биосинтеза на мастни киселини. Синтез на мастни киселини. Активни групи на синтазата на мастни киселини

Тъй като способността на животните и хората да съхраняват полизахариди е доста ограничена, глюкозата, получена в количества, надвишаващи непосредствените енергийни нужди и "капацитета за съхранение" на тялото, може да бъде "строителен материал" за синтеза на мастни киселини и глицерол. От своя страна мастните киселини с участието на глицерол се превръщат в триглицериди, които се отлагат в мастната тъкан.

Важен процес е и биосинтезата на холестерол и други стероли. Въпреки че в количествено отношение пътят на синтеза на холестерола не е толкова важен, той е важен голямо значениепоради факта, че множество биологично активни стероиди се образуват от холестерола в тялото.

Синтез на висши мастни киселини в организма

Понастоящем механизмът на биосинтеза на мастни киселини при животни и хора, както и ензимните системи, катализиращи този процес, са достатъчно проучени. Синтезът на мастни киселини в тъканите се извършва в цитоплазмата на клетката. В митохондриите това е главно удължаването на съществуващите вериги на мастни киселини 1 .

1 In vitro експерименти показват, че изолираните митохондрии имат незначителна способност да включват белязана оцетна киселина в дълговерижни мастни киселини.Например установено е, че палмитинова киселина се синтезира главно в цитоплазмата на чернодробните клетки и в митохондриите на чернодробните клетки, на базата на вече синтезирана в клетъчната цитоплазма палмитинова киселина или на базата на мастни киселини с екзогенен произход , т.е. получени от червата, се образуват мастни киселини, съдържащи 18, 20 и 22 въглеродни атома. В същото време реакциите на синтеза на мастни киселини в митохондриите са по същество обратни реакции на окисление на мастни киселини.

Екстрамитохондриалният синтез (основен, основен) на мастни киселини рязко се различава по своя механизъм от процеса на тяхното окисление. Градивният елемент за синтеза на мастни киселини в цитоплазмата на клетката е ацетил-КоА, който се извлича главно от митохондриален ацетил-КоА. Установено е също, че наличието на въглероден диоксид или бикарбонатен йон в цитоплазмата е важно за синтеза на мастни киселини. Освен това е установено, че цитратът стимулира синтеза на мастни киселини в цитоплазмата на клетката. Известно е, че ацетил-КоА, образуван в митохондриите по време на окислително декарбоксилиране, не може да дифундира в клетъчната цитоплазма, тъй като митохондриалната мембрана е непропусклива за този субстрат. Доказано е, че митохондриалният ацетил-КоА взаимодейства с оксалоацетат, което води до образуването на цитрат, който свободно прониква в цитоплазмата на клетката, където се разцепва до ацетил-КоА и оксалоацетат:

Следователно, в този случайцитратът действа като носител на ацетилов радикал.

Има друг начин за прехвърляне на интрамитохондриален ацетил-КоА в цитоплазмата на клетката. Това е пътят, включващ карнитин. Беше споменато по-горе, че карнитинът играе ролята на носител на ацилни групи от цитоплазмата към митохондриите по време на окисляването на мастни киселини. Очевидно той може да играе тази роля и в обратния процес, т.е. в преноса на ацилни радикали, включително ацетилов радикал, от митохондриите към клетъчната цитоплазма. Въпреки това, когато говорим сиотносно синтеза на мастни киселини, този транспортен път на ацетил-КоА не е основният.

Най-важната стъпка в разбирането на процеса на синтез на мастни киселини е откриването на ензима ацетил-КоА карбоксилаза. Този сложен биотин-съдържащ ензим катализира ATP-зависимия синтез на малонил-CoA (HOOC-CH 2 -CO-S-CoA) от ацетил-CoA и CO 2 .

Тази реакция протича на два етапа:

Установено е, че цитратът действа като активатор на ацетил-КоА-карбоксилазната реакция.

Malonyl-CoA е първият специфичен продукт от биосинтезата на мастни киселини. В присъствието на подходяща ензимна система, малонил-КоА (който от своя страна се образува от ацетил-КоА) бързо се превръща в мастни киселини.

Ензимната система, която синтезира висши мастни киселини, се състои от няколко ензима, които са свързани помежду си по определен начин.

Понастоящем процесът на синтез на мастни киселини е подробно проучен в E. coli и някои други микроорганизми. Мултиензимният комплекс, наречен синтетаза на мастни киселини, в E. coli се състои от седем ензима, свързани с така наречения ацил-трансферен протеин (ACP). Този протеин е относително термостабилен, има свободен HS-rpynny и участва в синтеза на висши мастни киселини на почти всички негови етапи. Относителното молекулно тегло на APB е около 10 000 далтона.

Следва последователност от реакции, които протичат по време на синтеза на мастни киселини:

След това цикълът на реакциите се повтаря. Да кажем, че се синтезира палмитинова киселина (C 16); в този случай образуването на бутирил-ACB завършва само първия от седем цикъла, във всеки от които началото е добавянето на молекула малонил-ACB към карбоксилния край на растящата верига на мастна киселина. В този случай молекулата HS-APB и дисталната карбоксилна група на малонил-APB се отцепват под формата на CO 2 . Например, бутирил-APB, образуван в първия цикъл, взаимодейства с малонил-APB:

Синтезът на мастни киселини завършва чрез разцепване на HS-ACP от ацил-ACB под въздействието на ензима деацилаза, например:

Общото уравнение за синтеза на палмитинова киселина може да бъде написано, както следва:

Или, като се има предвид, че образуването на една молекула малонил-CoA от ацетил-CoA изразходва една молекула ATP и една молекула CO 2 , общото уравнение може да бъде представено по следния начин:

Основните етапи в биосинтезата на мастни киселини могат да бъдат представени като диаграма.

