Болит живот 

Синтез пальмитиновой кислоты. Биосинтез жирных кислот, последовательность реакций. Регуляция биосинтеза Биосинтез жирных кислот

Биосинтез жирных кислот наиболее активно происходит в цитозоле клеток печени, кишечника, жировой ткани в состоянии покоя или после еды .

Условно можно выделить 4 этапа биосинтеза:

1. Образование ацетил-SКоА из глюкозы, других моносахаров или кетогенных аминокислот.

2. Перенос ацетил-SКоА из митохондрий в цитозоль :

  • может быть в комплексе с карнитином , подобно тому как переносятся внутрь митохондрии высшие жирные кислоты, но здесь транспорт идет в другом направлении,
  • обычно в составе лимонной кислоты , образующейся в первой реакции ЦТК.

Поступающий из митохондрий цитрат в цитозоле расщепляется АТФ-цитрат-лиазой до оксалоацетата и ацетил-SКоА.

Образование ацетил-SКоА из лимонной кислоты

Оксалоацетат в дальнейшем восстанавливается до малата, и последний либо переходит в митохондрии (малат-аспартатный челнок), либо декарбоксилируется в пируват малик-ферментом ("яблочный" фермент).

3. Образование малонил-SКоА из ацетил-SКоА.

Карбоксилирование ацетил-SКоА катализируется ацетил-SКоА-карбоксилазой , мульферментным комплексом из трех ферментов.

Образование малонил-SКоА из ацетил-SКоА

4. Синтез пальмитиновой кислоты.

Осуществляется мультиферментным комплексом "синтаза жирных кислот " (синоним пальмитатсинтаза ) в состав которого входит 6 ферментов и ацил-переносящий белок (АПБ).

Ацил-переносящий белок включает производное пантотеновой кислоты – 6-фосфопантетеин (ФП), имеющий HS-группу, подобно HS-КоА. Один их ферментов комплекса, 3-кетоацил-синтаза , также имеет HS-группу в составе цистеина. Взаимодействие этих групп обусловливает начало и продолжение биосинтеза жирной кислоты, а именно пальмитиновой кислоты. Для реакций синтеза необходим НАДФН.

Активные группы синтазы жирных кислот

В первых двух реакциях последовательно присоединяются малонил-SКоА к фосфопантетеину ацил-переносящего белка и ацетил-SКоА к цистеину 3-кетоацилсинтазы.

3-Кетоацилсинтаза катализирует третью реакцию – перенос ацетильной группы на С 2 малонила с отщеплением карбоксильной группы.

Далее кетогруппа в реакциях восстановления (3-кетоацил-редуктаза ), дегидратации (дегидратаза ) и опять восстановления (еноил-редуктаза ) превращается в метиленовую с образованием насыщенного ацила, связанного с фосфопантетеином .

Ацилтрансфераза переносит полученный ацил на цистеин 3-кетоацил-синтазы , к фосфопантетеину присоединяется малонил-SКоА и цикл повторяется 7 раз до образования остатка пальмитиновой кислоты. После этого пальмитиновая кислота отщепляется шестым ферментом комплекса тиоэстеразой .

Реакции синтеза жирных кислот

Удлинение цепи жирных кислот

Синтезированная пальмитиновая кислота при необходимости поступает в эндоплазматический ретикулум. Здесь с участием малонил-S-КоА и НАДФН цепь удлиняется до С 18 или С 20 .

Удлиняться могут и ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая) с образованием производных эйкозановой кислоты (С 20). Но двойная связь животными клетками вводится не далее 9 атома углерода , поэтому ω3- и ω6-полиненасыщенные жирные кислоты синтезируются только из соответствующих предшественников.

Например, арахидоновая кислота может образоваться в клетке только при наличии линоленовой или линолевой кислот. При этом линолевая кислота (18:2) дегидрируется до γ-линоленовой (18:3) и удлиняется до эйкозотриеновой кислоты (20:3), последняя далее вновь дегидрируется до арахидоновой кислоты (20:4). Так формируются жирные кислоты ω6-ряда

Для образования жирных кислот ω3-ряда, например, тимнодоновой (20:5), необходимо наличие α-линоленовой кислоты (18:3), которая дегидрируется (18:4), удлиняется (20:4) и опять дегидрируется (20:5).

