Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

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

–СО–СН

–СООН

Ацетоацетат

АТФ

HS-КoA

АМФ

РР

Ацил-КоА-синтетаза

СН

–СО–CH

–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

и НСО

–

(в качестве источника СО

);

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

+ НАДН

НАД

Цитрат

АТФ + HS-КoA

АДФ + Р

Ацетил-КоА

НАДН + Н

Оксалоацетат

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

+ АТФ + биотин-Фермент

карбоксибиотин-фермент + АДФ + P

(1)

Карбоксибиотин-фермент

СН

–СО–S-КоА

Ацетил-КоА

HOOC–СН

–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

–CO–S-КoA

HS-АПБ

Ацетил-КоА

СН

–СО–S-АПБ

Ацетил-АПБ

HS-KoA

(1)

Ацетил-трансацилаза

HOOC–CH

–CO–S-КoA

HS-АПБ

Маломил-трансацилаза

Малонил-КоА

HOOC–CH

–CO–S-АПБ

HS-КoA

(2)

Малонил-АПБ

–CO–S-АПБ

НООС–СН

–СО–S-АПБ

Ацетил-АПБ

Малонил-АПБ

–CO–CH

–CO–S-АПБ

HS-АПБ

СО

Ацил-малонил-АПБ

(конденсирующий фермент)

(З)

–CO–CH

–CO–S-АПБ

НАДФН+Н

Ацетоацетил-АПБ

β-Кетоацил-АПБ-редуктаза

СН

–СН(ОН)–СН

–СО–S-АПБ

НАДФ

(4)

β-Гидроксибутирил-АПБ

–CH(OH)–CH

–CO–S-АПБ

β-Гидроксибутирил-АПБ

β-Гидроксиацил-АПБ-дегидратаза

СН

–СН=СН–CO–S-АПБ

(5)

Кротонил-АПБ

СН

–СН=СН–CO–S-АПБ

НАДФН+Н

Еноил-АПБ-редуктаза

Кротонил-АПБ

СН

–СН

–CO–S-АПБ

НАДФ

Бутирил-АПБ

(6)

Далее цикл реакций повторяется. Допустим, что идет синтез пальми-

тиновой кислоты (С

). В этом случае образованием бутирил-АПБ завер-

шается лишь первый из 7 циклов, в каждом из которых началом является

присоединение молекулы малонил-АПБ к карбоксильному концу растущей

цепи жирной кислоты. При этом отщепляется дистальная карбоксильная

группа малонил-АПБ в виде СО

. Например, образовавшийся в первом

цикле бутирил-АПБ взаимодействует с малонил-АПБ:

Завершается синтез жирной кислоты отщеплением HS-АПБ от ацил-

АПБ под влиянием фермента деацилазы. Например:

Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты можно записать

так:

Или, учитывая, что на образование одной молекулы малонил-КоА из

ацетил-КоА расходуются одна молекула АТФ и одна молекула СО

которая затем отщепляется, суммарное уравнение можно представить

в следующем виде:

Основные этапы биосинтеза жирных кислот можно представить в виде

схемы:

385

–CH

–CO–S-АПБ

НООС–СН

–СО–S-АПБ

Бутирил-АПБ

Малонил-АПБ

СН

–СН

–СО–СН

–СО–S-АПБ

СО

β-Кетокапронил-АПБ

СН

–(СН

)

–СО–S-АПБ + Н

СН

(СН

)

СООН + HS-АПБ.

Деацилаза

Пальмитоил-АПБ

Пальмитиновая кислота

СН

–СО–S-KoA + 7НООС–СН

–СО–S-KoA + 14НАДФН + 14Н

–>

Ацетил-КоА

Малонил-КоА

–> СН

–(СН

)

СООН + 7СO

+ 8HS-KoA + 14НАДФ

+ 6Н

Пальмитиновая кислота

8СН

–СО–S-KoA + 7АТФ + 14НАДФН + 14Н

–>

Ацетил-КоА

–> СН

–(СН

)

–СООН + 14НАДФ

+ 8HS-KoA + 7АДФ + 7Н

РO

+ 6Н

Пальмитиновая

кислота

В общем виде синтез жирных кислот у кишечной палочки представлен на

рис. 11.4. Последовательность и характер реакций в синтезе жирных кислот,

начиная с образования β-кетоацил-АПБ (на рис. 11.4 – ацетоацетил-АПБ)

и кончая завершением одного цикла удлинения цепи на два углеродных

атома, являются как бы обратными реакциями окисления жирных кислот.

На самом деле пути синтеза и окисления жирных кислот не пересекаются

даже частично. Это становится очевидным, если принять во внимание

некоторые особенности синтеза и окисления жирных кислот.