В сравнение с β-окислението, биосинтезата на мастни киселини има редица характерни характеристики:

• синтезът на мастни киселини се извършва главно в цитоплазмата на клетката, а окислението - в митохондриите;
• участие в процеса на биосинтеза на мастни киселини малонил-CoA, който се образува чрез свързване на CO 2 (в присъствието на биотин-ензим и АТФ) с ацетил-CoA;
• във всички етапи на синтеза на мастни киселини участва протеин, носещ ацил (HS-ACP);
• необходимостта от синтез на мастни киселини коензим NADPH 2. Последният в тялото се образува отчасти (50%) в реакциите на пентозния цикъл (хексозо монофосфатен "шунт"), отчасти - в резултат на редукция на NADP с малат (ябълчена киселина + NADP-пирогроздена киселина + CO 2 + NADPH 2);
• възстановяването на двойната връзка в реакцията на еноил-ACP редуктаза става с участието на NADPH 2 и ензима, чиято простетична група е флавин мононуклеотид (FMN);
• при синтеза на мастни киселини се образуват хидрокси производни, които по своята конфигурация принадлежат към D-серията на мастните киселини, а при окислението на мастните киселини се образуват хидрокси производни от L-серията.

Образуване на ненаситени мастни киселини

Тъканите на бозайниците съдържат ненаситени мастни киселини, които могат да бъдат причислени към четири семейства, различаващи се по дължината на алифатната верига между крайната метилова група и най-близката двойна връзка:

Установено е, че двете най-разпространени мононаситени мастни киселини - палмитоолеинова и олеинова, се синтезират от палмитинова и стеаринова киселина. В молекулата на тези киселини в микрозомите на клетките на черния дроб и мастната тъкан се въвежда двойна връзка с участието на специфична оксигеназа и молекулярен кислород. В тази реакция една кислородна молекула се използва като акцептор на две двойки електрони, едната двойка от които принадлежи към субстрата (Acyl-CoA), а другата към NADPH 2:

В същото време тъканите на хората и редица животни не са в състояние да синтезират линолова и линоленова киселина, а трябва да ги приемат с храната (синтезът на тези киселини се извършва от растенията). В тази връзка линоловата и линоленовата киселина, съдържащи съответно две и три двойни връзки, се наричат ​​есенциални мастни киселини.

Всички други полиненаситени киселини, открити в бозайниците, се образуват от четири прекурсора (палмитолеинова киселина, олеинова киселина, линолова киселина и линоленова киселина) чрез по-нататъшно удължаване на веригата и/или въвеждане на нови двойни връзки. Този процес протича с участието на митохондриални и микрозомални ензими. Например, синтезът на арахидонова киселина се извършва по следната схема:

Биологичната роля на полиненаситените мастни киселини е до голяма степен изяснена във връзка с откриването на нов клас физиологично активни съединения - простагландини.

Биосинтеза на триглицериди

Има основание да се смята, че скоростта на биосинтеза на мастни киселини до голяма степен се определя от скоростта на образуване на триглицериди и фосфолипиди, тъй като свободните мастни киселини присъстват в тъканите и кръвната плазма в малки количества и обикновено не се натрупват.

Синтезът на триглицеридите идва от глицерол и мастни киселини (главно стеаринова, палмитинова и олеинова). Пътят на биосинтезата на триглицеридите в тъканите протича чрез образуването на глицерол-3-фосфат като междинен продукт. В бъбреците, както и в чревната стена, където активността на ензима глицерол киназа е висока, глицеролът се фосфорилира от АТФ, за да образува глицерол-3-фосфат:

В мастната тъкан и мускулите, поради много ниската активност на глицерол киназата, образуването на глицерол-3-фосфат се свързва главно с гликолиза или гликогенолиза 1 . 1 В случаите, когато съдържанието на глюкоза в мастната тъкан е ниско (например по време на гладуване), се образува само малко количество глицерол-3-фосфат и свободните мастни киселини, освободени по време на липолизата, не могат да бъдат използвани за ресинтеза на триглицеридите, така че мастните киселини напускат мастна тъкан . Напротив, активирането на гликолизата в мастната тъкан допринася за натрупването на триглицериди в нея, както и на съставните им мастни киселини.Известно е, че в процеса на гликолитично разграждане на глюкозата се образува дихидроксиацетон фосфат. Последният, в присъствието на цитоплазмена NAD-зависима глицерол фосфат дехидрогеназа, може да се превърне в глицерол-3-фосфат:

В черния дроб се наблюдават и двата пътя за образуване на глицерол-3-фосфат.

Образуваният по един или друг начин глицерол-3-фосфат се ацилира от две молекули на CoA производното на мастната киселина (т.е. "активни" форми на мастната киселина) 2 . 2 В някои микроорганизми, като Е. coli, донорът на ацилната група не е CoA производните, а ACP производните на мастната киселина.В резултат на това се образува фосфатидна киселина:

Имайте предвид, че въпреки че фосфатидната киселина присъства в клетките в изключително малки количества, тя е много важен междинен продукт, общ за биосинтезата на триглицериди и глицерофосфолипиди (вижте схемата).