20.1.1. Высшие жирные кислоты могут быть синтезированы в организме из метаболитов углеводного обмена. Исходным соединением для этого биосинтеза является ацетил-КоА , образующийся в митохондриях из пирувата - продукта гликолитического распада глюкозы. Место синтеза жирных кислот - цитоплазма клеток, где имеется мультиферментный комплекссинтетаза высших жирных кислот . Этот комплекс состоит из шести ферментов, связанных с ацилпереносящим белком , который содержит две свободные SH-группы (АПБ-SH). Синтез происходит путём полимеризации двууглеродных фрагментов, конечным продуктом его является пальмитиновая кислота - насыщенная жирная кислота, содержащая 16 атомов углерода. Обязательными компонентами, участвующими в синтезе, являются НАДФН (кофермент, образующийся в реакциях пентозофосфатного пути окисления углеводов) и АТФ.

20.1.2. Ацетил-КоА поступает из митохондрий в цитоплазму при помощи цитратного механизма (рисунок 20.1). В митохондриях ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом (фермент -цитратсинтаза ), образующийся цитрат переносится через митохондриальную мембрану при помощи специальной транспортной системы. В цитоплазме цитрат реагирует с HS-КоА и АТФ, вновь распадаясь на ацетил-КоА и оксалоацетат (фермент - цитратлиаза ).

Рисунок 20.1. Перенос ацетильных групп из митохондрий в цитоплазму.

20.1.3. Начальной реакцией синтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА (рисунок 20.2). Фермент ацетил-КоА-карбоксилаза активируется цитратом и ингибируется КоА-производными высших жирных кислот.


Рисунок 20.2. Реакция карбоксилирования ацетил-КоА.

Затем ацетил-КоА и малонил-КоА взаимодействуют с SH-группами ацилпереносящего белка (рисунок 20.3).


Рисунок 20.3. Взаимодействие ацетил-КоА и малонил-КоА с ацилпереносящим белком.

Рисунок 20.4. Реакции одного цикла биосинтеза жирных кислот.

Продукт реакции взаимодействует с новой молекулой малонил-КоА и цикл многократно повторяется вплоть до образования остатка пальмитиновой кислоты.

20.1.4. Запомните основные особенности биосинтеза жирных кислот по сравнению с β-окислением:

  • синтез жирных кислот в основном осуществляется в цитоплазме клетки, а окисление - в митохондриях;
  • участие в процессе связывания СО2 с ацетил-КоА;
  • в синтезе жирных кислот принимает участие ацилпереносящий белок, а в окислении - коэнзим А;
  • для биосинтеза жирных кислот необходимы окислительно-восстановительные коферменты НАДФН, а для β-окисления - НАД+ и ФАД.

Биосинтез жиров

Включает в себя биосинтез жирных кислот и триацилглицеридов (собственно, жиров).

Биосинтез жирных кислот происходит при высокой концентрации глюкозы в крови в основном в печени и в жировой ткани. В этот период активируется гликолиз, в результате которого образуются субстраты для синтеза жирных кислот: ацетил КоА, АТФ, (НАДФ·Н + Н +) и другие. Основным строительным блоком для биосинтеза жирных кислот служит ацетил КоА, а главным конечным продуктом является пальмитиновая кислота С15Н31СООН.

Другие жирные кислоты образуются, как правило, путём модификации молекулы пальмитиновой кислоты – наращиванием цепи и дегидрированием. В последнем случае образуются непредельные кислоты.

Синтез пальмитиновой кислоты происходит не в митохондриях, где происходит катаболизм жирных кислот, а в цитозоле. Основным ферментом этого биосинтеза служит мультиферментный комплекс пальметилсинтетаза . Так как мембрана митохондрии непроницаема для ацетил КоА, то начальным этапом биосинтеза является перенос ацетил КоА через митохондриальную мембрану с помощью цитратпируватного челночного механизма.

Известно, что первой реакцией цикла Кребса является конденсация ацетил КоА с щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом) с образованием цитрата (лимонной кислоты). Часть образовавшихся цитрат-ионов не вовлекается в дальнейшие реакции цикла Кребса, а переносятся через митохондриальную мембрану в цитозоль, где в присутствии цитратлиазы и при участии АТФ и HS-KoA вновь образует ацетил-КоА и ЩУК:

Цитрат + HS-KoA + АТФ → Оксалоацетат + Ацетил-КоА + АДФ + Н 3 РО 4

Возвращение оксалоацетата в митохондрии осуществляется с помощью двух посредников − малата и пирувата

Восстановление оксалоацетата в малат в цитозоле является частью малатаспартатного челночного механизма переноса восстановленного (НАД∙Н + Н +) из цитозоля в митохондрии:

Оксалоацетат + НАД∙Н + Н + ↔ Малат + НАД

Однако образовавшийся малат не переносится с\через мембрану, а сразу окисляется с одновременным декарбоксилированием в пируват:

Малат + НАДФ + → Пируват + СО 2 + НАДФ∙Н + Н +

Все описанные превращения изображены на схеме:

Таким образом, перенос одной молекулы ацетил КоА из митохондрии в цитозоль сопровождается образованием одной молекулы восстановленной формы (НАДФ·Н + Н +), который необходим для многих биосинтезов, а пируват, который дифундирует в митохондрии, затем карбоксилируется с образованием оксалоацетата.

