Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Биосинтез липидов
Биосинтез насыщенных жирных кислот

Обмен липидов в клетках разных организмов включает два противопо­ложно направленных процесса: биосинтез и деградацию. При этом ключевы­ми промежуточными соединениями данных процессов служат ацетил-СоА и глицерол. Ацетил-СоА образуется на каждой стадии ß-окисления жирных кислот (глава 9) и используется в качестве предшественника при их биосин­тезе. Глицерол может образовываться при разложении липидов, а также при модификации промежуточных продуктов гликолиза (например дигидроксиацетонфосфата).

Обмен липидов осуществляется довольно интенсивно, что связано в пер­вую очередь с процессами мембраногенеза (изменение структуры мембран, синтез новых компонентов). Кроме этого, некоторые организмы используют жиры (триацилглицеролы) в качестве основного резервного вещества. На­пример, у животных триацилглицеролы синтезируются и накапливаются в специализированных клетках жировой ткани. В организме мужчины со сред­ней массой присутствует до 12 кг запасных липидов, которые могут обеспе­чить поддержание основного обмена в течение 8 недель, в то время как запа­сов гликогена (несколько сотен грамм) хватает для обеспечения потребности организма в энергии не более чем на 12 ч. Растения (особенно в составе пло­дов, семян) и многие микроорганизмы также способны синтезировать в каче­стве запасных питательных веществ триацилглицеролы.

Биосинтез жирных кислот осуществляется в цитоплазме эукариотических клеток, у животных — в основном в клетках печени, жировой ткани, почек, легких. Непосредственным предшественником их синтеза является малонил-СоА, который образуется из ацетил-СоА. В свою очередь, основное количест­во ацетил-СоА образуется в матриксе митохондрий при окислительном декарбоксилировании пирувата, в процессе ß-окисления жирных кислот, при расщеплении углеродных скелетов аминокислот. Будучи заряженным соединением, ацетил-СоА не может преодолеть мембранный барьер митохондрий, и для транспорта ацетильных групп в цитоплазму существует специальный «челночный механизм» (рис. 15.1). С помощью этого механизма ацетиль­ные компоненты попадают в цитоплазму в составе цитрата, который расщеп­ляется, образуя ацетил-СоА (при участии АТР и СоА) и оксалоацетат. По­следний восстанавливается в малат и возвращается в матрикс митохондрий, где регенерируется цитрат.

Рис. 15.1. Перенос ацетильных компонентов через мембрану митохондрий при участии «челночного механизма»

Оказавшись в цитоплазме, ацетил-СоА подвергается карбоксилированию с участием ключевого фермента биосинтеза жирных кислот — ацетил-СоА-карбоксилазы. В результате этой АТР-зависимой реакции формируется малонил-СоА (рис. 15.2). Простетической группой ацетил-СоА-карбоксилазы служит биотин. Он выполняет роль «подвижной руки», переносящей СО₂ на молекулу ацетил-СоА. Реакция осуществляется в две стадии (рис. 15.2, см. также главу 7, рис. 7.7). Стадия образования малонил-СоА лимитирует ско­рость всего процесса синтеза жирных кислот, поскольку на уровне ацетил-СоА-карбоксилазы осуществляется регуляция данного пути: основным алло­стерическим активатором фермента является цитрат. Этот метаболит образу­ется в митохондриях в большом количестве, когда там много ацетил-СоА, т. е. ЦТК перегружен «топливом», и его избыток должен запасаться в виде триацилглицеролов. В таком случае цитрат выходит в цитоплазму, выступая там одновременно в роли донора ацетил-СоА и активатора ацетил-СоА- карбоксилазы. Связывание цитрата с неактивными мономерами ацетил-СоА-карбоксилазы приводит к их соединению в нитевидный олигомер, который приобретает функциональную активность. Кроме этого, активность ацетил-СоА-карбоксилазы регулируется в ходе ковалентной модификации: понижа­ется при фосфорилировании и повышается при дефосфорилировании.