Ако се синтезират триглицериди, тогава фосфатидната киселина се дефосфорилира с помощта на специфична фосфатаза (фосфатидат фосфатаза) и се образува 1,2-диглицерид:

Биосинтезата на триглицеридите завършва чрез естерификацията на получения 1,2-диглицерид с третата ацил-CoA молекула:

Биосинтеза на глицерофосфолипиди

Синтезът на най-важните глицерофосфолипиди е локализиран главно в ендоплазмения ретикулум на клетката. Първо, фосфатидната киселина, в резултат на обратима реакция с цитидин трифосфат (CTP), се превръща в цитидин дифосфат диглицерид (CDP-диглицерид):

След това, в последващи реакции, всяка от които се катализира от съответния ензим, цитидин монофосфатът се измества от молекулата на CDP-диглицерида от едно от двете съединения - серин или инозитол, образувайки фосфатидилсерин или фосфатидилинозитол, или 3-фосфатидил-глицерол-1- фосфат. Като пример даваме образуването на фосфатидилсерин:

На свой ред фосфатидилсеринът може да бъде декарбоксилиран до образуване на фосфатидилетаноламин:

Фосфатидилетаноламинът е прекурсорът на фосфатидилхолина. В резултат на последователното прехвърляне на три метилови групи от три молекули на S-аденозилметионин (донор на метилови групи) към аминогрупата на етаноламиновия остатък се образува фосфатидилхолин:

Съществува и друг път за синтеза на фосфатидилетаноламин и фосфатидилхолин в животински клетки. Този път също използва CTP като носител, но не фосфатидна киселина, а фосфорилхолин или фосфорилетаноламин (схема).

биосинтеза на холестерол

Още през 60-те години на миналия век Bloch et al. в експерименти, използващи ацетат, белязан с 14 C върху метиловата и карбоксилната група, показват, че и двата въглеродни атома оцетна киселинаса включени в чернодробния холестерол в приблизително равни количества. Освен това е доказано, че всички въглеродни атоми на холестерола идват от ацетат.

По-късно, благодарение на работата на Linen, Redney, Polyak, Cornforth, A. N. Klimov и други изследователи, бяха изяснени основните детайли на ензимния синтез на холестерола, който включва повече от 35 ензимни реакции. В синтеза на холестерола могат да се разграничат три основни етапа: първият е превръщането на активния ацетат в мевалонова киселина, вторият е образуването на сквален от мевалонова киселина и третият е циклизирането на сквалена до холестерол.

Нека първо разгледаме етапа на превръщане на активния ацетат в мевалонова киселина. Началната стъпка в синтеза на мевалонова киселина от ацетил-КоА е образуването на ацетоацетил-КоА чрез обратима тиолазна реакция:

Тогава последващата кондензация на ацетоацетил-CoA с трета молекула ацетил-CoA с участието на хидроксиметилглутарил-CoA синтаза (HMG-CoA синтаза) води до образуването на β-хидрокси-β-метилглутарил-CoA:

Имайте предвид, че вече разгледахме тези първи стъпки в синтеза на мевалонова киселина, когато се занимавахме с образуването на кетонни тела. Освен това, β-хидрокси-β-метилглутарил-CoA, под влиянието на NADP-зависимата хидроксиметилглутарил-CoA редуктаза (HMG-CoA редуктаза), в резултат на редукция на една от карбоксилните групи и разцепването на HS-KoA, се превръща в мевалонова киселина:

HMG-CoA редуктазната реакция е първата практически необратима реакция във веригата на биосинтезата на холестерола и протича със значителна загуба на свободна енергия (около 33,6 kJ). Установено е, че тази реакция ограничава скоростта на биосинтезата на холестерола.

Наред с класическия път за биосинтеза на мевалонова киселина, има втори път, при който като междинен субстрат се образува не β-хидрокси-β-метилглутарил-КоА, а β-хидрокси-β-метилглутарн1-S-APB. Реакциите на този път са очевидно идентични с началните етапи на биосинтеза на мастни киселини до образуването на ацетоацетил-S-APB. Ацетил-КоА карбоксилазата, ензим, който превръща ацетил-КоА в малонил-КоА, участва в образуването на мевалонова киселина по този път. Оптималното съотношение на малонил-КоА и ацетил-КоА за синтеза на мевалонова киселина е две молекули ацетил-КоА на молекула малонил-КоА.

Участието на малонил-КоА, основният субстрат на биосинтезата на мастни киселини, в образуването на мевалонова киселина и различни полиизопреноиди е доказано за редица биологични системи: черен дроб на гълъби и плъхове, млечна жлеза на заек, безклетъчни екстракти от дрожди. Този път на биосинтеза на мевалонова киселина се забелязва главно в цитоплазмата на чернодробните клетки. В този случай значителна роля в образуването на мевалонат играе хидроксиметилглутарил-КоА редуктазата, която се намира в разтворимата фракция на черния дроб на плъх и не е идентична с микрозомалния ензим по отношение на редица кинетични и регулаторни свойства. Известно е, че микрозомалната хидроксиметилглутарил-CoA редуктаза е основната връзка в регулацията на пътя на биосинтеза на мевалонова киселина от ацетил-CoA с участието на ацетоацетил-CoA тиолаза и HMG-CoA синтаза. Регулирането на втория път на биосинтеза на мевалонова киселина при редица въздействия (гладуване, хранене с холестерол, въвеждане на повърхностно активно вещество - тритон WR-1339) се различава от регулирането на първия път, в който участва микрозомалната редуктаза. Тези данни показват наличието на две автономни системибиосинтеза на мевалонова киселина. Физиологична ролявторият начин е проучен непълно. Смята се, че е от определено значение не само за синтеза на вещества с нестероидна природа, като страничната верига на убихинона и уникалната база N 6 (Δ 2 -изопентил) -аденозин на някои тРНК, но и за биосинтеза на стероиди (А. Н. Климов, Е. Д. Полякова).

