Главная Калькуляторы Биосинтез жирных кислот. Биосинтез насыщенных жирных кислот Образование ацетил-SКоА из лимонной кислоты

Биосинтез жирных кислот. Биосинтез насыщенных жирных кислот Образование ацетил-SКоА из лимонной кислоты

Синтез пальмитиновой кислоты (С16) из Ацетил-КоА.

1) Протекает в цитоплазме клеток печени и жировой ткани.

2) Значение: для синтеза жиров и фосфолипидов.

3) Протекает после приема пищи (в абсорбтивный период).

4) Образуется из ацетил-КоА, полученного из глюкозы (гликолиз → ОДПВК → Ацетил-КоА).

5) В процессе последовательно повторяются 4 реакции:

конденсация → восстановление → дегидратация → восстановление.

В конце каждого цикла ЖК удлиняется на 2 углеродных атома .

Донор 2С – малонил-КоА.

6) В двух реакциях восстановления принимает участие НАДФН+Н + (50% поступает из ПФП, 50% - от МАЛИК-фермента).

7) Только первая реакция протекает непосредственно в цитоплазме (регуляторная).

Остальные 4 циклических – на специальном пальмитатсинтазном комплексе (синтез только пальмитиновой кислоты)

8) Регуляторный фермент функционирует в цитоплазме – Ацетил-КоА-карбоксилаза (АТФ, вит. Н, биотин, IV класс).

Строение пальмитатсинтазного комплекса

Пальмитатсинтаза – фермент, состоящий из 2 субъединиц.

Каждая состоит из одной ппц, на которой есть 7 активных центров.

Каждый активный центр катализирует свою реакцию.

В каждой ппц находится ацилпереносящий белок (АПБ), на котором проходит синтез (содержит фосфопантетонат).

В каждой субъединице есть HS-группа. В одной HS-группа принадлежит цистеину, в другой – фосфопантотеновой кислоте.

Механизм

1) Ацетил-Коа, полученный из углеводов, не может выйти в цитоплазму, где протекает синтез ЖК. Он выходит через первую реакцию ЦТК – образование цитрата.

2) В цитоплазме цитрат распадается на Ацетил-Коа и оксалоацетат.

3) Оксалоацетат → малат (реакция ЦТК в обратном направлении).

4) Малат → пируват, который используется в ОДПВК.

5) Ацетил-КоА → синтез ЖК.

6) Ацетил-КоА под действием ацетил-КоА-карбоксилазы превращается в малонил-КоА.

Активирование фермента ацетил-КоА-карбоксилазы :

а) путем усиления синтеза субъединиц под действием инсулина – три тетрамера синтезируются отдельно

б) под действием цитрата три тетрамера объединяются, и фермент активируется

в) в период голодания глюкагон ингибирует фермент (путем фосфорилирования), синтез жиров не происходит

7) один ацетил КоА из цитоплазмы перемещается на HS-группу (от цистеина) пальмитат-синтазы; один малонил-КоА – на HS-группу второй субъединицы. Далее на пальмитат синтазе происходят:

8) их конденсация (ацетил КоА и малонил-КоА)

9) восстановление (донор – НАДФН+Н + из ПФП)

10) дегидротация

11) восстановление (донор – НАДФН+Н + от МАЛИК-фермента).

В результате ацильный радикал увеличивается на 2 атома углерода.

Мобилизация жиров

При голодании или длительной физической нагрузке выделяется глюкагон или адреналин. Они активируют в жировой ткани ТАГ-липазу, которая находится в адипоцитах и называется тканевой липазой (гормончувствительная). Она расщепляет жиры в жировой ткани на глицерол и ЖК. Глицерол идет в печень на глюконеогенез. ЖК поступают в кровь, связываются с альбумином и поступают к органам и тканям, используются как источник энергии (всеми органами, кроме мозга , который использует глюкозу и кетоновые тела при голодании или длительной физической нагрузке).

Для сердечной мышцы ЖК – основной источник энергии.

β-окисление

β-окисление – процесс расщепления ЖК с целью извлечения энергии.

1) Специфический путь катаболизма ЖК до ацетил-КоА.

2) Протекает в митохондриях.

3) Включает 4 повторяющиеся реакции (т.е. условно циклический):

окисление → гидратация → окисление → расщепление.

4) В конце каждого цикла ЖК укорачивается на 2 углеродных атома в виде ацетил-КоА (поступающий в ЦТК).

5) 1 и 3 реакции – реакции окисления, связаны с ЦПЭ.

6) Принимают участие вит. В 2 – кофермент ФАД, вит. РР – НАД, пантотеновая кислота – HS-KoA.

Механизм переноса ЖК из цитоплазмы в митохондрию.

1. ЖК перед поступлением в митохондрию должны быть активированы.

Только активированная ЖК = ацил-КоА может транспортироваться через двойную мембрану липидов.

Переносчик – L-карнитин.

Регуляторный фермент β-окисления – карнитинацилтрансфераза-I (KAT-I).

2. КАТ-I переносит ЖК в межмембранное пространство.

3. Под действием КАТ-I ацил-КоА переносится на переносчик L-карнитин.

Образуется ацилкарнитин.

4. При помощи встроенной во внутреннюю мембрану транслоказы ацилкарнитин перемещается в митохондрию.

5. В матриксе под действием КАТ-II ЖК отщепляется от карнитина и вступает в β-окисление.

Карнитин возвращается обратно в межмембранное пространство.

Реакции β-окисления

1. Окисление: ЖК окисляется с участием ФАД (фермент ацил-КоА-ДГ) → еноил.

ФАД поступает в ЦПЭ (р/о=2)

2. Гидратация: еноил → β-гидроксиацил-КоА (фермент еноилгидратаза)

3. Окисление: β-гидроксиацил-КоА → β-кетоацил-КоА (с участием НАД, который поступает в ЦПЭ и имеет р/о=3).

4. Расщепление: β-кетоацил-КоА → ацетил-КоА (фермент тиолаза, с участием HS-KoA).

Ацетил-КоА → ЦТК → 12 АТФ.

Ацил-КоА (С-2) → следующий цикл β-окисления.

