Ацетил-КоА-карбоксилазна реакція, в якій утворюється малоніл-КоА, є лімітуючою стадією в контролі швидкості біосинтезу жирних кислот. Регуляція перебігу реакції здійснюється за двома механізмами:

1.1. Шляхом алостеричної регуляції активності ацетил-КоА-карбоксилази позитивними та негативними модуляторами:

а) позитивним модулятором (активатором) ферменту є цитрат. Збільшення концентрації лимонної кислоти в мітохондріях внаслідок «перевантаження» ЦТК метаболічним паливом (після споживання вуглеводів, секреції в кров інсуліну тощо) означає створення біохімічних умов для активації анаболічних процесів, тобто запасання надлишків ацетил-КоА у вигляді жирів. Підвищений у цих умовах вихід цитрату в цитозоль активує ацетил-КоА-карбоксилазу (малоактивну за відсутності позитивного модулятора) і спричиняє утворення малоніл-КоА — джерела двовуглецевих радикалів для біосинтезу жирних кислот;

б) негативними модуляторами (алостеричними інгібіторами) ацетил-КоА-карбоксилази є пальмітоїл-КоА та стеароїл-КоА — кінцеві метаболіти біосинтетичного шляху. Накопичення в цитозолі продуктів біосинтезу за принципом негативного зворотного зв’язку гальмує швидкість їх утворення.

1.2. Шляхом ковалентної модифікації ацетил-КоА-карбоксилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання (утворення неактивної форми ферменту) та дефосфорилювання (утворення активної форми ферменту). Слід зауважити реципрокний характер зміни активності процесів ліпогенезу та ліполізу в умовах дії на клітини жирової тканини та печінки фізіологічних стимулів, що позитивно (адреналін, норадреналін, глюкагон) та негативно (інсулін) впливають на активність аденілатциклази і внутрішньоклітинний рівень цАМФ (див. главу 14; розділ 14.1).

1.3. Шляхом зміни активності синтезу ацетил-КоА-карбоксилази:

а) збільшення активності синтезу ферменту (ферментна індукція) спричиняється додатковим надходженням в організм та в клітини відповідних органів глюкози (споживання високовуглеводної дієти) та зменшенням вмісту в продуктах харчування жирів;

б) пригнічення активності синтезу ферменту спостерігається в умовах голодування або споживання дієти, збагаченої жирами.

2. Регуляція на рівні комплексу синтетази жирних кислот

Активність синтетазного комплексу (циклу Лінена) регулюється також як механізмами алостеричного контролю, так і механізмами ферментної індукції.

2.1. Алостерична активація окремих ферментів мультиензимного комплексу здійснюється за рахунок позитивного впливу фосфорильованих моносахаридів. Збільшення концентрації цукрофосфатів є метаболічним сигналом, що свідчить про високу активність гліколізу та створює біохімічні умови для спрямування обміну речовин у напрямку анаболічних процесів.

2.2. Зміни в активності процесів синтезу окремих ферментів синтетазного комплексу відбуваються в напрямках і метаболічних умовах, зазначених для ацетил-КоА-карбоксилази.

Елонгація насичених жирних кислот

Пальмітинова кислота (С₁₆), що продукується в результаті дії синтетази вищих жирних кислот, є попередником в утворенні жирних кислот із більшою довжиною ланцюга — С₁₈, С₂₀, С₂₂, С₂₄. У клітинах функціонують дві системи елонгації жирних кислот, які забезпечують послідовне приєднання до вуглеводневих ацильних радикалів двовуглецевих фрагментів:

а) система елонгації ендоплазматичного ретикулума («мікросомальна елонгаційна система»). Ця система використовує як джерело двовуглецевих фрагментів малоніл-КоА і діє за механізмом, близьким до розглянутого для синтетазної системи цитозолю:

Субстратами розглянутої послідовності реакцій є насичені жирні кислоти (ацили С₁₀ та більшої довжини). У печінці при використанні як субстрат пальмітату утворюється переважно стеарат (С₁₈). Система елонгації жирних кислот у головному мозку синтезує С₂₂- та С₂₄-жирні кислоти, які входять до складу сфінголіпідів мієлінових нервових волокон;

б) мітохондріальна система елонгації жирних кислот—використовує як донори двовуглецевих фрагментів молекули ацетил-КоА. Система здатна подовжувати жирні кислоти, що мають 12-16 атомів вуглецю (С₁₂-С₁₆):

Утворення ненасичених жирних кислот

1. Мононенасичені жирні кислоти

Мононенасичені кислоти — пальмітоолеїнова С_16:1 та олеїнова С_18:1 містять подвійний зв’язок між 9-м та 10-м атомами вуглецю (Δ⁹).

Ці жирні кислоти можуть утворюватися в організмі людини за рахунок дегідрування відповідних насичених кислот (пальмітинової С₁₆ та стеаринової С₁₈):

Утворення зазначеного подвійного зв’язку здійснюється за участю системи десатураціїжирних кислот (ацил-КоА-оксигенази), що належить, за механізмом дії, до мікросомальних монооксигеназ (оксигеназ мішаної функції), які потребують для свого функціонування НАДФН (або НАДН) та включають цитохром b_s електротранспортного ланцюга, локалізованого в мембранах ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів:

2. Поліненасичені жирні кислоти

Поліненасичені кислоти — лінолева С_18:2(Δ^9,12) та α-ліноленова С_{18 3}(А^9,12,15) — попередники в утворенні інших, життєво необхідних ацилів, не можуть синтезуватися в клітинах людського організму у зв’язку з відсутністю ферментних систем, що необхідні для утворення додаткових подвійних зв’язків між Δ⁹-подвійним зв’язком і метильним кінцем жирної кислоти.

Зазначені ферменти присутні в багатьох рослинних організмах, і тому існує потреба в постійному надходженні лінолевої та α-ліноленової кислот в організм як компонентів рослинної їжі, що є незамінними факторами харчування («есенціальні жирні кислоти»).

У разі надходження цих жирних кислот у складі дієти, ферментні системи ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів за розглянутими вище механізмами десатурації та елонгації можуть трансформувати лінолеву кислоту в такі поліненасичені кислоти, як γ-ліноленову С_18:3(Δ^6,9,12) та арахідонову С_20:4 (Δ^5,8,11,14), а α-ліноленову — в докозангексенову (С_22:6) кислоту.

Арахідонова кислота — попередник біологічно активних ейкозаноїдів (простагландинів, простациклінів, тромбоксанів), утворюється з незамінної лінолевої кислоти С шляхом подовження її вуглецевого ланцюга та утворення додаткових подвійних зв’язків:

Загальну схему формування в організмі людини насичених і ненасиченихих вищих жирних кислот подано на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Метаболічна карта біосинтезу насичених і ненасичених жирних кислот ферментними системами людського організму.