Собственно синтез пальмитиновой кислоты начинается с карбоксилирования ацетил КоА. Эта реакция протекает в присутствии фермента, простетической группой которого является биотин:



Эта реакция является ключевой в синтезе жирных кислот. Дальнейшие превращения объединяются в циклы по шесть реакций, и в результате завершения каждого цикла углеродная цепь будущей молекулы удлиняется на два углеродных атома.

Рассмотрим реакции, протекающие в первом цикле синтеза жирных кислот.

В первых двух реакциях происходит перенос ацетильного и малонильного фрагментов на ацилпереносящий белок (АПБ).

АПБ представляет собой полипептидную цепь, состоящую из 77 аминокислотных остатков и бокового ответвления, повторяющую по существу структуру кофермента А:

Реакции переноса ацетильного и малонильного фрагментов с ацетил-КоА (1) и малонил-КоА (2) катализируются ацилтрансферазами.

3-ья реакция состоит в образовании ацетоацетил-АПБ из ацетил-АПБ и маонил-АПБ с одновременным декарбоксилированием.

В дальнейшем в три этапа (реакции 4-6) происходит восстановление образовавшегося ацетоацетил-АПБ.

В ходе 4-ой реакции одна из двух карбонильных групп восстанавливается до гидроксильной и образуется дегидроксибутерил-АПБ. Эта реакция является НАДФ–зависимой, т.е. восстановителем служит восстановленная форма НАДФ:

5-ая реакции - реакция дегидратации, ферментом этой реакции является гидроксиацил-АПБ-дегидратаза:

Следующая реакция восстановления (6) – реакция гидрирования – также требует участия НАДФ∙Н + Н + . Катализируется она еноил-АПБ-редуктазой, продуктом реакции являетотся бутирилАПБ:

Все реакции цикла элонгации (удлинения) цепи жирных кислот катализируются мультиферментным комплексом. Он состоит из двух полипептидных цепей. Одна из них (субъединица А) включает АПБ, оксоацил-АПБ-синтазу и оксоацил-редуктазу. В составе субъединицы Б находятся 4 других фермента. Согласованная работа мультиферментного комплекса обусловлена наличием в молекуле АПБ большого рычага – гибкой и достаточно длинной цепочки атомов, соединяющей «якорную» HS-группу с полипептидной цепью

Синтез пальмитиновой кислоты включает 7 циклов. Во второй цикл вместо ацетил-АПБ вступает уже бутирил-АПБ (С 4 -ацил), и в результате образуется каприл-АПБ (С 6 -ацил) и т.д. (схема):

1-ый цикл: малонил-АПБ + ацетил_АПБ

2-ой цикл: малонил-АПБ + бутирил-АПБ

3-ий цикл: малонил-АПБ + каприл-АПБ

4-ый цикл: малонил-АПБ + С 8 -ацил-АПБ

5-ый цикл: малонил-АПБ + С 10 -ацил-АПБ

6-ой цикл: малонил-АПБ + С 12 -ацил-АПБ

7-ой цикл: малонил-АПБ + С 14 -ацил-АПБ

пальмитил-АПБ

Суммарное уравнение биосинтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА в результате реакций семи циклов записывается следующим образом:

8 ацетил-Коа + 7 АТФ + 14 (НАДФ∙Н + Н +) → пальмитат + 14 НАДФ +

8 НS-КоА + 7 АДФ + 7 Н 3 РО 4

Из пальмитиновой кислоты путем присоединения дополнительно одной или нескольких молекул ацетил-КоА синтезируюся молекулы с более длинными цепями, а путем дегидрирования – ненасыщенные кислоты. «Доработка» молекул пальмитиновой кислоты осуществляется с помощью ферментов эндоплазматической сети, но может проходить и в митохондриях. Дегидрирование насыщенной жирной кислоты происходит параллельно с окислением НАДФ под действием молекулярного кислорода:

С 15 Н 31 СОО-S-КоА + НАДФ∙Н + Н + + О 2 →СН 3 -(СН 2) 5 -СН=СН-(СН 2) 7 -СОО-S-КоА +НАДФ + + 2 Н 2 О

Дегидрирование насыщенных жирных кислот происходит в клетках печени и жировой ткани. В организме человека отсутствуют ферменты, позволяющие дегидрировать фрагменты –СН 2 -СН 2 -, находящиеся дальше С 9 , поэтому диеновая линолевая кислота

С 18 Н 32 СООН и триеновая линоленовая кислота С 18 Н 30 СООН в организме не синтезируются.