Подсчет энергии при β-окислении

На примере меристиновой кислоты (14С).

· Подсчитываем, на сколько ацетил-КоА распадается ЖК

½ n = 7 → ЦТК (12АТФ) → 84 АТФ.

· Считаем, за сколько циклов они распадается

(1/2 n)-1=6·5(2 АТФ за 1 реакцию и 3 АТФ за 3 реакцию) = 30 АТФ

· Вычитаем 1 АТФ, постраченную на активацию ЖК в цитоплазме.

Итого – 113 АТФ.

Синтез кетоновых тел

Почти весь ацетил-КоА вступает в ЦТК. Небольшая часть используется для синтеза кетоновых тел = ацетоновых тел.

Кетоновые тела – ацетоацетат, β-гидроксибутират, ацетон (при патологии).

Нормальная концентрация – 0,03-0,05 ммоль/л.

Синтезируются только в печени из ацетил-КоА, полученного при β-окислении.

Используются как источник энергии всеми органами кроме печени (нет фермента).

При длительном голодании или сахарном диабете концентрация кетоновых тел может увеличиваться в десятки раз, т.к. в этих условиях ЖК являются основным источником энергии. В этих условиях протекает интенсивное β-окисление, и весь ацетил-КоА не успевает утилизироваться в ЦТК, т.к.:

· не хватает оксалоацетата (он используется при глюконеогенезе)

· в результате β-окисления образуется много НАДН+Н+ (в 3 реакции), который ингибирует изоцитрат-ДГ.

Следовательно, ацетил-КоА идет на синтез кетоновых тел.

Т.к. кетоновые тела – кислоты, они вызывают сдвиг кислотно-щелочного равновесия. Возникает ацидоз (из-за кетонемии ).

Они не успевают утилизироваться и появляются в моче как патологический компонент → кетоурия . Также появляется запах ацетона изо рта. Это состояние называется кетоз .

Обмен холестерола

Холестерол (Хс) – одноатомный спирт, в основе которого лежит циклопентанпергидрофенантреновое кольцо.

27 углеродных атомов.

Нормальная концентрация холестерола – 3,6-6,4 ммоль/л, допускается не выше 5.

· на построение мембран (фосфолипиды:Хс=1:1)

· синтез ЖчК

· синтез стероидных гормонов (кортизол, прогестерон, альдостерон, кальцитриол, эстроген)

· в коже под действием УФ используется для синтеза витамина D3 – холекальциферола.

В организме содержится около 140 г холестерола (в основном, в печени и мозге).

Суточная потребность – 0,5-1 г.

Содержится только в продуктах животного происхождения (яйца, сливочном масле, сыр, печень).

Хс не используется как источник энергии, т.к. его кольцо не расщепляется до СО 2 и Н 2 О и не выделяется АТФ (нет фермента).

Избыток Хс не выводится, не депонируется, откладывается в стенке крупных кровеносных сосудов в виде бляшек.

В организме синтезируется 0,5-1 г Хс. Чем больше потребляется его с пищей, тем меньше синтезируется в организме (в норме).

Хс в организме синтезируется в печени (80%), кишечнике (10%), коже (5%), надпочечниках, половых железах.

Даже у вегетарианцев может быть повышен уровень холестерина, т.к. для его синтеза необходимы только углеводы.

Биосинтез холестерола

Протекает в 3 стадии:

1) в цитоплазме - до образования мевалоновой кислоты (похоже на синтез кетоновых тел)

2) в ЭПР – до сквалена

3) в ЭПР – до холестерола

Около 100 реакций.

Регуляторный фермент – β-гидроксиметилглутарил-КоА-редуктаза (ГМГ-редуктаза). Статины, понижающие уровень холестерола, ингибируют этот фермент).

Регуляция ГМГ-редуктазы:

а) Ингибируется по принципу обратной отрицательной связи избытком пищевого холестерола

б) Может увеличиваться синтез фермента (эстроген) или снижаться (холестерол и ЖчК)

в) Фермент активируется инсулином путем дефосфорилирования

г) Если фермента много, то избыток может расщепляться протеолизом

Холестерол синтезируется из ацетил-КоА, полученного из углеводов (гликолиз → ОДПВК).

Образовавшийся холестерол в печени упаковывается вместе с жиром в ЛОНП незр. ЛОНП имеет апобелок В100, поступает в кровь и после присоединения апобелков С-II и Е превращается в ЛОНП зрелый, который поступает к ЛП-липазе. ЛП-липаза удаляет из ЛОНП жиры (50%), остается ЛНП, состоящий на 50-70% из эфиров холестерола.

· снабжает холестеролом все органы и ткани

· в клетках существуют рецепторы в В100, по которым они узнают ЛНП и поглощают его. Клетки регулируют поступление холестерола путем увеличения или уменьшения количества рецепторов к В100.

При сахарном диабете может происходить гликозилирование В100 (присоединение глюкозы). Следовательно, клетки не узнают ЛНП и возникает гиперхолестеролемия.

ЛНП может проникать в сосуды (атерогенная частица).

Более 50% ЛНП возвращаются в печень, где холестерол используется на синтез ЖчК и ингибирование собственного синтеза холестерола.

Существует механизм защиты от гиперхолестеролемии:

· регуляция синтеза собственного холестерола по принципу обратной отрицательной связи

· клетки регулируют поступление холестерола путем увеличения или уменьшения количества рецепторов к В100

· функционирование ЛВП

ЛВП синтезируется в печени. Имеет дисковидную форму, содержит мало холестерола.

Функции ЛВП :

· забирает избыток холестерола из клеток и других липопротеинов

· поставляет C-II и Е другим липопротеинам

Механизм функционирования ЛВП :

ЛВП имеет апобелок А1 и ЛХАТ (фермент лецитинхолестеринацилтрансфераза).

ЛВП выходит в кровь, и к нему подходит ЛНП.

По А1 ЛНП узнаются, что в них много холестерола, и активируют ЛХАТ.

ЛХАТ отщепляет ЖК от фосфолипидов ЛВП и переносит на холестерол. Образуются эфиры холестерола.

Эфиры холестерола гидрофобны, поэтому переходят внутрь липопротеина.