Във втория етап от синтеза на холестерол, мевалонова киселина се превръща в сквален. Реакциите на втория етап започват с фосфорилиране на мевалонова киселина с помощта на АТФ. В резултат на това се образува 5"-пирофосфорен естер и след това 5"-пирофосфорен естер на мевалонова киселина:

5 "-пирофосфомевалонова киселина, в резултат на последващо фосфорилиране на третичната хидроксилна група, образува нестабилен междинен продукт - 3"-фосфо-5"-пирофосфомевалонова киселина, която, декарбоксилирана и губейки фосфорна киселина, се превръща в изопентенил пирофосфат. Последният изомеризира в диметилалил пирофосфат:

Тези два изомерни изопентенил пирофосфата (диметилалил пирофосфат и изопентенил пирофосфат) след това се кондензират, за да освободят пирофосфат и образуват геранил пирофосфат. Изопентенил пирофосфат отново се добавя към геранил пирофосфат, като в резултат на тази реакция се получава фарнезил пирофосфат.

Ацетил-КоА е субстратът за синтеза на VFAs.Въпреки това, по време на синтеза на мастни киселини (FA), не самият ацетил-CoA се използва във всеки цикъл на удължаване, а неговото производно, малонил-CoA.

Тази реакция се катализира от ензима ацетил-КоА карбоксилаза, ключов ензим в мултиензимната система на синтеза на ФК. Ензимната активност се регулира от вида на отрицателната обратна връзка. Инхибиторът е продукт на синтеза: ацил-КоА с дълга верига (n=16) - палмитоил-КоА. Активаторът е цитрат. Непротеиновата част на този ензим съдържа витамин Н (биотин).

Впоследствие, по време на синтеза на мастни киселини, молекулата на ацил-CoA постепенно се удължава с 2 въглеродни атома за всяка стъпка поради малонил-CoA, който губи CO 2 в този процес на удължаване.

След образуването на малонил-КоА, основните реакции на синтеза на мастни киселини се катализират от един ензим - синтетаза на мастни киселини (фиксиран върху мембраните на ендоплазмения ретикулум). Синтетазата на мастните киселини съдържа 7 активни места и ацил-носещ протеин (ACP). Мястото на свързване на малонил-CoA съдържа непротеинов компонент, витамин В3 (пантотенова киселина). Последователността на един цикъл от реакции за синтеза на HFA е показана на Фиг. 45.

Фиг.45. Реакции за синтеза на висши мастни киселини

След края на цикъла ацил-APB влиза в следващия цикъл на синтез. Нова молекула малонил-КоА е прикрепена към свободната SH-група на протеина, носещ ацил. След това ацилният остатък се отцепва, прехвърля се към малониловия остатък (с едновременно декарбоксилиране) и цикълът от реакции се повтаря.

Така въглеводородната верига на бъдещата мастна киселина постепенно нараства (с два въглеродни атома за всеки цикъл). Това се случва, докато се удължи до 16 въглеродни атома (в случай на синтез на палмитинова киселина) или повече (синтез на други мастни киселини). След това настъпва тиолиза и активната форма на мастната киселина, ацил-КоА, се образува в готов вид.

За нормалното протичане на синтеза на висши мастни киселини са необходими следните условия:

1) Приемът на въглехидрати, при окисляването на които се образуват необходимите субстрати и NADPH 2.

2) Висок енергиен заряд на клетката - високо съдържание на АТФ, което осигурява освобождаването на цитрат от митохондриите в цитоплазмата.

Сравнителна характеристика b-окисление и синтез на висши мастни киселини:

1 . b-окислението се извършва в митохондриите, а синтезът на мастни киселини се извършва в цитоплазмата върху мембраните на ендоплазмения ретикулум. Въпреки това, образуваният в митохондриите ацетил-КоА не може сам да премине през мембраните. Следователно съществуват механизми за транспортиране на ацетил-КоА от митохондриите към цитоплазмата с участието на ензими от цикъла на Кребс (фиг. 46).

Фиг.46. Механизмът на транспортиране на ацетил-КоА от митохондриите към цитоплазмата.

Ключовите ензими на TCA са цитрат синтаза и изоцитрат дехидрогеназа. Основните алостерични регулатори на тези ензими са АТФ и АДФ. Ако в клетката има много АТФ, тогава АТФ действа като инхибитор на тези ключови ензими. Въпреки това, изоцитрат дехидрогеназата се инхибира от АТФ повече от цитрат синтетазата. Това води до натрупване на цитрат и изоцитрат в митохондриалната матрица. При натрупване цитратът напуска митохондриите и навлиза в цитоплазмата. Цитоплазмата съдържа ензима цитрат лиаза. Този ензим разгражда цитрата до PAA и ацетил-CoA.

По този начин условието за освобождаване на ацетил-КоА от митохондриите в цитоплазмата е добро снабдяване на клетката с АТФ. Ако има малко АТФ в клетката, тогава ацетил-КоА се разцепва до CO2 и H2O.

2 . По време на b-окислението, междинните продукти се свързват с HS-CoA, а по време на синтеза на мастни киселини, междинните продукти се свързват със специфичен протеин, носещ ацил (ACP). Това е сложен протеин. Непротеиновата му част е подобна по структура на CoA и се състои от тиоетиламин, пантотенова киселина (витамин B3) и фосфат.