Образующийся в цитоплазме малонил-СоА служит источником боль­шинства атомов углерода в молекулах жирных кислот. Формирование паль­митиновой кислоты, включающей 16 атомов углерода, происходит согласно уравнению 15.1.

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

→Пальмитат + 7 СО₂ + 8 CoA + 14 NADP⁺ + 6 H₂O (15.1)

Рис. 15.2. Биосинтез жирных кислот: 1 — образование малонил-СоА; 2 — конденсация компонентов и наращивание цепи на синтазе жирных кислот (Е)

Удлинение цепи жирной кислоты происходит поэтапно, в ходе присоеди­нения к ацетил-СоА двухуглеродных группировок, с участием сложной фер­ментной системы, называемой синтазой жирных кислот. Синтаза жирных кислот представляет собой гомодимер, т. е. состоит из двух идентичных по­липептидных цепей, объединенных в комплекс. Каждая из двух частей может катализировать 7 последовательных реакций наращивания жирнокислотной цепи, при этом соблюдается согласованность действий частей и фермент ак­тивен только в виде димера.

В составе каждой части синтазы жирных кислот присутствуют необходи­мые для связывания субстратов сульфгидрильные группы. Одна SH-группа находится в составе фосфопантетеина (рис. 7.9) — простетической группы одного из доменов синтазы, называемого ацилпереносящим белком (АПБ-белок). Вторая SH-группа принадлежит остатку цистеина в другом домене фермента — 3-кетоацил-АПБ-синтазе.

Активность мультиферментного комплекса пространственно распределе­на по нескольким доменам, которые участвуют в катализе семи реакций, тре­бующихся для построения молекулы пальмитата и высвобождения продукта из комплекса с ферментом.

Первые этапы образования жирнокислотной цепи (рис. 15.2, 2) заключа­ются в переносе ацильного остатка на сульфгидрильную группу цистеина (cys-SH), а малонильного остатка — на сульфгидрильную группу фосфопан­тетеина (pan-SH). Оба остатка располагаются в молекуле синтазы (Е) доволь­но близко друг к другу. Когда обе SH-группы заняты ацильными остатками, происходит удлинение цепи вследствие переноса ацильного компонента на второй атом углерода малонильного остатка, в ходе чего происходит отщеп­ление карбоксильной группы в виде СО₂. Это та молекула углекислоты, кото­рая включилась в состав малонил-СоА при карбоксилировании ацетил-СоА. Таким образом, фиксация СО₂ (включение в состав органического вещества) при биосинтезе жирных кислот не происходит! Декарбоксилирование необ­ходимо, чтобы сдвинуть равновесие реакции вправо, поскольку при отщепле­нии СО₂ резко возрастает реакционная способность оставшегося ацетильного компонента, который легко конденсируется с остатком ацетил-СоА, присоединенным к SH-группе фосфопантетеина.

Следующие три реакции представляют собой восстановление 3-кетогруппы, дегидратацию и восстановление двойной связи в остатке еноила. После этого ацилтрансфераза переносит ацильный остаток (промежуточный продукт, результат удлинения цепи на 2 атома углерода) на SH-группу цис­теина, а освободившаяся SH-группа фосфопантетеина готова вновь акцепти­ровать малонильный остаток.

После семи таких циклов формируется 16-углеродный пальмитоил, свя­занный с сульфгидрильной группой фосфопантетеина. Его распознает и от­щепляет от синтазы ацил-АПБ-гидролаза, в среду высвобождается конечный продукт — пальмитиновая кислота. Пальмитиновая кислота используется в качестве предшественника для синтеза других насыщенных жирных кислот с более длинной цепью. Эти процессы осуществляются у эукариот в митохондриях и в эндоплазматиче­ском ретикулуме. К активированным СоА-эфирам жирных кислот добавля­ются ацетильные остатки, донорами которых служит ацетил-СоА или малонил-СоА.