Особенности окисления ненасыщенных жирных кислот

Ненасыщенные жирные кислоты в значительных количествах входят в состав животных и растительных клеток, что определяется их биологи-ческой ролью. В отличие от D-стереоизомеров еноильных промежуточных продуктов процесса β-окисления природные ненасыщенные жирные кислоты представлены L-стереоизомерами. В полиненасыщенных жирных кислотах, помимо этого, двойные связи не занимают того положения, в котором они могли бы подвергаться действию еноил-КоА-гидратазы. Поэтому их окисление требует дополнительных ферментативных стадий.

Существуют два дополнительных фермента, присутствие которых позволяет использовать ненасыщенные жирные кислоты в процессе β-окис-ления. Как можно видеть на примере олеиновой кислоты, первоначально она вступает в три последовательные стадии цикла β-окисления, вследствие чего укорачивается на шесть углеродных атомов, которые используются для образования трех ацетильных радикалов в молекулах ацетил-КоА. Другим продуктом распада олеиновой кислоты при этом становится 12-углеродная ненасыщенная жирная кислота с двойной связью между третьим и четвертым углеродными атомами в cis-конфигурации (рис. 104). Этот продукт не может подвергаться дальнейшим превращениям в еноил-КоА-гидратазной реакции процесса β-окисления (рис. 101).

Данный промежуточный продукт окисления ненасыщенной жирной кислоты под действием еноил-КоА-изомеразы превращается в trans-изо-мер, в котором двойная связь перемещается от третьего к второму углеродному атому. Продукт реакции приобретает способность вступать в реакцию гидратации, катализируемую еноил-КоА-гидратазой.

Рисунок 104 –Особенности окисления ненасыщенной жирной кислоты

(пальмитоолеиновой кислоты) в процессе β-окисления

Сначала происходит распад пальмитоолеиновой кислоты с образованием трех молекул ацетил – КоА и 3,4-cis-еноил-КоА (С₁₀). Образовавшийся cis-изомер еноил-КоА под действием еноил-КоА-изомеразы превращается в trans-изомер. trans-Еноил-КоА вступает в цикл β-окисления на уровне еноил-КоА-гидратазной реакции.

Окисление полиненасыщенных жирных кислот требует участия дополнительного фермента – эпимеразы.

Синтез высших жирных кислот

Биосинтез высших жирных кислот происходит в цитозоле животной клетки, так как именно в этом внутриклеточном компартменте локализуется комплекс ферментов, катализирующий отдельные стадии данного процесса. В растительных клетках биосинтез жирных кислот происходит в хлоропластах.

Предшественником образования высших жирных кислот является ацетил-КоА. Мощными поставщиками данного метаболита служат следующие процессы:

1. Окислительного декарбоксилирования пирувата.

2. Окислительного распада аминокислот.

3. β-Окисления высших жирных кислот.

Все эти процессы происходят внутри митохондрий. Однако внутренняя митохондриальная мембрана непроницаема для ацетил-КоА. В связи с этим его транспорт из митохондрий в цитоплазму осуществляется с помощью особого механизма переноса. Суть переноса ацетил-КоА в цитоплазму заключается в следующем.

В митохондриальном матриксе ацетил-КоА в цитратсинтазной реакции цикла трикарбоновых кислот взаимодействует с оксалоацетатом. При этом в качестве продукта реакции образуется лимонная кислота:

Лимонная кислота при помощи особого белкового переносчика трикарбоновых кислот транспортируется через внутреннюю митохондриальную мембрану в межмембранное пространство митохондрий и далее – в цитоплазму. В цитоплазме клетки она распадается под действием фермента АТФ – цитратлиазы:

Таким образом, в двух сопряженных реакциях, которые протекают в различных компартментах клетки и при участии переносчика трикарбоксилатов, ацетил-КоА транспортируется из митохондрий в цитоплазму. Этот процесс является энергозависимым, так как связан с использованием АТФ в цитратлиазной реакции.

Цитозольный ацетил-КоА подвергается карбоксилированию в реакции, катализируемой ацетил-КоА-карбоксилазой:

Фермент ацетил-КоА-карбоксилаза представляет собой сложный белок, у которого в качестве простетической группы используется остаток фосфорилированного биотина (витамина Н). Реакция, катализируемая этим энзимом, практически необратима, что связано сопряженным с ней гидролизом АТФ. Продуктом этой реакции является малонил-КоА, ключевой продукт синтеза высших жирных кислот.

Ацетил-КоА-карбоксилазная реакция – это лимитирующая стадия процесса биосинтеза высших жирных кислот. Ацетил-КоА-карбоксилаза представляет собой аллостерический фермент. В качестве его активатора выступает лимонная кислота, а ингибитора – конечный продукт биосинтеза высших жирных кислот – пальмитоил-КоА.