3 . При b-окислението NAD и FAD се използват като окислител. При синтеза на мастни киселини е необходим редуциращ агент - използва се NADP * H 2.

Има 2 основни източника на NADP * H 2 в клетката за синтеза на мастни киселини:

а) пентозофосфатен път на разграждане на въглехидратите;

По-рано се приемаше, че процесите на разцепване са обръщане на процесите на синтез (например гликогенолиза и гликогенеза), а синтезът на мастни киселини се разглеждаше като процес, обратен на тяхното окисление.

Вече е установено, че митохондриалната система за биосинтеза на мастни киселини, която включва донякъде модифицирана последователност на реакцията на α-окисление, само удължава средноверижните мастни киселини, които вече съществуват в тялото, докато пълната биосинтеза на палмитинова киселина от активно протича извън митохондриите по съвсем различен път. Активна система, който осигурява удължаване на веригите на мастни киселини, присъства в ендоплазмения ретикулум.

Екстрамитохондриална система за de novo биосинтеза на мастни киселини (липогенеза)

Тази система се намира в разтворимата (цитозолна) фракция на клетките на много органи, по-специално черния дроб, бъбреците, мозъка, белите дробове, гърдата, а също и в мастната тъкан. Биосинтезата на мастни киселини протича с участието на NADPH, ATP, като източник); субстратът е крайният продукт - палмитинова киселина. Изискванията към кофакторите в процесите на биосинтеза и β-окисление се различават значително.

Образуване на малонил-КоА

Първата реакция в биосинтезата на мастни киселини, катализирана от ацетил арбоксилаза и осъществяваща се за сметка на енергията на АТФ, е карбоксилирането, източникът е бикарбонат. За функционирането на ензима е необходим витамин биотин (фиг. 23.5). Този ензим се състои от променлив брой идентични субединици, всяка от които съдържа биотин, биотин карбоксилаза, протеин, носещ карбоксибиотин, транс-карбоксилаза и регулаторен алостеричен център, т.е. той е полиензимен комплекс. Реакцията протича в два етапа: (1) карбоксилиране на биотин с участието на АТФ (фиг. 20.4) и (2) прехвърляне на карбоксилната група към ацетил-КоА, в резултат на което тя се активира от цитрат и се инхибира от дълги вериги Активираната форма на ензима лесно се полимеризира с образуването на филаменти, състоящи се от 10-20 протомера.

Синтазен комплекс, катализиращ образуването на мастни киселини

Има два вида синтазни комплекси, които катализират биосинтезата на мастни киселини; и двете са в разтворимата част на клетката. В бактерии, растения и по-ниски форми на животни, като еуглена, всички отделни ензими на синтазната система се намират като автономни полипептиди; ацилови радикали са свързани с един от тях, т.нар

Ориз. 23.5. Биосинтеза на малонил-КоА. Фацетил-КоА-карбоксилаза.

ацил трансферен протеин (ACP). При дрождите, бозайниците и птиците синтазната система е мултиензимен комплекс, който не може да бъде разделен на компоненти, без да се наруши неговата активност, и APB е част от този комплекс. Както бактериалните ACP, така и ACP на полиензимния комплекс съдържат витамина пантотенова киселина под формата на 4-фосфопантетеин (виж фиг. 17.6). В синтазната система APB играе ролята на CoA. Синтазният комплекс, който катализира образуването на мастни киселини, е димер (фиг. 23.6). При животните мономерите са идентични и се образуват от един полипептид

Ориз. 23.6. Полиензимен комплекс, катализиращ синтеза на мастни киселини. Комплексът е димер, състоящ се от два идентични полипептидни мономера 1 и 2. Всеки мономер включва 6 отделни ензима и ацил трансферен протеин (ACP). Cys-SH-тиолова група на цистеин. Сулфхидрилната група на 4-фосфопантетеин на един мономер е разположена в непосредствена близост до същата група на цистиновия остатък на кетоацил синтетазата, която е част от друг мономер; това показва подреждане на мономерите от глава до опашка. Последователността на подреждане на ензимите в мономерите не е окончателно уточнена и е дадена тук според данните на Цукамото. Всеки от мономерите включва всички ензими, които катализират биосинтезата на мастни киселини; той обаче не е функционална единица (последната включва фрагменти от двата мономера, докато половината от единия мономер взаимодейства с "комплементарната" половина от другия). Синтазният комплекс синтезира едновременно две молекули мастни киселини.

(виж сканиране)

Ориз. 23.7. Биосинтеза на дълговерижни мастни киселини. Показано е как добавянето на един малонилов остатък води до удължаване на ацилната верига с 2 въглеродни атома. Cys - цистеинов остатък; FP - 4-фосфопантетеин. Структурата на синтазата на мастни киселини е показана на фиг. 23.6. - отделни мономери на синтазата на мастни киселини. На един димер едновременно се синтезират 2 ацилови вериги, докато се използват 2 двойки - -групи; във всяка двойка една от групите принадлежи на Fp, а другата на Cys.

верига, включваща 6 ензима, които катализират биосинтезата на мастни киселини, и APB с реактивна група, принадлежаща към -фосфопантетеин. В непосредствена близост до тази група е друга сулфхидрилна група, принадлежаща към цистеинов остатък, който е част от -кетоацил синтазата (кондензиращ ензим), който е част от друг мономер (фиг. 23.6). Тъй като за проявата на синтазна активност е необходимо участието и на двете сулфхидрилни групи, синтазният комплекс е активен само като димер.