ТЕМА 8

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ: ОБМЕН БЕЛКОВ

Белки – это высокомолекулярные соединения, состоящие из α-аминокислотных остатков, которые соединены между собой пептидными связями.

Пептидные связи расположены между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой, следующей за ней, α-аминокислоты.

Функции белков (аминокислот) :

1) пластическая (основная функция) – из аминокислот синтезируются белки мышц, тканей, гемм, карнитин, креатин, некоторые гормоны и ферменты;

2) энергетическая

а) в случае избыточного поступления в организм с пищей (>100 г)

б) при длительном голодании

Особенность:

Аминокислоты, в отличие от жиров и углеводов, не депонируются .

Количество свободных аминокислот в организме – около 35 г.

Источники белка для организма :

· белки пищи (основной источник)

· белки тканей

· синтезированные из углеводов.

Азотистый баланс

Т.к. 95% всего азота организма принадлежит аминокислотам, то о их обмене можно судить по азотистому балансу – соотношение поступающего азота и выделенного с мочой.

ü Положительный – выделяется меньше, чем поступает (у детей, беременных, в период выздоровления после болезни);

ü Отрицательный – выделяется больше, чем поступает (пожилой возраст, период длительного заболевания);

ü Азотистое равновесие – у здоровых людей.

Т.к. белки пищи – основной источник аминокислот, то говорят о «полноценности белкового питания ».

Все аминокислоты делятся на:

· заменимые (8) – Ала, Гли, Сер, Про, Глу, Глн, Асп, Асн;

· частично заменимые (2) – Арг, Гис (синтезируются медленно);

· условно заменимые (2) – Цис, Тир (могут синтезироваться при условии поступления незаменимых – Мет → Цис, Фен →Тир);

· незаменимые (8) – Вал, Иле, Лей, Лиз, Мет, Тре, Фен, Тпф.

В связи с этим выделяются белки:

ü Полноценные – содержат все незаменимые аминокислоты

ü Неполноценные – не содержат Мет и Тпф.

Переваривание белков

Особенности:

1) Белки перевариваются в желудке, тонком кишечнике

2) Ферменты – пептидазы (расщепляют пептидные связи):

а) экзопептидазы – по краям с C-N-концов

б) эндопептидазы – внутри белка

3) Ферменты желудка и поджелудочной железы вырабатываются в неактивном виде – проферменты (т.к. они бы переваривали собственные ткани)

4) Ферменты активируются частичным протеолизом (отщепление части ппц)

5) Некоторые аминокислоты подвергаются гниению в толстом кишечнике

1. В ротовой полости не перевариваются.

2. В желудке на белки действует пепсин (эндопептидаза). Он расщепляет связи, образованные аминогруппами ароматических аминокислот (Тир, Фен, Тпф).

Пепсин вырабатывается главными клетками в виде неактивного пепсиногена .

Обкладочные клетки вырабатывают соляную кислоту.

Функции HCl :

ü Создает оптимум рН для пепсина (1,5 – 2,0)

ü Активирует пепсиноген

ü Денатурирует белки (облегчает действие фермента)

ü Бактерицидное действие

Активация пепсиногена

Пепсиноген под действием HCl превращается в активный пепсин путем отщепления 42 аминокислот медленно. Затем активный пепсин быстро активирует пепсиноген (аутокаталитически ).

Таким образом, в желудке белки расщепляются на короткие пептиды, которые поступают в кишечник.

3. В кишечнике на пептиды действуют ферменты поджелудочной железы.

Активация трипсиногена, химотрипсиногена, проэластазы, прокарбоксипептидазы

В кишечнике под действием энтеропептидазы активируется трипсиноген . Затем активированный из него трипсин активирует все остальные ферменты путем частичного протеолиза (химотрипсиноген → химотрипсин , проэластаза → эластаза , прокарбоксипептидаза → карбоксипептидаза ).

Трипсин расщепляет связи, образованные карбоксильными группами Лиз или Арг.

Химотрипсин – между карбоксильными группами ароматических аминокислот.

Эластаза - связи, образованные карбоксильными группами Ала или Гли.

Карбоксипептидаза расщепляет карбоксильные связи с С-конца.

Таким образом, в кишечнике образуются короткие ди-, трипептиды.

4. Под действием ферментов кишечника они расщепляются до свободных аминокислот.

Ферменты – ди-, три-, аминопептидазы . Они не обладают видовой специфичностью.

Образовавшиеся свободные аминокислоты всасываются вторично активным транспортом с Na + (против градиента концентрации).

5. Некоторые аминокислоты подвергаются гниению.

Гниение – ферментативный процесс расщепления аминокислот до малотоксичных продуктов с выделением газов (NH 3 , СН 4 , СО 2 , меркаптан).

Значение: для поддержания жизнедеятельности микрофлоры кишечника (при гниении Тир образует токсичные продукты фенол и крезол, Тпф – индол и скатол). Токсичные продукты поступают в печень и обезвреживаются.

Катаболизм аминокислот

Основной путь – дезаминирование – ферментативный процесс отщепления аминогруппы в виде аммиака и образования безазотистой кетокислоты.

· Окислительное дезаминирование

· Неокислительное (Сер, Тре)

· Внутримолекулярное (Гис)

· Гидролитическое

Окислительное дезаминирование (основное)

А) Прямое – только для Глу, т.к. для всех остальных ферменты неактивны.

Протекает в 2 стадии:

1) Ферментативное

2) Спонтанное

В итоге образуется аммиак и α-кетоглутарат.

Функции трансаминирования :

ü Т.к. реакция обратимая, служит для синтеза заменимых аминокислот;

ü Начальный этап катаболизма (трансаминирование не является катаболизмом, т.к. количество аминокислот не меняется);

ü Для перераспределения азота в организме;

ü Участвует в малат-аспартатном челночном механизме переноса водорода в гликолизе (6 реакция).

Для определения активности АЛТ и АСТ в клинике для диагностики заболеваний сердца и печени измеряют коэффициент де Ритиса:

При 0,6 – гепатит,

1 – цирроз,

10 – инфаркт миокарда.

Декарбоксилирование аминокислот – ферментативный процесс отщепления карбоксильной группы в виде СО 2 от аминокислот.