Образование малонил-КоА

Первая реакция синтеза ЖК -- превращение ацетил-КоА в малонил-КоА. Это регуляторная реакция в синтезе ЖК катализируется ацетил-КоА-карбоксилазой.

Ацетил-КоА-карбоксилаза состоит из нескольких субъединиц, содержащих биотин.

Реакция протекает в 2 стадии:

  • 1) СО 2 + биотин + АТФ > биотин-СООН + АДФ + Фн
  • 2) ацетил-КоА + биотин-СООН > малонил-КоА + биотин

Ацетил-КоА-карбоксилаза регулируется несколькими способами:

  • 1) Ассоциация/диссоциация комплексов субъединиц фермента. В неактивной форме ацетил-КоА-карбоксилаза представляет собой комплексы, состоящих из 4 субъединиц. Цитрат стимулирует объединение комплексов, в результате чего активность фермента увеличивается. Пальмитоил-КоА вызывает диссоциацию комплексов и снижение активности фермента;
  • 2) Фосфорилирование/дефосфорилирование ацетил-КоА-карбоксилазы. Глюкагон или адреналин через аденилатциклазную систему стимулируют фосфорилирование субъединиц ацетил-КоА карбоксилазы, что приводит к ее инактивации. Инсулин активирует фосфопротеинфосфатазу, ацетил-КоА карбоксилаза дефосфорилируется. Затем под действием цитрата происходит полимеризация протомеров фермента, и он становится активным;
  • 3) Длительное потребление богатой углеводами и бедной липидами пищи приводит к увеличению секреции инсулина, который индукцирует синтез ацетил-КоА-карбоксилазы, пальмитатсинтазы, цитратлиазы, изоцитратдегидрогеназы и ускоряет синтез ЖК и ТГ. Голодание или богатая жирами пища приводит к снижению синтеза ферментов и, соответственно, ЖК и ТГ.

Образование пальмитиновой кислоты

После образования малонил-КоА синтез пальмитиновой кислоты продолжается на мультиферментном комплексе -- синтазе жирных кислот (пальмитоилсинтетазе) .

Пальмитоилсинтаза - это димер, состоящий из двух идентичных полипептидных цепей. Каждая цепь имеет 7 активных центров и ацилпереносящий белок (АПБ). В каждой цепи есть 2 SH-гpyппы: одна SH-гpyппa принадлежит цистеину, другая -- остатку фосфопантетеиновой кислоты. SH-группа цистеина одного мономера расположена рядом с SH-группой 4-фосфопантетеината другого протомера. Таким образом, протомеры фермента расположены «голова к хвосту». Хотя каждый мономер содержит все каталитические центры, функционально активен комплекс из 2 протомеров. Поэтому реально синтезируются одновременно 2 ЖК.

Этот комплекс последовательно удлиняет радикал ЖК на 2 атома С, донором которых служит малонил-КоА.

Реакции синтеза пальмитиновой кислоты

  • 1) Перенос ацетила с КоА на SH-группу цистеина ацетилтрансацилазным центром;
  • 2) Перенос малонила с КоА на SH-группу АПБ малонилтрансацилазным центром;
  • 3) Кетоацилсинтазным центром ацетильная группа конденсируется с малонильной с образованием кетоацила и выделением СО 2 .
  • 4) Кетоацил восстанавливается кетоацил-редуктазой до оксиацила;
  • 5) Оксиацил дегидратируется гидратазой в еноил;
  • 6) Еноил восстанавливается еноилредуктазой до ацила.

В результате первого цикла реакций образуется ацил с 4 атомами С (бутирил). Далее бутирил переносится из позиции 2 в позицию 1 (где находился ацетил в начале первого цикла реакций). Затем бутирил подвергается тем же превращениям и удлиняется на 2 атома С (от малонил-КоА).

Аналогичные циклы реакций повторяются до тех пор, пока не образуется радикал пальмитиновой кислоты, который под действием тиоэстеразного центра гидролитически отделяется от ферментного комплекса, превращаясь в свободную пальмитиновую кислоту.

Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА и малонил-КоА имеет следующий вид:

CH 3 -CO-SKoA + 7 HOOC-CH 2 -CO-SKoA + 14 НАДФН 2 > C 15 H 31 COOH + 7 СО 2 + 6

Н 2 О + 8 HSKoA + 14 НАДФ +

Ранее предполагали, что процессы расщепления являются обращением процессов синтеза, в том числе синтез жирных кислот рассматривали как процесс, обратный их окислению.

В настоящее время установлено, что митохондриальная система биосинтеза жирных кислот, вклю­чающая несколько модифицированную последова­тельность реакции β-окисления, осуществляет толь­ко удлинение уже существующих в организме среднецепочечных жирных кислот, в то время как пол­ный биосинтез пальмитиновой кислоты из ацетил-СоА активно протекает вне митохондрий по совер­шенно другому пути.

Рассмотрим некоторые важные особенности пути биосинтеза жирных кислот.

1. Синтез происходит в цитозоле в отличие от распада, который протекает в митохондриальном матриксе.

2. Промежуточные продукты синтеза жирных кислот ковалентно связаны с сульфгидрильными группами ацилпереносящего белка (АПБ), тогда как промежуточные продукты расщепления жирных кислот связаны с коферментом А.

3. Многие ферменты синтеза жирных кислот у высших организмов организованы в мультиферментный комплекс, называемый синтетазой жирных кислот. В противоположность им ферменты, катализирующие расщепление жирных кислот, повидимому, не склонны к ассоциации.

4. Растущая цепь жирной кислоты удлиняется путем последовательного присоединения двухуглеродных компонентов, происходящих из ацетил-СоА. Активированным донором двухуглеродных компонентов на стадии элонгации служит малонил-АПБ. Реакция элонгации запускается высвобождением СО 2 .

5. Роль восстановителя при синтезе жирной кислоты выполняет NАDРН.

6. В реакциях также участвует Мn 2+ .

7. Элонгация под действием комплекса синтетазы жирных кислот останавливается на этапе образования палъмитата (С 16). Дальнейшая элонгация и введение двойных связей осуществляются другими ферментными системами.

Образование малонилкофермента А

Синтез жирных кислот начинается с карбоксилирования ацетил-СоА в малонил-СоА. Эта необратимая реакция представляет собою решающий этап в синтезе жирных кислот.

Синтез малонил-СоА катализируется ацетил-СоА-карбоксилазой и осу­ществляется за счет энергии АТР. Источником СО 2 для карбоксилирования ацетил-СоА является бикарбонат.

Рис. Синтез малонил-СоА

Ацетил-СоА-карбоксилаза содержит в качестве простетической группы биотин .

Рис. Биотин

Фермент со­стоит из переменного числа одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит биотин, биотинкарбоксилазу , карбоксибиотин-переносящий белок , транскарбоксилазу , а также регуляторный аллостерический центр, т.е. представляет собой полиферментный комплекс. Карбоксильная группа биотина ковалентно присоединяется к ε-аминогруппе остатка лизина карбоксибиотин-переносящего белка. Карбоксилирование биотинового компонента в образованном комплексе катализируется второй субъединицей - биотин-карбоксилазой. Третий компонент системы – транскарбоксилаза – катализирует перенос активированного СО 2 от карбоксибиотина на ацетил-СоА.

Биотин-фермент + АТР + НСО 3 - ↔ СО 2 ~Биотин-фермент + АDР + P i ,

СО 2 ~Биотин-фермент + Ацетил-СоА ↔ Молонил-СоА + Биотин-фермент.

Длина и гибкость связи между биотином и переносящим его белком обусловливают возможность перемещения активированной карбоксильной группы от одного активного центра ферментного комплекса к другому.

У эукариот ацетил-СоА-карбоксилаза существует в виде лишенного ферментативной активности протомера (450 кДа) или в виде активного нитевидного полимера. Их взаимопревращение регулируется аллостерически. Ключевым аллостерическим активатором служит цитрат , который сдвигает равновесие в сторону активной волокнистой формы фермента. Оптимальная ориентация биотина по отношению к субстратам достигается в волокнистой форме. В противоположность цитрату пальмитоил-СоА сдвигает равновесие в сторону неактивной протомерной формы. Таким образом, пальмитоил-СоА, конечный продукт, ингибирует первый решающий этап в биосинтезе жирных кислот. Регуляция ацетил-СоА-карбоксилазы у бактерий резко отличается от таковой у эукариот, так как у них жирные кислоты являются прежде всего предшественниками фосфолипидов, а не резервным топливом. Здесь цитрат не оказывает действия на ацетил-СоА-карбоксилазу бактерий. Активность транскарбоксилазного компонента системы регулируется гуаниновыми нуклеотидами, которые координируют синтез жирных кислот с ростом и делением бактерий.