На първия етап от процеса, иницииращата молекула, с участието на трансацилаза, взаимодейства с - групата на цистеин под действието на същия ензим (трансацилаза) взаимодейства със съседната - група, принадлежаща на -фосфопантетеин, локализирана в ACP на друг мономер. В резултат на тази реакция се образува ацетил (ацил) малонил ензим. 3-кетоацил синтазата катализира взаимодействието на ацетилната група на ензима с метиленовата група на малонила и освобождаването на получения α-кетоацил ензим (ацетоацетилов ензим); това освобождава сулфхидрилната група на цистеина, заета преди това от ацетилната група. Декарбоксилирането позволява реакцията да завърши и е движещата сила зад биосинтезата. 3-кетоацилната група се редуцира, след това се дехидратира и редуцира отново, което води до образуването на съответния наситен ацил-8-ензим. Тези реакции са подобни на съответните реакции на Р-окисление; разликата се състои по-специално във факта, че по време на биосинтеза се образува D (-)-изомерът на 3-хидрокси киселината, а не в допълнение, NADPH, а не NADH, е донор на водород в реакциите на редукция. Освен това новата молекула взаимодейства с α-групата на фосфопантетеин, докато наситеният ацилов остатък се премества към свободната α-цистеинова група. Цикълът от реакции се повтаря още 6 пъти и всеки нов малонатен остатък се вмъква във въглеродната верига, докато се образува наситен 16-въглероден ацилов радикал (палмитоил). Последният се освобождава от полиензимния комплекс под действието на шестия ензим, който е част от комплекса, тиоестераза (деацилаза). Свободната палмитинова киселина, преди да влезе в друг метаболитен път, трябва да премине активна формаТогава активираният палмитат обикновено се подлага на естерификация с образуването на ацилглицероли (фиг. 23.8).

Млечната жлеза има специална тиоестераза, специфична за ацилни остатъци или α-мастни киселини, които изграждат млечните липиди. В млечната жлеза на преживните животни този ензим е част от синтазен комплекс, който катализира образуването на мастни киселини.

Очевидно в един димерен синтазен комплекс има 2 активни центъра, които функционират независимо един от друг, в резултат на което едновременно се образуват 2 молекули палмитинова киселина.

Комбинирането на всички ензими на разглеждания метаболитен път в един полиензимен комплекс осигурява неговата висока ефективност и елиминира конкуренцията на други процеси; в резултат на това ефектът на разделяне на този път в клетката се постига без участието на допълнителни бариери за пропускливост .

Следва общата реакция за биосинтеза на палмитинова киселина от ацетил-КоА и малонил-КоА:

От молекулата, действаща като семе, се образуват 15-ия и 16-ия въглероден атом на палмитинова киселина. Прикрепването на всички последващи двувъглеродни фрагменти се дължи на черния дроб

Ориз. 23.8. Съдбата на палмитата

и млечната жлеза на бозайниците, бутирил-КоА може да служи като семе. Ако пропионил-CoA действа като семе, тогава се синтезират дълговерижни мастни киселини с нечетен брой въглеродни атоми. Такива мастни киселини са характерни предимно за преживните животни, при които пропионовата киселина се образува в търбуха под действието на микроорганизми.

Източници на редуциращи еквиваленти и ацетил-КоА. Реакцията на редукция както на 3-кетоацил, така и на 2,3-ненаситени ацилни производни използва NADPH като коензим. Водородът, необходим за редуктивната биосинтеза на мастни киселини, се образува по време на окислителни реакциипентозофосфатен път. Важно е да се отбележи, че тъканите, в които пентоза-

(виж сканиране)

Ориз. 23.9. Източници на ацетил-CoA и NADPH за липогенеза. PFP - пентозофосфатен път: Т трикарбоксилат-съхраняваща система; K a-кетоглутарат-носеща система

фосфатен път, са в състояние ефективно да извършват липогенеза (например черния дроб, мастната тъкан и млечната жлеза по време на кърмене). Освен това и двата метаболитни пътя протичат в клетката извън митохондриите, така че преходът на NADPH/NADP от един метаболитен път към друг не се възпрепятства от мембрани или други бариери. Други източници на NADPH са реакцията на превръщане на малат в пируват, катализирана от ензима "ябълка" (-малат дехидрогеназа) (фиг. 23.9), както и екстрамитохондриална реакция, катализирана от анцоцитрат дехидрогеназа (вероятно неговата роля е незначителна).

Ацетил-КоА, който е градивен елемент за синтеза на мастни киселини, се образува в митохондриите от въглехидрати в резултат на окислението на пирувата. Въпреки това, ацетил-КоА не може да навлезе свободно в екстрамитохондриалното отделение, основното място на биосинтеза на мастни киселини. Активността на извънмитохондриалната АТФ-цитрат-лиаза и "ябълчния" ензим при добро хранене се увеличават успоредно с активността на ензимите, участващи в биосинтезата на мастни киселини. Понастоящем се смята, че пътят на използване на пируват в процеса на липогенеза преминава през етапа на образуване на цитрат. Този метаболитен път включва гликолиза, след това окислително декарбоксилиране на пируват до ацетил-КоА в митохондриите и последваща реакция на кондензация с оксалоацетат за образуване на цитрат, който е компонент на цикъла на лимонената киселина. Освен това цитратът се придвижва към екстрамитохондриалното отделение, където АТФ-цитрат лиазата в присъствието на CoA и ATP катализира разцепването му в ацетил-CoA и оксалоацетат. Ацетил-КоА се превръща в малонил-КоА (фиг. 23.5) и се включва в биосинтезата на палмитинова киселина (фиг. 23.9). Оксалоацетатът под действието на NADH-зависима малат дехидрогеназа може да се превърне в малат, след което в резултат на реакцията, катализирана от ензима "ябълка", се образува NADPH, който доставя водород за пътя на липогенезата. Този метаболитен процес осигурява прехвърлянето на редуциращи еквиваленти от екстрамитохондриалния NADH към NADP. Алтернативно, малатът може да бъде транспортиран до митохондриите, където се превръща в оксалоацетат. Трябва да се подчертае, че за работата на цитрат (трикарбоксилат)-транспортната система на митохондриите е необходим малат, който се обменя с цитрат (виж фиг. 13.16).