В результате образуются биологически активные вещества – биогенные амины .

Ферменты – декарбоксилазы.

Кофермент – пиридоксальфосфат ← вит. В6.

После оказания действия биогенные амины обезвреживаются 2 путями:

1) Метилирование (добавление CH 3 ; донор - SAM);

2) Окисление с отщеплением аминогруппы в виде NH 3 (фермент MAO – моноаминоксидаза).

Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме клетки. В митохондриях в основном происходит удлинение существующих цепей жирных кислот. Установлено, что в цитоплазме пече-ночных клеток синтезируется пальмитиновая кислота (16 углеродных атомов), а в митохондриях этих клеток из уже синтезированной в цитоплазме клетки пальмитиновой кислоты или из жирных кислот экзогенного происхождения, т.е. поступающих из кишечника, образуются жирные кислоты, содержащие 18, 20 и 22 углеродных атома. 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. Реакция протекает в два этапа: I – карбоксилирование биотина с участием АТФ и II – перенос карбоксильной группы на ацетил-КоА, в результате чего образуется малонил-КоА. Малонил-КоА представляет собой первый специфический продукт биосинтеза жирных кислот. В присутствии соответствующей ферментной системы малонил-КоА быстро превращается в жирные кислоты. Последовательность реакций, происходящих при синтезе жирных кислот:

Далее цикл реакций повторяется. По сравнению с β-окислением биосинтез жирных кислот имеет ряд характерных особенностей: синтез жирных кислот в основном осуществляется в цитозоле клетки, а окисление – в митохондриях; участие в процессе биосинтеза жирных кислот малонил-КоА, который образуется путем связывания СО2 (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.

50. Холестери́н -холестерол - органическое соединение, природ-ный жирный (липофильный) спирт, содержащийся в клеточных мембранах всех животных организмов за исключением безъядер-ных (прокариот). Нерастворим в воде, растворим в жирах и органических растворителях. Биологическая роль. Холестерин в составе клеточной плазматической мембраны играет роль модификатора бислоя, придавая ему определенную жесткость за счет увеличения плотности «упаковки» молекул фосфолипидов. Таким образом, холестерин - стабилизатор текучести плаз-матической мембраны. Холестерин открывает цепь биосинтеза стероидных половых гормонов и кортикостероидов, служит основой для образования жёлчных кислот и витаминов группы D, участвует в регулировании проницаемости клеток и предохраняет эритроциты крови от действия гемолитических ядов. Обмен холестерина. Свободный холестерин подвергается окислению в печени и органах, синтезирующих стероидные гормоны (надпочечники, семенники, яичники, плацента). Это единственный процесс необратимого выведения холестерина из мембран и липопротеидных комплексов. Ежедневно на синтез стероидных гормонов расходуется 2-4% холестерина. В гепатоцитах 60-80% холестерина окисляется до желчных кислот, которые в составе желчи выделяются в просвет тонкой кишки и участвуют в пищеварении (эмульгировании жиров). Вместе с желчными кислотами в тонкую кишку выделяется небольшое количество свободного холестерина, который частично удаляется с каловыми массами, а оставшаяся часть его растворяется и вместе с желчными кислотами и фосфолипидами всасывается стенками тонкой кишки. Желчные кислоты обеспечивают разложение жиров на составные части (эмульгиро-вание жиров). После выполнения этой функции 70-80% остав-шихся желчных кислот всасывается в конечном отделе тонкой кишки (подвздошной кишке) и поступает по системе воротной вены в печень. Здесь стоит отметить, что желчные кислоты имеют еще одну функцию: они являются важнейшим стимулятором поддержания нормальной работы (моторики) кишечника. В печени начинают синтезироваться не до конца сформировавшиеся (насцентные) липопротеиды высокой плотности. Окончательно ЛПВП формируются в крови из специ-альных белков (апобелков) хиломикронов, ЛПОНП и холесте-рина, поступающего из тканей, в том числе и из артериальной стенки. Более просто кругооборот холестерина можно объяснить следующим образом: холестерин в составе липопротеидов несет жир из печени к различным частям вашего тела, используя кровеносные сосуды в качестве транспортной системы. После доставки жира холестерин возвращается в печень и повторяет свою работу снова. Первичные желчные кислоты. (холевая и хенодезоксихолевая) синтезируются в гепатоцитах печени из холестерина. Вторичная: дезоксихолевая кислота (первоначально синтезируется в толстой кишке). Желч-ные кислоты образуются в митохондриях гепатоцитов и вне их из холестерина с участием АТФ. Гидроксилирование при образова-нии кислот осуществляется в эндоплазматическом ретикулуме гепатоцита. Первичный синтез желчных кислот ингибируется (тормозится) желчными кислотами, присутствующими в крови. Однако, если всасывание в кровь желчных кислот будет недоста-точно, например, из-за тяжёлого поражения кишечника, то печень, способная произвести не более 5 г желчных кислот в сутки, не сможет восполнить требуемое для организма количество желчных кислот. Желчные кислоты - главные участ-ники энтерогепатической циркуляции у человека. Вторичные желчные кислоты (дезоксихолевая, литохолевая, урсодезоксихолевая, аллохолевая и другие) образуются из первичных желчных кислот в толстой кишке под действием кишечной микрофлоры. Их количество невелико. Дезоксихолевая кислота всасывается в кровь и секретируется печенью в составе желчи. Литохолевая кислота всасывается значительно хуже, чем дезоксихолевая.

По сравнению с β-окислением биосинтез жирных кислот имеет ряд характерных особенностей: синтез жирных кислот в основном осуществляется в цитозоле клетки, а окисление...

Биосинтез триглицеридов (триацилглицеролов). Биосинтез жирных кислот Жир может синтезироваться как из продуктов распада жира, так и из углеводов.

БИОСИНТЕЗ ТРИГЛИЦЕРИДОВ. Синтез триглицеридов происходит из глицерина и жирных кислот (главным образом стеариновой, па.

Биосинтез жирных кислот . Синтез жирных кислот

Биосинтез жирных кислот . Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме клетки. В митохондриях в основном происходит удли.