Все ферменты, катализирующие последующие стадии синтеза жирных кислот, связаны в единый полиферментный комплекс, получивший название синтаза высших жирных кислот. В его состав входят семь различных энзимов в определенных количественных соотношениях друг с другом. В клетках позвоночных животных свойства всех отдельных ферментов комплекса выполняет единственный полипептид, на котором имеется семь различных активных центров. При этом в состав синтазы высших жирных кислот в них входит две субъединицы, представленные такими полипептидами.

Центральное место в комплексе занимает ацилпереносящий белок (АПБ). АПБ последовательно соединяется с промежуточными продуктами биосинтеза и переносит их с активного центра одного фермента на другой (рис. 105).

Рисунок 105 – Схема строения синтазы высших жирных кислот

АПБ представляет собой сложный белок, имеющий сравнительно небольшую молекулярную массу. Его небелковая часть (простетическая группа) представляет собой 4-фосфопантотеин – фосфорилированное производное витамина В_З (пантотеновой кислоты), с которым связан остаток тиоэтаноламина:

Простетическая группа АПБ связывается с его полипептидной цепью через остаток серина.

SH-группа простетической группы АПБ участвует в связывании малонильного остатка. Важное значение в синтезе высших жирных кислот приобретает еще одна сульфгидрильная группа, входящая в состав цистеинового радикала одного из ферментов синтазного комплекса. Учитывая значения различных SH-групп в синтезе высших жирных кислот, активный синтазный комплекс можно представить как (рис. 106)

Рисунок 106 – Схематическое изображение полиферментного

комплекса синтеза высших жирных кислот (СВЖК)

Началу синтеза высшей жирной кислоты предшествует присоединение исходных субстратов (ацетил-КоА и малонил-КоА) к синтазному комплексу (рис. 107):

Процесс присоединения субстратов происходит с участием ферментов синтазного комплекса – АПБ-ацетилтрансферазы и АПБ-малонил-trans-феразы. В связанном с ацетильным и малонильным радикалами состоянии комплекс готов к началу процесса синтеза высшей жирной кислоты.

Рисунок 107 – Присоединение субстратов к синтазе высших жирных кислот

На начальной стадии биосинтеза высших жирных кислот происходит конденсация ацетильной и малонильной групп, с образованием ацетоацетильного промежуточного продукта. Реакция катализируется ферментом

3-кетоацил-АПБ-синтазой. В ходе этой реакции происходит выделение молекулы СО₂, которая в свое время была использована для синтеза малоновой кислоты (рис. 108).

Образованный 3-кетоацил связан с SH-группой небелкового компонента АПБ. Вторая активная SH-группа (цистеиновая) синтазного комплекса при этом оказывается в восстановленном состоянии.

В следующей реакции происходит восстановление карбонильной группы 3-кетоацил-АПБ. Реакция катализируется 3-кетоацил-АПБ-редуктазой. Этот фермент представляет собой пиридинзависимую дегидрогеназу, у которой в качестве кофермента используется восстановленный НАДФ. В качестве продукта восстановления при этом образуется 3-гидро-ксиацил-АПБ. В следующей реакции он подвергается дегидратации при помощи фермента 3-гид-роксиацил-АПБ-дегидратазы с образованием непредельного производного жирной кислоты – гноил-АПБ. В заключительной реакции цикла синтеза гноил-АПБ восстанавливается под действием пиридинзависимого энзима – еноил-АПБ-редуктазы. В качестве кофермента этот фермент использует восстановленный НАДФ. Продукт редуктазной реакции представляет собой остаток короткоцепочной жирной (масляной) кислоты – бутирил-КоА.

Рисунок 108 – Цикл синтеза высших жирных кислот на синтазном

полиферментном комплексе

Образованный бутирильный радикал переносится с АПБ на цистеиновую SH-группу синтазного комплекса. К освободившейся при этом сульфгидрильной группе АПБ присоединяется новый малонильный остаток (рис. 109).

Рисунок 109 – Перенос бутирильного остатка на цистеиновую

сульфгидрильную группу синтетазного комплекса

После того как в синтазном комплексе функциональные сульфгидрильные группы оказываются связанными с бутирильным и малонильным радикалами, начинается новый цикл синтеза высшей жирной кислоты. В процессе него происходит образование остатка 6-углеродной кислоты. Цикл синтеза высшей жирной кислоты неоднократно повторяется. В результате происходит последовательное нарастание длины ацильного (жирнокислотного) радикала на два углеродных атома. После образования продукта, содержащего в своем составе 16–18 углеродных атомов (пальмитиновой или стеариновой кислот), синтез жирной кислоты прекращается. Синтезированная молекула жирной кислоты отщепляется от АПБ под действием фермента гидролазы (рис. 110):

Рисунок 110 – Освобождение пальмитиновой кислоты

от синтазного комплекса

Суммарное уравнение процесса синтеза высших жирных кислот на примере пальмитиновой кислоты имеет вид

Учитывая, что предшественником малонил-КоА является ацетил-КоА, балансовое уравнение можно представить как

Из балансового уравнения реакции видно, что процесс биосинтеза ВЖК является энергозависимым. Для его энергетического обеспечения используются АТФ и восстановленный НАДФ.