При преживните животни съдържанието на АТФ-цитрат лиаза и "ябълчен" ензим в тъканите, които извършват липогенеза, е незначително. Това очевидно се дължи на факта, че при тези животни основният източник на ацетил-КоА е ацетатът, който се образува в търбуха. Тъй като ацетатът се активира до ацетил-CoA екстрамитохондриално, не е необходимо да навлиза в митохондриите и да се превръща в цитрат, преди да бъде включен в биосинтетичния път на дълговерижни мастни киселини. При преживните, поради ниската активност на ензима "ябълка", образуването на NADPH, катализирано от

Ориз. 23.10. Система за удължаване на веригата на микрозомалните мастни киселини (елонгазна система).

екстрамитохондриална изоцитрат дехидрогеназа.

Система за удължаване на веригата на микрозомални мастни киселини (елонгаза)

Микрозомите изглежда са основното място за удължаване на дълговерижните мастни киселини. Ацил-КоА-производните на мастните киселини се превръщат в съединения, съдържащи още 2 въглеродни атома; малонил-КоА е донор на ацетилова група, а NADPH е редуциращ агент. CoA тиоетери са междинни продукти в този път. Молекулите на семената могат да бъдат наситени (C10 и по-високи) и ненаситени мастни киселини. По време на гладуване процесът на удължаване на веригите на мастните киселини се инхибира. С образуването на миелиновите обвивки на нервните клетки в мозъка, процесът на удължаване на стеарил-CoA рязко се увеличава, което води до образуването на α-мастни киселини, които са част от сфинголипидите (фиг. 23.10).

ЛИТЕРАТУРА

Бойер П. Д. (ред.). Ензимите, 3-то издание, том. 16 от Lipid Enzymology, Academic Press, 1983. -

Debeer L. J., Mannaerts G. P. Митохондриалните и пероксизомалните пътища на окисление на мастни киселини в черния дроб на плъхове, Diabete Metab. (Париж), 1983, 9, 134.

Goodridge A.G. Синтез на мастни киселини в еукариоти, страница 143. В: Биохимия на липидите и мембраните, Vance D.E., Vance J.E. (eds.), Benjamin/Cummings, 1985.

Gurr M.I., Джеймс A.I. Липидна биохимия: Въведение, 3-то издание, Wiley, 1980 г.

Pande S. V., Parvin R. Page 143. В: Биосинтез, метаболизъм и функции на карнитин, Frenkel R. A., McGarry J. D. (eds.), Academic Press, 1980.

Schulz H. Окисляване на мастни киселини, страница 116. В: Биохимия на липидите и мембраните, Vance D.E., Vance J.E. (eds.), Benjamin/Cummings, 1985.

Singh N.. Wak.il S.J., Stoops J.K. По въпроса за реактивността на полу- или пълното място на синтетазата на животински мастни киселини, J. Biol. Chem., 1984, 259, 3605.

Tsukamoto Y. и др. Архитектурата на комплекса синтетаза на животински мастни киселини, J. Biol. Chem., 1983, 258, 15312.

различни автори. Разстройствата се характеризират с данни за абнормален липиден метаболизъм. В: Метаболитната основа на наследствените заболявания, 5-то издание, Stanbury J. B. et al. (ред.), McGraw-Hill, 1983.

По-рано се предполагаше, че процесите на разцепване са обръщане на процесите на синтез, включително синтеза на мастни киселини се считаше за процес, обратен на тяхното окисление.

Сега е установено, че митохондриалната система за биосинтеза на мастни киселини, която включва леко модифицирана последователност на реакцията на β-окисление, само удължава средноверижните мастни киселини, които вече съществуват в тялото, докато пълната биосинтеза на палмитинова киселина от ацетил- CoA продължава активно. извън митохондриитепо съвсем различен начин.

Нека разгледаме някои важни характеристики на пътя на биосинтеза на мастни киселини.

1. Синтезът се извършва в цитозола, за разлика от разпадането, което се случва в митохондриалната матрица.

2. Междинните продукти на синтеза на мастни киселини са ковалентно свързани със сулфхидрилните групи на ацил-трансферния протеин (ACP), докато междинните продукти на разцепване на мастни киселини са свързани с коензим А.

3. Много от ензимите за синтез на мастни киселини във висшите организми са организирани в мултиензимен комплекс, наречен синтетаза на мастни киселини. Обратно, ензимите, които катализират разграждането на мастни киселини, изглежда не се свързват.

4. Растящата верига на мастна киселина се удължава чрез последователно добавяне на компоненти с два въглерода, произхождащи от ацетил-КоА. Malonyl-APB служи като активиран донор на двувъглеродни компоненти в етапа на удължаване. Реакцията на удължаване се задейства от освобождаването на CO 2 .