Синтез жиров в организме происходит главным образом из углеводов, поступающих в избыточном количестве и не используемых для синтеза гликогена. Кроме этого, в синтезе липидов участвуют также и некоторые аминокислоты. По сравнению с гликогеном жиры представляют более компактную форму хранения энергии, поскольку они менее окислены и гидратированы. При этом количество энергии, резервированное в виде нейтральных липидов в жировых клетках, ничем не ограничивается в отличие от гликогена. Центральным процессом в липогенезе является синтез жирных кислот, поскольку они входят в состав практически всех групп липидов. Кроме этого, следует помнить, что основным источником энергии в жирах, способным трансформироваться в химическую энергию молекул АТФ, являются процессы окислительных превращений именно жирных кислот.

Биосинтез жирных кислот

Структурным предшественником для синтеза жирных кислот является ацетил-КоА. Это соединение образуется в матриксе митохондрий преимущественно из пирувата, в результате реакции его окислительного декарбоксили- рования, а также в процессе р-окислсния жирных кислот. Следовательно, углеводородные цепи собираются в ходе последовательного присоединения двухуглсродных фрагментов в форме ацетил-КоА, т. е. биосинтез жирных кислот происходит по той же схеме, но в противоположном направлении по сравнению с р-окислснием.

Однако существует ряд особенностей, различающих эти два процесса, благодаря которым они становятся термодинамически выгодными, необратимыми и по-разному регулируются.

Следует отметить основные отличительные особенности анаболизма жирных кислот.

Транспорт внутримитохондриального ацетил-КоА в цитоплазму. Ацетил-КоА образуется в клетке преимущественно в процессе внутри митохондриальных реакций окисления. Как известно, митохондриальная мембрана непроницаема для ацетил-КоА.

Известны две транспортные системы, обеспечивающие перенос ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму: ацил-карнитиновый механизм, описанный ранее, и цитрат-транспортная система (рис. 23.14).

Рис. 23.14.

В процессе транспорта внутри митохондриального ацетил-КоА в цитоплазму по нитратному механизму вначале происходит его взаимодействие с оксалоацетатом, который превращается в цитрат (первая реакция цикла три- карбоновых кислот, катализируемая ферментом цитратсинтазой; гл. 19). Специфической транслоказой образовавшийся цитрат переносится в цитоплазму, где расщепляется ферментом цитратлиазой при участии коэнзима А на окса- лоацстат и ацетил-КоА. Механизм этой реакции, сопряженной с гидролизом АТФ, приведен ниже:

В связи с тем что для оксалоацетата мембрана митохондрии непроницаема, уже в цитоплазме он восстанавливается посредством НАДН в малат, который при участии специфической транслоказы может вернуться в матрикс митохондрии, где окисляется до оксалатацетата. Таким образом, завершается так называемый челночный механизм транспорта ацетила через метохондриальную мембрану. Часть цитоплазматического малата подвергается окислительному дскарбоксилированию и превращается в пируват с помощью особого «малик»- фермента, коферментом которого является НАДФ + . Восстановленный НАДФН наряду с ацетил-КоА и С0 2 используется в синтезе жирных кислот.

Обратите внимание, что цитрат транспортируется в цитоплазму лишь тогда, когда его концентрация в матриксе митохондрии достаточно велика, например при избытке углеводов, когда цикл трикарбоновых кислот обеспечен ацетил-КоА.

Таким образом, цитратный механизм обеспечивает как транспорт аце- тил-КоА из митохондрии, так и примерно на 50% потребности в НАДФН, который используется в восстановительных реакциях синтеза жирных кислот. Кроме этого, потребности в НАДФН восполняются также за счет пентозофос- фатного пути окисления глюкозы.

Поскольку способность животных и человека запасать полисахариды довольно ограничена, глюкоза, получаемая в количествах, превышающих непосредственные энергетические потребности и "запасающую емкость" организма, может являться "строительным материалом" для синтеза жирных кислот и глицерина. В свою очередь жирные кислоты при участии глицерина превращаются в триглицериды, которые откладываются в жировых тканях.

Важным процессом является также биосинтез холестерина и других стеринов. Хотя в количественном отношении путь синтеза холестерина не столь важен, однако он имеет большое значение в связи с тем, что из холестерина в организме образуются многочисленные биологически активные стероиды.

Синтез высших жирных кислот в организме

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 в тканях протекает в цитоплазме клетки. В митохондриях же в основном происходит удлинение существующих цепей жирных кислот 1 .

1 Опыты in vitro показали, что изолированные митохондрии обладают ничтожной способностью включать меченую уксусную кислоту в жирные кислоты с длинной цепью. Например, установлено, что в цитоплазме печеночных клеток синтезируется главным образом пальмитиновая кислота, а в митохондриях печеночных клеток на основе уже синтезированной в цитоплазме клетки пальмитиновой кислоты или на основе жирных кислот экзогенного происхождения, т. е. поступивших из кишечника, образуются жирные кислоты, содержащие 18, 20 и 22 углеродных атомов. При этом реакции синтеза жирных кислот в митохондриях по существу являются обратными реакциями окисления жирных кислот.

Внемитохондриальный же синтез (основной, главный) жирных кислот по своему механизму резко отличается от процесса их окисления. Строительным блоком для синтеза жирных кислот в цитоплазме клетки служит ацетил-КоА, который в основном происходит от митохондриального ацетил-КоА. Установлено также, что для синтеза жирных кислот важно наличие в цитоплазме двуокиси углерода или иона бикарбоната. Кроме того, было выявлено, что цитрат стимулирует синтез жирных кислот в цитоплазме клетки. Известно, что образующийся в митохондриях в процессе окислительного декарбоксилирования ацетил-КоА не может диффундировать в цитоплазму клетки, ибо митохондриальная мембрана непроницаема для данного субстрата. Показано, что митохондриальный ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом, в результате образуется цитрат, который свободно проникает в цитоплазму клетки, где расщепляется до ацетил-КоА и оксалоацетата:

Следовательно, в данном случае цитрат выступает в роли переносчика ацетильного радикала.