Продуктами синтеза высших жирных кислот на синтазном комплексе являются жирные кислоты с четным числом углеродных атомов - пальмитиновая и стеариновая кислоты. Далее они могут использоваться в процессах образования жирных кислот с большим числом углеродных атомов (до 22–26), а также ненасыщенных жирных кислот.

Обмен стеринов

Из всех известных стеринов особенно широкое распространение имеет представитель животного происхождения – холестерин. Холестерин выполняет разнообразные функции. Он выступает в роли компонента липидного бислоя биологических мембран, предшественника витамина D, стероидных гормонов и желчных кислот в организме животных.

Большая часть свободного холестерина входит в состав клеточных мембран и миелиновых оболочек нервных проводников.

Биосинтез холестерина условно подразделяется на четыре стадии:

I. Биосинтез мевалоновой кислоты.

II. Образование сквалена из мевалоновой кислоты.

III. Циклизация сквалена с образованием ланостерина.

IV. Превращение ланостерина в холестерин.

Исходным субстратом для биосинтеза холестерина является ацетил-КоА. В результате цепи последовательных ферментативных превращений он через стадию образования 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА трансформируется в мевалоновую кислоту (рис. 111).

Рисунок 111 – Образование мевалоновой кислоты аз ацетил-КоА

На следующей стадии синтеза холестерина происходит фосфорилирование мевалоновой кислоты за счет АТФ и последующее образование ряда фосфорилированных промежуточных продуктов (рис. 112). При декарбоксилировании одного из них образуется изопентилпирофосфат – активная изопреновая единица. Изопентилпирофосфат принимает участие не только в процессе синтеза холестерина. Он выступает также в качестве промежуточного продукта синтеза каротиноидов, боковых цепей убихинона (коэнзима Q), витаминов К и Е.

Рисунок 112 – Основные этапы образования сквалена из

мевалоновой кислоты

В процессе синтеза холестерина часть изопентилпирофосфата изомеризуется в диметилаллилпирофосфат. Конденсация этих двух соединений (изопентинилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата) приводит к образованию 10-углеродного промежуточного продукта синтеза холестерина – геранилпирофосфата. Геранилпирофосфат соединяется с новой молекулой изопентенилпирофосфата с образованием фарнезилпирофосфата, содержащего 15 атомов углерода. Две молекулы фарнезилпирофосфата, соединяясь “голова к голове”, теряют пирофосфатный остаток и образуют сквален.

Молекула сквалена состоит из 30 атомов углерода. На стадии образования сквалена завершается анаэробная фаза биосинтеза холестерина. Третья стадия процесса является аэробной и требует присутствия кислорода. На ней происходит окислительная циклизация сквалена, сопровождающаяся образованием первого циклического промежуточного продукта – ланостерина. Ланостерин имеет гидроксильную группу в положении 3 циклопентанпергидрофенантренового остатка, а также три “лишние”, в сравнении с холестерином, метильные группы. Впоследствии эти метильные группы окисляются до карбоксильных, которые удаляются путем декарбоксилирования. В результате всех этих превращений образуется ряд промежуточных продуктов стероидной природы (зимостерин, десмостерин), которые выступают в роли непосредственных предшественников образования холестерина. При восстановлении десмостерина образуется свободный холестерин:

Ланостерин

В растениях сквален циклизируется с образованием стигмастерола, а в грибах – эргостерола, которые в свою очередь выступают в качестве предшественников синтеза растительных стеринов (фитостеринов) и стеринов грибов.

Балансовое уравнение процесса биосинтеза холестерина можно представить как

Из него видно, что из 18 молекул ацетил-КоА образуется одна молекула холестерина. В качестве донора водорода в редуктазных реакциях используется восстановленный НАДФ, а источника кислорода – молекулярный кислород.

Все промежуточные продукты биосинтеза холестерина нерастворимы в воде, поэтому в процессе синтеза они находятся в связанном со стеринпереносящими белками состоянии.

Синтез холестерина регулируется по принципу отрицательной обратной связи. Основным регуляторным звеном этого процесса является 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА-редуктазная реакция.

Распад холестерина не сопровождается разрушением циклопентанпергидрофенантренового фрагмента молекулы и образованием углекислого газа и воды в качестве конечных продуктов. Основные пути утилизации холестерина в организме человека и животных связаны с его превращением в желчные кислоты, витамин D₃ и стероидные гормоны.

Важную роль в обмене липидов играет процесс их перекисного окисления (ПОЛ).