5. Ролята на редуциращ агент в синтеза на мастни киселини се изпълнява от NADPH.

6. В реакциите участва и Mn 2+.

7. Удължаването под действието на комплекса синтетаза на мастни киселини спира на етапа на образуване на палмитат (С 16). По-нататъшното удължаване и въвеждането на двойни връзки се извършва от други ензимни системи.

Образуване на малонил коензим А

Синтезът на мастни киселини започва с карбоксилирането на ацетил-КоА до малонил-КоА. Тази необратима реакция е критична стъпка в синтеза на мастни киселини.

Синтезът на малонил-КоА се катализира от ацетил-КоА карбоксилазаи се осъществява за сметка на ATR енергия. Източникът на CO 2 за карбоксилиране на ацетил-CoA е бикарбонат.

Ориз. Синтез на малонил-КоА

Ацетил-КоА карбоксилазата съдържа като простетична група биотин.

Ориз. Биотин

Ензимът се състои от различен брой идентични субединици, всяка от които съдържа биотин, биотин карбоксилаза, карбоксибиотин трансферен протеин, транскарбоксилаза, както и регулаторния алостеричен център, т.е. представлява полиензимен комплекс.Карбоксилната група на биотина е ковалентно свързана с ε-амино групата на лизиновия остатък на протеина, носещ карбоксибиотин. Карбоксилирането на биотин компонента в образувания комплекс се катализира от втората субединица, биотин карбоксилазата. Третият компонент на системата, транскарбоксилазата, катализира преноса на активиран CO2 от карбоксибиотин към ацетил-КоА.

Биотин ензим + ATP + HCO 3 - ↔ CO 2 ~ Биотин ензим + ADP + P i,

CO 2 ~ Биотин-ензим + Ацетил-КоА ↔ Молонил-КоА + Биотин-ензим.

Дължината и гъвкавостта на връзката между биотин и неговия пренасящ протеин правят възможно преместването на активираната карбоксилна група от едно активно място на ензимния комплекс към друго.

При еукариотите ацетил-КоА карбоксилазата съществува като ензимно неактивен протомер (450 kDa) или като активен нишковиден полимер. Тяхното взаимно преобразуване се регулира алостерично. Ключовият алостеричен активатор е цитрат, което измества равновесието към активната фиброзна форма на ензима. Оптималната ориентация на биотина по отношение на субстратите се постига във влакнеста форма. За разлика от цитрата, палмитоил-КоА измества равновесието към неактивната протомерна форма. Така палмитоил-КоА, крайният продукт, инхибира първата критична стъпка в биосинтезата на мастни киселини. Регулирането на ацетил-КоА карбоксилазата при бактериите се различава рязко от това при еукариотите, тъй като при тях мастните киселини са предимно прекурсори на фосфолипидите, а не резервно гориво. Тук цитратът няма ефект върху бактериалната ацетил-КоА карбоксилаза. Активността на транскарбоксилазния компонент на системата се регулира от гуанинови нуклеотиди, които координират синтеза на мастни киселини с растежа и деленето на бактериите.

Синтез на мастни киселини

СИНТЕЗ НА МАСТНИ КИСЕЛИНИ

1. Биосинтеза De novo (синтез на палмитинова киселина С16).

1. Система за модификация на мастни киселини:

 процеси на удължаване на мастни киселини (удължаване с 2 въглеродни атома),

 десатурация (образуване на ненаситена връзка).

Значителна част от мастните киселини се синтезират в черния дроб, в по-малка степен в мастната тъкан и лактиращите жлези.

СИНТЕЗ de novo

 Изходният материал е ацетил-КоА.

Ацетил-КоА, образуван в митохондриалната матрица в резултат на окислително декарбоксилиране на пируват, краен продукт на гликолизата, транспортирани през митохондриалната мембрана в цитозолакъдето се синтезират мастни киселини.

I ЕТАП. ТРАНСПОРТ НА АЦЕТИЛ-КоА ОТ МИТОХОНДРИИТЕ КЪМ ЦИТОЗОЛ

1. карнитинов механизъм.

2. В състава на цитрата, образуван в първата реакция на ТСА:

МАЛАТ ОКСАЛОАЦЕТАТ

НАД+ 3

1 - цитрат синтаза; 2 - цитрат лиаза;

3 - малат дехидрогеназа;

4 - малик-ензим; 5 - пируват карбоксилаза

II ЕТАП. ОБРАЗУВАНЕ НА МАЛОНИЛ-КОА

ацетил-КоА ацетил-КоА карбоксилаза, малонил-КоА съдържащ биотин

Осъществява се от мултиензимен комплекс "синтаза на мастни киселини", който включва 6 ензима и ацил-носещ протеин (ACP). APB включва производно на пантотеновата киселина 6-фосфопантетеин, което има SH група, като HS-CoA.

ЕТАП III. ОБРАЗУВАНЕ НА ПАЛМИТИНОВА КИСЕЛИНА

ЕТАП III. ОБРАЗУВАНЕ НА ПАЛМИТИНОВА КИСЕЛИНА

След това ацил-APB влиза в нов цикъл на синтез. Нова молекула малонил-CoA е прикрепена към свободната SH-група на APB. След това ацилният остатък се отцепва и се прехвърля към малониловия остатък с едновременно декарбоксилиране и реакционният цикъл се повтаря. Така въглеводородната верига на бъдещата мастна киселина постепенно нараства (с два въглеродни атома за всеки цикъл). Това се случва до момента, в който се удължи до 16 въглеродни атома.