Есть еще один путь переноса внутримитохондриального ацетил-КоА в цитоплазму клетки. Это - путь с участием карнитина. Выше указывалось, что карнитин играет роль переносчика ацильных групп из цитоплазмы 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 цитоплазму клетки. Однако, когда речь идет о синтезе жирных кислот, данный путь переноса ацетил-КоА не является главным.

Важнейшим шагом в понимании процесса синтеза жирных кислот было открытие фермента ацетил-КоА-карбоксилазы. Этот сложный фермент, содержащий биотин, катализирует АТФ-за-висимый синтез малонил-КоА (НООС-СН 2 -CO-S-КоА) из ацетил-КоА и СO 2 .

Данная реакция протекает в два этапа:

Установлено, что функцию активатора ацетил-КоА-карбоксилазной реакции выполняет цитрат.

Малонил-КоА представляет собой первый специфический продукт биосинтеза жирных кислот. В присутствии соответствующей ферментативной системы малонил-КоА (который в свою очередь образуется из ацетил-КоА) быстро превращается в жирные кислоты.

Ферментная система, синтезирующая высшие жирные кислоты, состоит из нескольких ферментов, определенным образом связанных между собой.

В настоящее время процесс синтеза жирных кислот детально изучен у Е. coli и некоторых других микроорганизмов. Мультиферментный комплекс, именуемый синтетазой жирных кислот, состоит у Е. coli из семи ферментов, связанных с так называемым ацилпереносящим белком (АПБ). Этот белок относительно термостабилен, имеет свободную HS-rpynny и вовлекается в процесс синтеза высших жирных кислот практически на всех его этапах. Относительная молекулярная масса АПБ составляет около 10 000 дальтон.

Ниже приводится последовательность реакций, происходящих при синтезе жирных кислот:

Далее цикл реакций повторяется. Допустим, что идет синтез пальмитиновой кислоты (C 16); в этом случае образованием бутирил-АПБ завершается лишь первый из семи циклов, в каждом из которых началом является присоединение молекулы малонил-АПБ к карбоксильному концу растущей цепи жирной кислоты. При этом отщепляется молекула HS-АПБ и дистальная карбоксильная группа малонил-АПБ в виде СО 2 . 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 написать так:

Или, учитывая, что на образование одной молекулы малонил-КоА из ацетил-КоА расходуется одна молекула АТФ и одна молекула СО 2 , суммарное уравнение можно представить в следующем виде:

Основные этапы биосинтеза жирных кислот можно представить в виде схемы.

По сравнению с β-окислением биосинтез жирных кислот имеет ряд характерных особенностей:

синтез жирных кислот в основном осуществляется в цитоплазме клетки, а окисление - в митохондриях;
участие в процессе биосинтеза жирных кислот малонил-КоА, который образуется путем связывания СO 2 (в присутствии биотин-фермента и АТФ) с ацетил-КоА;
на всех этапах синтеза жирных кислот принимает участие ацилпереносящий белок (HS-АПБ);
необходимость для синтеза жирных кислот кофермента НАДФН 2 . Последний в организме образуется частью (на 50%) в реакциях пентозного цикла (гексозомонофосфатного "шунта"), частью - в результате восстановления НАДФ малатом (яблочная кислота + НАДФ-пировиноградная кислота + СО 2 + НАДФН 2);
восстановление двойной связи в еноил-АПБ-редуктазной реакции происходит при участии НАДФН 2 и фермента, простетической группой которого является флавинмононуклеотид (ФМН);
в процессе синтеза жирных кислот образуются гидроксипроизводные, относящиеся по своей конфигурации к D-ряду жирных кислот, а при окислении жирных кислот - гидроксипроизводные L-ряда.

Образование ненасыщенных жирных кислот

В тканях млекопитающих присутствуют ненасыщенные жирные кислоты, которые можно отнести к четырем семействам, различающимся длиной алифатической цепи между концевой метильной группой и ближайшей двойной связью:

Установлено, что две наиболее распространенные мононасыщенные жирные кислоты - пальмитоолеиновая и олеиновая - синтезируются из пальмитиновой и стеариновой кислот. Двойная связь в молекулу указанных кислот вводится в микросомах клеток печени и жировой ткани при участии специфической оксигеназы и молекулярного кислорода. В этой реакции одна молекула кислорода используется в качестве акцептора двух пар электронов, одна пара из которых принадлежит субстрату (Ацил-КоА), а другая - НАДФН 2:

Вместе с тем ткани человека и ряда животных неспособны синтезировать линолевую и линоленовую кислоты, а должны получать их с пищей (синтез этих кислот осуществляется растениями). В связи с этим линолевую и линоленовую кислоты, содержащие соответственно две и три двойные связи, называют незаменимыми жирными кислотами.

Все другие полиненасыщенные кислоты, обнаруженные у млекопитающих, образуются из четырех предшественников (пальмитоолеиноэой, олеиновой, линолевой и линоленовой киолот) путем дальнейшего удлинения цепи и (или) введения новых двойных связей. Происходит этот процесс при участии митохондриальных и микросомных ферментов. Например, синтез арахидоновой кислоты происходит по следующей схеме:

Биологическая роль полиненасыщенных жирных кислот в значительной мере прояснилась в связи с открытием нового класса физиологически активных соединений - простагландинов.

Биосинтез триглицеридов

Есть основания считать, что скорость биосинтеза жирных кислот во многом определяется скоростью образования триглицеридов и фосфолипидов, ибо свободные жирные кислоты присутствуют в тканях и плазме крови в небольших количествах и в норме не накапливаются.

Синтез триглицеридов происходит из глицерина и жирных кислот (главным образом стеариновой, пальмитиновой и олеиновой). Путь биосинтеза триглицеридов в тканях протекает через образование глицерол-3-фосфата как промежуточного соединения. В почках, а также в стенке кишечника, где активность фермента глицеролкиназы высока, глицерин фосфорилируeтся АТФ с образованием глицерол-3-фосфата:

В жировой ткани и мышцах вследствие очень низкой активности глицеролкиназы образование глицерол-3-фосфата в основном связано с гликолизом или гликогенолизом 1 . 1 В тех случаях, когда содержание глюкозы в жировой ткани понижено (например, при голодании), образуется лишь незначительное количество глицерол-3-фосфата и освободившиеся в ходе липолиза свободные жирные кислоты не могут быть использованы на ресинтез триглицеридов, поэтому жирные кислоты покидают жировую ткань. Напротив, активация гликолиза в жировой ткани способствует накоплению в ней триглицеридов, а также входящих в их состав жирных кислот. Известно, что в процессе гликолитического распада глюкозы образуется диоксиацетонфосфат. Последний в присутствии цитоплазматической НАД-зависимой глицеролфосфатдегидрогеназы способен превращаться в глицерол-3-фосфат:

В печени же наблюдаются оба пути образования глицерол-3-фосфата.