По сравнению с β-окислением биосинтез жирных кислот имеет ряд

характерных особенностей: синтез жирных кислот в основном осуществ-

ляется в цитозоле клетки, а окисление – в митохондриях; участие в процессе

биосинтеза жирных кислот малонил-КоА, который образуется путем свя-

386

Высшая жирная кислота с четным

числом углеродных атомов

Рис. 11.4. Синтез пальмитиновой кислоты у кишечной палочки при участии одной

молекулы ацетил-КоА и 7 молекул малонил-КоА. Подробно представлен первый

цикл синтеза - образование бутирил-АПБ. Остальные 6 циклов аналогичны первому.

зывания СО

(в присутствии биотин-фермента и АТФ) с ацетил-КоА; на

всех этапах синтеза жирных кислот принимает участие ацилпереносящий

белок (HS-АПБ); при биосинтезе образуется D(–)-изомер 3-гидроксикис-

лоты, а не L(+)-изомер, как это имеет место при β-окислении жирных

кислот; необходимость для синтеза жирных кислот кофермента НАДФН.

Последний в организме частично (на 50%) образуется в реакциях пен-

тозофосфатного цикла, частично – в других реакциях, в частности в

реакциях:

Малат + НАДФ

–> Пируват + СO

+ НАДФН + Н

Изоцитрат + НАДФ

–> α-Кетоглутарат + СO

+ НАДФН + Н

Образование ненасыщенных жирных кислот. Элонгация жирных кислот.

В отличие от растительных тканей ткани животных обладают весьма

ограниченной способностью превращать насыщенные жирные кислоты

в ненасыщенные.

Установлено, что две наиболее распространенные мононенасыщенные

жирные кислоты – пальмитоолеиновая и олеиновая – синтезируются из

пальмитиновой и стеариновой кислот.

Эти превращения протекают в микросомах клеток печени и жировой

ткани при участии молекулярного кислорода, восстановленной системы

пиридиновых нуклеотидов и цитохрома b

. Превращению подвергаются

только активированные формы пальмитиновой и стеариновой кислот.

Ферменты, участвующие в этих превращениях, получили название деса-

тураз.

Наряду с десатурацией жирных кислот (образование двойных связей)

в микросомах происходит и их удлинение (элонгация), причем оба эти

процесса могут сочетаться и повторяться. Удлинение цепи жирной кислоты

387

АПБ

КоА

АПБ+СО

Ацетил-КоА

Ацетил-АПБ

Малонил-КоА

АПБ

КоА

Малонил-АПБ

Ацетоацетил-АПБ

Малонил-АПБ

НАДФН + Н

НАДФ

β-Гидроксибутирил-АПБ

Кротонил-АПБ

НАДФН + Н

НАДФ

Бутирил-АПБ

Малонил-АПБ

происходит путем последовательного присоединения к соответствующему

ацил-КоА двууглеродных фрагментов при участии малонил-КоА и

НАДФН. Энзиматическая система, катализирующая удлинение жирных

кислот, получила название элонгазы. На схеме представлены пути превра-

щения пальмитиновой кислоты в реакциях десатурации и элонгации.

НЕЗАМЕНИМЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ

В настоящее время показано, что в микросомах клеток млекопитающих

образование двойных связей может происходить только на участке цепи

жирной кислоты от 9-го до 1-го углеродных атомов, ибо в микросомах

отсутствуют десатуразы, которые могли бы катализировать образование

двойных связей в цепи далее 9-го углеродного атома. У животных двойные

связи могут образовываться в Δ

-, Δ

- и Δ

-положении, но не далее

-положения, в то время как у растений – в Δ

-, Δ

и Δ

-положении.

Поэтому в организме млекопитающих, в том числе и человека, не могут

образовываться, например, из стеариновой кислоты (18:0) линолевая (18:2;

9,12) и линоленовая (18:3; 9,12,15) кислоты. Эти кислоты относятся

к категории незаменимых жирных кислот. К незаменимым жирным кисло-

там обычно относят также арахидоновую кислоту (20:4; 5,8,11,14). У боль-

шинства млекопитающих арахидоновая кислота может образовываться из

линолевой кислоты. Приводим структуры незаменимых жирных кислот:

388

Олеил-КоА

Десатураза

Стеарил-КоА

(малонил-КоА,

НАДФН)

Элонгаза

Пальмитоил-КоА

Десатураза

Пальмитоолеил-КоА

—(CH

)

—CH=CH—(CH

)

—CO~S-КoA

2Н

О + НАДФ

+ НАДФН + Н

СН

—(СН

)

—СО~S-КoA

—(CH

)

—CO~S-КoA

+ НАДФН + Н

2Н

О + НАДФ

СН

—(СН

)

—СН=СН—(CH

)

—CO~S-КoA

Незаменимые жирные кислоты должны поступать в организм с пищей.

