Синтез ненасыщенных жирных кислот
1. В мембране эндоплазматического ретикулума (микросомах) с помощью оксидаз происходит введение двойных связей в насыщенные жирные кислоты с образованием мононенасыщенных жирных кислот: пальмитолеиновая (16:1, ∆9) синтезируется из пальмитиновой кислоты; олеиновая (18:1, ∆9) – из стеариновой кислоты). Для реакции используется НАДФН+Н+ и О2.
Пальмитоил-КоА + НАДФН+Н+ + О2 ® пальмитоолеил-КоА + 2 Н2О + НАДФ+
Согласно классическим представлениям у млекопитающих этот процесс осуществляется с помощью ферментов десатураз (десатурация – получение ненасыщенного продукта). Термин «десатуразы»широко используется в англоязычной биохимической литературе.
2. Полиеновые жирные кислоты – линолевая и линоленовая не синтезируются, а поступают с пищей (незаменимые). Остальные полиненасыщенные синтезируются из них. Особенно важен синтез арахидоновой кислоты, являющейся предшественником эйкозаноидов.
В организме человека могут синтезироваться жирные кислоты только с 1 двойной связью – пальмитолеиновая и олеиновая. Жирные кислоты с 2 и 3 двойными связями не синтезируются и являются незаменимым компонентом пищи. Жирные кислоты с 4 двойными связями (арахидоновая) могут синтезироваться, если с пищей поступило достаточное количество (25 г/сутки подсолнечного масла) линолевой и линоленовой кислот.
Разветвленные жирные кислоты синтезируются из продуктов деградации аминокислот с разветвленным радикалом (вал, иле, лей) через ацильные производные с КоА путем удлинения цепи и при участии АПБ.
Регуляция синтеза жирных кислот
Скорость синтеза жирных кислот регулируется кратковременными и долговременными механизмами контроля.
1. Кратковременная регуляция аллостерически на уровне ацетил-КоА-карбоксилазы.
Эта реакция лимитирует скорость всего процесса синтеза жирных кислот: активаторы – цитрат и инсулин, ингибиторы - синтезированная жирная кислота и глюкагон.
Ацетил-КоА-карбоксилаза регулируется ковалентной модификацией. Глюкагон и адреналин запускают механизм фосфорилирования фермента, что приводит к его инактивации. Инсулин активирует ацетил-КоА-карбоксилазу путем дефосфорилирования фермента.
2. Долговременная регуляция осуществляется через синтез ферментов и их деградацию при участии гормонов. Инсулин способен вызывать долговременную индукцию синтеза фермента. Глюкагон и адреналин оказывают противоположное действие.
Синтез кетоновых тел
Ацетил-КоА включается в ЦТК в условиях, когда расщепление жиров и углеводов сбалансировано. Ускоренный катаболизм жирных кислот или сниженный уровень использования углеводов (как по отдельности, так и в сочетании) могут приводить к накоплению ацетил-КоА и синтезу из него кетоновых тел.Синтез кетоновых тел протекает в печени. Ферменты локализованы в матриксе митохондрий.
10.1. Использование кетоновых тел.В норме образуется небольшое количество кетоновых тел. Кетоновые тела являются водорастворимыми молекулами и транспортируются к различным органам. Ацетоацетат и β-гидроксибутират рассматриваются как важные источники энергии для скелетных мышц, сердечной мышцы и мозга. В тканях, где отсутствуют митохондрии (эритроциты) кетоновые тела не используются.
В печени ацетоацетат не может окисляться, поскольку отсутствует фермент тиофораза, необходимый для метаболизма кетоновых тел.
В периферических тканях β-гидроксибутират превращается в ацетоацетат, который активируется в ацетоацетил-КоА митохондриальным ферментом тиофоразой. Источником HS-КоА является сукцинил-КоА (промежуточный продукт ЦТК). Тиолаза расщепляет ацетоацетил-КоА до
2-х молекул ацетил-КоА.
Таким образом, одна молекула ацетил-КоА своеобразная плата за доставку энергии из печени к периферическим тканям: в печени на синтез кетоновых тел потребовалось три молекулы ацетил-КоА, а в периферических тканях освободились только 2 молекулы ацетил-КоА.
Регуляция кетогенеза
1.Биосинтез кетоновых тел активируется только при увеличении в крови свободных жирных кислот, т.е. для регуляции кетогенеза важны факторы, контролирующие стадию мобилизации свободных жирных кислот из жировой ткани.
2.Свободные жирные кислоты в печени используются для биосинтеза либо триацилглицеролов, либо включаются в процесс β-окисления. Расхождение путей метаболизма жирных кислот регулируется скоростью их транспорта через митохондриальную мембрану в матрикс, где и происходит β-окисление.
3. Ацетил-КоА в матриксе митохондрий может либо окисляться в ЦТК, либо метаболизироваться по пути кетогенеза, т.е. образовывать кетоновые тела.