Образовавшийся, тем или иным путем глицерол-3-фосфат ацилируется двумя молекулами КоА-производного жирной кислоты (т. е. "активными" формами жирной кислоты) 2 . 2 У некоторых микроорганизмов, например у Е. coli, донором ацильной группы являются не КоА-пронзводные, а АПБ-производные жирной кислоты. В результате образуется фосфатидная кислота:

Заметим, что хотя фосфатидная кислота и присутствует в клетках в чрезвычайно малых количествах, однако она является весьма важным промежуточным продуктом, общим для биосинтеза триглицеридов и глицерофосфолипидов (см. схему).

Если идет синтез триглицеридов, то происходит дефосфорилирование фосфатидной кислоты с помощью специфической фосфатазы (фосфатидатфосфатазы) и образование 1,2-диглицерида:

Биосинтез триглицеридов завершается этерификацией образовавшегося 1,2-диглицерида третьей молекулой ацил-КоА:

Биосинтез глицерофосфолипидов

Синтез наиболее важных глицерофосфолипидов локализован главным образом в эндоплазматической сети клетки. Сначала фосфатидная кислота в результате обратимой реакции с цитидинтрифосфатом (ЦТФ) превращается в цитидиндифосфатдиглицерид (ЦДФ-диглицерид):

Затем в последующих реакциях, каждая из которых катализируется соответствующим ферментом, цитидинмонофосфат вытесняется из молекулы ЦДФ-диглицерида одним из двух соединений - серином или инозитом, образуя фосфатидилсерин или фосфатидилинозит, или 3-фосфатидил-глицерол-1-фосфат. В качестве примера приводим образование фосфатидилсерина:

В свою очередь фосфатидилсерин может декарбоксилироваться с образованием фосфатидилэтаноламина:

Фосфатидмлэтаноламин является предшественником фосфатидилхолина. В результате последовательного переноса трех метильных групп от трех молекул S-аденозилметионина (донора метальных групп) к аминогруппе остатка этаноламина образуется фосфатидилхолин:

Существует еще один путь синтеза фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина в клетках животных. В этом пути также используется ЦТФ в качестве переносчика, но не фосфатидной кислоты, а фосфорилхолина или фосфорилэтаноламина (схема).

Биосинтез холестерина

Еще в 60-х годах нынешнего столетия Блох и сотр. в опытах с использованием ацетата, меченного 14 С по метильной и карбоксильной группе, показал, что оба атома углерода уксусной кислоты включаются в холестерин печени приблизительно в одинаковых количествах. Кроме того, было доказано, что все атомы углерода холестерина происходят из ацетата.

В дальнейшем благодаря работам Линена, Редней, Поляка, Корнфорта, А. Н. Климова и других исследователей были выяснены основные детали ферментативного синтеза холестерина, насчитывающего более 35 энзиматических реакций. В синтезе холестерина можно выделить три основные стадии: первая - превращение активного ацетата в мевалоновую кислоту, вторая - образование сквалена из мевалоновой кислоты, третья - циклизация сквалена в холестерин.

Вначале рассмотрим стадию превращения активного ацетата в мевалоновую кислоту. Начальным этапом синтеза мевалоновой кислоты из ацетил-КоА является образование ацетоацетил-КоА посредством обратимой тиолазной реакции:

Затем последующая конденсация ацетоацетил-КоА с третьей молекулой ацетил-КоА при участии гидроксиметилглутарил-КоА-синтазы (ГМГ-КоА-синтазы) дает образование β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА:

Заметим, что эти первые этапы синтеза мевалоновой кислоты нами уже рассматривались, когда речь шла об образовании кетоновых тел. Далее β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА под влиянием НАДФ-зависимой гидроксиметилглутарил-КоА-редуктазы (ГМГ-КоА-редуктазы) в результате восстановления одной из карбоксильных групп и отщепления HS-KoA превращается в мевалоновую кислоту:

ГМГ-КоА-редуктазная реакция - первая практически необратимая реакция в цепи биосинтеза холестерина и протекает она со значителоной потерей свободной энергии (около 33,6 кДж). Установлено, что данная реакция лимитирует скорость биосинтеза холестерина.

Наряду с классическим путем биосинтеза мевалоновой кислоты имеется второй путь, в котором в качестве промежуточного субстрата образуется не β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА, а β-гидрокси-β-метилглутарнл-S-АПБ. Реакции этого пути идентичны, по-видимому, начальным стадиям биосинтеза жирных кислот вплоть до образования ацетоацетил-S-АПБ. В образовании мевалоновой кислоты по этому пути принимает участие ацетил-КоА-карбоксилаза - фермент, осуществляющий превращение ацетил-КоА в малонил-КоА. Оптимальное соотношение малонил-КоА и ацетил-КоА для синтеза мевалоновой кислоты: две молекулы ацетил-КоА на одну молекулу малонил-КоА.