При длительном их отсутствии в пище у животных наблюдается отставание

в росте, развиваются характерные поражения кожи и волосяного покрова.

Описаны случаи недостаточности незаменимых жирных кислот и у чело-

века. Так, у детей грудного возраста, получающих искусственное питание

с незначительным содержанием жиров, может развиться чешуйчатый дер-

матит, который поддается лечению препаратом линолевой кислоты.

Нарушения, обусловленные недостатком незаменимых жирных кислот,

наблюдаются также у больных, жизнедеятельность которых в течение

длительного времени поддерживается только за счет внутривенного пита-

ния, почти лишенного жирных кислот. Принято считать, что во избежание

этих нарушений необходимо, чтобы на долю незаменимых жирных кислот

приходилось не менее 1–2% от общей потребности в калориях. Следует

отметить, что незаменимые жирные кислоты содержатся в достаточно

больших количествах в растительных маслах.

Исследования, проведенные с применением изотопов, показали, что

арахидоновая кислота и некоторые другие 20-углеродные (эйкозановые)

кислоты, содержащие двойные связи, участвуют в образовании эйкоза-

ноидов.

ЭЙКОЗАНОИДЫ

Эйкозаноиды – обширная группа физиологически и фармакологически ак-

тивных соединений. К ним относятся простаноиды (простагландины,

простациклины, тромбоксаны) и лейкотриены.

Наиболее активным предшественником эйкозаноидов является входя-

щая в состав фосфолипидов плазматических мембран арахидоновая кисло-

та. Последняя освобождается из фосфолипидного бислоя мембраны при

действии фосфолипазы А

. В образовании эйкозаноидов принимают учас-

тие также и другие незаменимые жирные кислоты (линолевая и α-лино-

леновая), но только после элонгации на два углеродных атома и десату-

рации, т.е. после превращения в 20-углеродные тетраеновые кислоты.

Поэтому эйкозаноиды можно разделить на 3 группы (в каждую входят

простагландины, тромбоксаны и лейкотриены) в зависимости от пред-

шественников: линолеата, арахидоната и линолената.

Пути метаболизма арахидоната (субстрата) различны, причем синтез

простаноидов конкурирует за субстрат с синтезом лейкотриенов. Эти два

389

Линолевая

кислота

(18:2,

9,12

)

α-Линолевая

кислота

(18:3,

9,12,15

)

Арахидоновая

кислота

(20:4,

5,8,11,14

)

Рис. 11.5. Участие арахидоновой кислоты в образовании эйкозаноидов (по

А.Н. Климову и Н.Г. Никульчевой).

пути называют соответственно циклооксигеназным и липоксигеназным

(рис. 11.5).

Простагландины (ПГ, Pg). По существу ПГ представляют собой

20-углеродные жирные кислоты, содержащие 5-углеродное кольцо и гидро-

кси- и/или кетогруппы:

Обнаружено шесть первичных природных ПГ, три из них серии Е

(ether-soluble) и три – серии F (phosphate-soluble). ПГ серии Е содержат

в положении 9 кетогруппу, а ПГ серии F – гидроксигруппу. Имеется также

несколько вторичных ПГ, представляющих собой продукты энзиматическо-

го превращения первичных.

ПГ проявляют свое действие в чрезвычайно низких концентрациях (1–

10 нг/мл). Будучи введенными в организм, они вызывают сокращение

гладкой мускулатуры, регулируют приток крови к определенному органу,

оказывают переменчивое влияние на кровяное давление, контролируют

транспорт ионов через мембраны и т.д.

В целом ПГ, не являясь гормонами, модулируют действие последних.

Они преимущественно влияют на физиологические функции тех клеток,

в которых синтезируются. Характер воздействия ПГ зависит от типа

клетки, и этим ПГ отличаются от гормонов с их однозначным эффектом.

ПГ могут использоваться как терапевтическое средство для предотвра-

щения оплодотворения, стимулирования нормальных родов, прерывания

беременности, предупреждения развития или обезболивания язвы желудка,

390

Мембранные ФЛ

Фосфолипаза А

Арахидоновая кислота

Липоксигеназа

Циклооксигеназа

Лейкотриены

Простациклины

(PGI

)

Простагландины

(PGG

)

Простагландины

(PGH

)

Тромбоксаны

(ТХА

и ТХВ

)

Простагландины

(PGD

, PGE

и PGF

)

Арахидоновая кислота

Простагландин Е