4. Кетогенез регулируется гормонами: глюкагон – активирует, инсулин – ингибирует.
Синтез холестерола
Холестерол (холестерин) может поступать с пищей или синтезироваться de novo. Синтез холестерола осуществляется в клетках почти всех органов и тканей, однако в значительных количествах - в печени 80%, в пищеварительном тракте - 10% и коже - 5%. За сутки в организме взрослого синтезируется около 500 мг холестерола.
Функции холестерола:
1. Структурный компонент клеточных мембран.
2. Предшественник для синтеза всех других стероидов в организме (стероидных гормонов, витамина D и желчных кислот).
3. Структурный компонент липопротеинов, участвующих в транспорте липидов в организме.
Ферменты, участвующие в синтезе холестерола, локализованы в цитозоле и микросомальной фракции клеток. Синтез происходит из ацетил-КоА с затратой АТФ, Mg2+, НАДФН+Н+. В синтезе выделяют 5 стадий:
1. Синтез ГМГ-КоА (β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА). 2 молекулы ацетил-КоА под действием тиолазы конденсируются с образованием ацетоацетил-КоА, к которому затем присоединяется третья молекула ацетил-КоА и синтезируется ГМГ-КоА. Данные реакции аналогичны реакциям при синтезе кетоновых тел. Однако, эти пути различаются, поскольку кетоновые тела синтезируются в митохондриях, а синтез холестерола происходит в цитозоле. Таким образом, существует 2 пула ГМГ-КоА в клетках.
2.Синтез мевалоната. ГМГ-КоА-редуктаза катализирует восстановление ГМГ-КоА до мевалоновой кислоты с использованием НАДФН+Н+. ГМГ-КоА-редуктаза является интегральным белком гладкого эндоплазматического ретикулума и главным ферментом, регулирующим скорость синтеза холестерола.
3.Синтез изопреновых единиц.В результате 3-х реакций, катализируемых киназами с затратой 3 молекул АТФ, мевалонат превращается в 3-фосфо-5-пирофосфомевалонат, который декарбоксилируется с образованием изопентенилпирофосфата. Изопентенилпирофосфат изомеризуется в диметилаллилпирофосфат. Оба соединения являются 5-углеродными изопреновыми единицами.
4.Синтез сквалена.Три молекулы диметилаллилпирофосфата конденсируются (соединение «голова к хвосту») и образуется фарнезилпирофосфат (15С). Из двух единиц фарнезилпирофосфата соединением «хвост к хвосту» синтезируется сквален (30С).
5.Превращение сквалена в холестерол. Свален подвергается гидроксилированию и циклизации с использованием О2 и НАДФН+Н+ и превращается в ланостерол. Синтез холестерола из ланостерола является многоэтапным процессом, который включает:
а) удаление 3-х метильных групп;
б) насыщение двойной связи в боковой цепи;
в) перемещение двойной связи в кольце из положения 8,9 в положение 5,6.
Синтез холестерола является частью метаболического пути синтеза некоторых других изопреновых соединений, например, убихинона в митохондриальной цепи переноса электронов и долихола в гликопротеинах.
11.1. Регуляция синтеза холестерола.ГМГ-КоА редуктаза – необратимая реакция, которая определяет скорость синтеза холестерола.
1. Механизм обратной связи. Конечный продукт холестерол контролирует синтез по механизму обратной связи. Повышение внутриклеточной концентрации холестерола снижает синтез фермента ГМГ-КоА-редуктазы. Это происходит за счет снижения транскрипции гена, ответственного за синтез фермента. Активность ГМГ-редуктазы и скорость синтеза холестерола ускоряются при снижении содержания холестерола в печени, пище, при действии радиации.
2.Гормональная регуляция. ГМГ-редуктаза существует в двух формах. Дефосфорилированная форма фермента активна, фосфорилированная форма – неактивна. Этот фермент подобно ацетил-КоА-карбоксилазе (катализирует образование малонил-КоА в биосинтезе жирных кислот) контролируется АМФ-зависимой протеинкиназой. Синтез холестерола прекращается при низком уровне АТФ.
Гормоны глюкагон и глюкокортикоиды способствуют формированию неактивной ГМГ-КоА-редуктазы и, следовательно, снижают скорость синтеза холестерола. Инсулин и тироксин повышают продукцию холестерола, способствуя образованию активной ГМГ-КоА-редуктазы.
Все регуляторные механизмы реализуются через рецепторы, отслеживающие концентрацию холестерола в кровеносном русле.
11.2. Судьба синтезированного холестерола.Значительная часть холестерола синтезируется в печени. Небольшая фракция холестерола включается в мембраны гепатоцитов; основное количество холестерола экспортируется в виде одной из трех форм: холестерол желчи, желчные кислоты или эфиры холестерола.
Рис. 19.1. Синтез холестерола