Участие малонил-КоА, основного субстрата биосинтеза жирных кислот, в образовании мевалоновой кислоты и различных полиизопреноидов показано для ряда биологических систем: печени голубя и крысы, молочной железы кролика, бесклеточных дрожжевых экстрактов. Этот путь биосинтеза мевалоновой кислоты отмечается преимущественно в цитоплазме клеток печени. Существенную роль в образовании мевалоната в данном случае играет гидроксиметилглутарил-КоА-редуктаза, обнаруженная в растворимой фракции печени крысы и неидентичная микросомному ферменту по ряду кинетических и регуляторных свойств. Известно, что микросомная гидроксиметилглутарил-КоА-редуктаза является основным звеном регуляции пути биосинтеза мевалоновой кислоты из ацетил-КоА с участием ацетоацетил-КоА-тиолазы и ГМГ-КоА-синтазы. Регуляция второго пути биосинтеза мевалоновой кислоты при ряде воздействий (голодание, кормление холестерином, введение поверхностно-активного вещества - тритона WR-1339) отличается от регуляции первого пути, в котором принимает участие микросомная редуктаза. Эти данные свидетельствуют о существовании двух автономных систем биосинтеза мевалоновой кислоты. Физиологическая роль второго пути изучена неокончательно. Полагают, что он имеет определенное значение не только для синтеза веществ нестероидной природы, таких, как боковая цепь убихинона и уникального основания N 6 (Δ 2 -изопентил)-аденозина некоторых тРНК, но и для биосинтеза стероидов (А. Н. Климов, Э. Д. Полякова).

Во второй стадии ситеза холестерина мевалоновая кислота превращается в сквален. Реакции второй стадии начинаются с фосфорилирования мевалоновой кислоты с помощью АТФ. В результате образуется 5"-пирофосфорный эфир, а затем 5"-пирофосфорный эфир мевалоновой кислоты:

5"-пирофосфомевалоновая кислота в результате последующего фосфорилирования третичной гидроксильной группы образует нестабильный промежуточный продукт - 3"-фосфо-5"-пирофосфомевалоновую кислоту, которая, декарбоксилируясь и теряя фосфорную кислоту, превращается в изопентенилпирофосфат. Последний изомеризуется в диметилаллилпирофосфат:

Затем эти два изомерных изопентенилпирофосфата (диметилаллилпирофосфат и изопентенилпирофосфат) конденсируются с высвобождением пирофосфата и образованием геранилпирофосфата. К геранилпирофосфату вновь присоединяется изопентенилпирофосфат, давая в результате этой реакции фарнезилпирофосфат.

Субстратом синтеза ВЖК является ацетил-КоА.Однако,в ходе синтеза жирных кислот (ЖК) в каждом цикле удлинения используется не сам ацетил-КоА, а его производное - малонил-КоА.

Эту реакцию катализирует фермент ацетил-КоА-карбоксилаза -ключевой фермент в мультиферментной системе синтеза ЖК. Активность фермента регулируется по типу отрицательной обратной связи. Ингибитором является продукт синтеза: ацил-КоА с длинной цепью (n=16) - пальмитоил-КоА. Активатором является цитрат. В состав небелковой части этого фермента входит витамин H (биотин).

В дальнейшем в ходе синтеза жирных кислот происходит поэтапное удлинение молекулы ацил-КоА на 2 углеродных атома за каждый этап за счет малонил-КоА, который в этом процессе удлинения теряет СО 2 .

После образования малонил-КоА основные реакции синтеза жирных кислот катализируются одним ферментом - синтетазой жирных кислот (фиксирован на мембранах эндоплазматического ретикулума). Синтетаза жирных кислот содержит 7 активных центров и АПБ (ацилпереносящий белок). Участок, связывающий малонил-КоА, содержит небелковый компонент – витамин B 3 (пантотеновую кислоту). Последовательность одного цикла реакций синтеза ВЖК прпедставлен на рис.45.

Рис.45. Реакции синтеза высших жирных кислот

После окончания цикла ацил-АПБ вступает в следующий цикл синтеза. К свободной SH-группе ацилпереносящего белка присоединяется новая молекула малонил-КоА. Затем происходит отщепление ацильного остатка, он переносится на малонильный остаток (с одновременным декарбоксилированием) и цикл реакций повторяется.

Таким образом, углеводородная цепочка будущей жирной кислоты постепенно растет (за каждый цикл – на два углеродных атома). Это происходит до момента, пока она не удлинится до 16 углеродных атомов (в случае синтеза пальмитиновой кислоты) или более (синтез других жирных кислот). Вслед за этим происходит тиолиз и образуется в готовом виде активная форма жирной кислоты – ацил-КоА.

Для нормального течения синтеза высших жирных кислот необходимы следующие условия:

1) Поступление углеводов, при окислении которых образуются необходимые субстраты и НАДФН 2 .

2) Высокий энергетический заряд клетки – высокое содержание АТФ, которое обеспечивает выход цитрата из митохондрий в цитоплазму.

Сравнительная характеристика b-окисления и синтеза высших жирных кислот:

1 . b-окисление протекает в митохондриях, а синтез жирных кислот протекает в цитоплазме на мембранах эндоплазматического ретикулума. Однако, образовавшийся в митохондриях ацетил-КоА через мембраны сам проходить не может. Поэтому существуют механизмы транспорта ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму с участием ферментов цикла Кребса (рис.46).

Рис.46. Механизм транспорта ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму.

Ключевыми ферментами ЦТК являются цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа. Основные аллостерические регуляторы этих ферментов - это АТФ и АДФ. Если в клетке много АТФ, то АТФ выступает как ингибитор этих ключевых ферментов. Однако изоцитратдегидрогеназа угнетается АТФ сильнее, чем цитратсинтетаза. Это приводит к накоплению цитрата и изоцитрата в матриксе митохондрии. При накоплении цитрат выходит из митохондрии в цитоплазму. В цитоплазме есть фермент цитратлиаза. Этот фермент расщепляет цитрат на ЩУК и ацетил-КоА.

Таким образом, условием для выхода ацетил-КоА из митохондрии в цитоплазму является хорошее обеспечение клетки АТФ. Если АТФ в клетке мало, то ацетил-КоА расщепляется до СО 2 и Н 2 О.

2 . В ходе b-окисления промежуточные продукты связаны с HS-КоА, а при синтезе жирных кислот промежуточные продукты связаны с особым ацил-переносящим белком (АПБ). Это сложный белок. Его небелковая часть похожа по строению на КоА и состоит из тиоэтиламина, пантотеновой кислоты (витамин В 3) и фосфата.

3 . При b-окислении в качестве окислителя используются НАД и ФАД. При синтезе ЖК нужен восстановитель - используется НАДФ*Н 2 .

В клетке существует 2 основных источника НАДФ*Н 2 для синтеза жирных кислот:

а) пентозофосфатный путь распада углеводов;