2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Лекция 18

ЦЕНТРАЛЬНАЯ РОЛЬ АЦЕТИЛ КоА

ВМЕТАБОЛИЗМЕ ЛИПИДОВ

1.Источники ацетил-КоА и его использование

Основными источниками ацетил-КоА служат: β-окисление жир-

ных кислот, расщепление кетогенных аминокислот, окисление глюкозы до пирувата и окислительное декарбоксилирование его до ацетил-КоА.

Образующийся ацетил-КоА служит отправной точкой следующих

важнейших метаболических путей: 1) окисление в ЦТК, 2) синтез кетоновых тел, 3) синтез холестерина, 4) биосинтез жирных кислот.

2. Кетогенез

Ацетил-КоА включается в ЦТК в условиях, когда расщепление

жиров и углеводов сбалансировано. Ускоренный катаболизм жирных кислот или сниженный уровень использования углеводов (как порознь, так и в сочетании) могут приводить к накоплению ацетил-КоА и синте-

зу из него кетоновых тел: ацетоацетата, -гидроксибутирата и ацето-

на. Синтез кетоновых тел происходит в митохондриях печени. Ацетоацетат образуется из ацетил-КоА в 3 стадии. Вначале 2 молекулы аце- тил-КоА конденсируются с образованием ацетоацетил-КоА:

192

-гидрокси- Метил-Глутарил-КоА (ГМГ-КоА)

ГМГ-КоА-лиаза

В норме в митохондриях печени образуется небольшое количе-

ство кетоновых тел. В печени ацетоацетат не может окислиться, поэтому с током крови он попадает в скелетные мышцы, сердце, мозг, которые способны превращать ацетоуксусную кислоту вновь в ацетил-

КоА.

O

CH3 C CH2 COOH + сукцинил-КоА

сукцинил-КоА-ацетоацетат-

трансфераза (ее нет в печени)

O O

Сукцинат +CH3 C CH2 C~SKoA

ацетоацетил-КоА

193

тиолаза

+ HSKoA

O

2CH3 C~SKoA

ацетил-КоА

ЦТК

Таким образом, ацетоацетат в норме выполняет роль источника энергии для сердечной мышцы, скелетных мышц, мозга.

Голодание и диабет, ведущие к усиленному освобождению жирных кислот из тканевых депо и к снижению метаболизма углеводов в печени, приводят к образованию такого избытка кетоновых тел, что внепеченочные ткани не справляются с их утилизацией. Это приводит к накоплению кетоновых тел в крови (кетонемия), которые обладают свойствами кислот, что снижает рН и развивается метаболический ацидоз. При большом избытке кетоновых тел они выводятся почками, т.е. возникает кетонурия. В крайне тяжелых случаях ацетон выводится через легкие и может быть обнаружен в выдыхаемом воздухе.

3. Синтез холестерина

Холестерин может поступать с пищей или синтезироваться de novo. Синтез холестерина осуществляется в клетках почти всех органов и тканей, однако в значительных количествах он синтезируется в печени – 80%, стенке тонкой кишки – 10% и коже – 5%. За сутки в организме взрослого синтезируется около 800 мг холестерина.

Синтез происходит из ацетил-КоА с затратой АТФ, в эндоплазматическом ретикулуме, необходимы Mg, НАДФН2. В синтезе выделяют 3

этапа:

1 этап. Образование 5-углеродного метаболита Ã изопентенила

(синтез изопреновых блоков).

Начало синтеза совпадает с синтезом кетоновых тел до стадии

CH

3

ГМГ-КоА

+2 НАДФН2 ГМГ-КоА-редуктаза

194

OH

COOH CH2 C CH2 CH2OH + HSKoA +2 НАДФ

CH3

мевалоновая кислота

Это практически необратимая реакция лимитирует скорость синтеза холестерина. ГМГ-КоА-редуктаза – регуляторный фермент. Ско-

рость синтеза редуктазы в печени подвержена четким суточным колебаниям: максимум ее приходится на полночь и минимум на утренние часы. Активность ГМГ-КоА-редуктазы (или содержание ее в клетках печени) возрастает при действии ионизирующей радиации, введении инсулина и тиреоидных гормонов, а также при гипофизэктомии, что

приводит к усилению синтеза холестерина и повышению его уровня в крови. Напротив, угнетение синтеза холестерина, связанное с воздействием на редуктазу, отмечается при голодании, тиреоэктомии, при введении глюкагона и глюкокортикоидов, а также больших доз никотиновой кислоты.

В отличие от печени, в стенке тонкой кишки синтез холестерина регулируется исключительно концентрацией желчных кислот. Так, отсутствие желчных кислот в кишечнике при наличии желчной фистулы ведет к повышению синтеза холестерина в тонкой кишке в 5-10 раз.

Далее идет 2 фосфорилирования мевалоновой кислоты:

5-пирофосфомевалоновая кислота

СО2 Н2О

диметилалилпирофосфат

(5 атомов С, изопреновое звено)

195

Изопреновое звено схематически можно изобразить следующим образом:

сфорилированный «хвост»

«го

2 этап. Конденсация изопреновых блоков в сквален (30 атомов

При образовании холестерина из ланостерина происходит:

1.Удаление трех метильных групп.

2.Насыщение двойной связи в боковой цепи.

3.Перемещение двойной связи в кольце из положения 8,9 в положение 5,6.

OH

Холестерин

Начиная со сквалена и кончая самим холестерином, все промежуточные продукты биосинтеза нерастворимы в водной среде. Поэтому они участвуют в конечных реакциях биосинтеза холестерина, будучи связанными со стеринпереносящими белками. Это обеспечивает их растворимость в цитозоле клетки и протекание соответствующих реакций.

196

Стеринпереносящие белки обеспечивают также перемещение холестерина внутри клетки, что имеет важное значение для вхождения его в клеточные мембраны, окисления в желчные кислоты, превращения в стероидные гормоны.

Наиболее интересной находкой явилось установление того факта, что пищевой холестерин угнетает синтез собственного холестерина в печени и что синтез холестерина в целом регулируется по принципу отрицательной обратной связи.

Предполагается, что холестерин или продукты его окисления в клетке могут угнетать непосредственного синтез редуктазы или индуцировать синтез энзимов, участвующих в ее деградации. И в этом, и в другом случае тормозится восстановление ГМГ-КоА в мевалоновую

кислоту, что незамедлительно сказывается на синтезе холестерина в целом. В 70-е годы ХХ века в ряде стран (Япония, США и др.) проводился

усиленных поиск лекарственных ингибиторов редуктазы, завершившийся к настоящему времени большим успехом - внедрением в клини-

ческую практику соединений, известных под названием «статинов» (ловастатин, правастатин, симвастатин и др.) Эти соединения, структурно близкие лактону мевалоновой кислоты, в относительно небольших дозах (20-80 мг в день) эффективно снижают уровень холестерина в крови за счет угнетения его синтеза в печени на стадии превращения ГМГ-

КоА в мевалоновую кислоту.

В 1964 г. М. Siperstein и V. Fagan показали, что в гепатоме мыши

отсутствует регуляция синтеза холестерина по принципу отрицательной обратной связи, и, таким образом, синтез стерина, столь необходимого для построения мембран быстро пролиферирующих раковых клеток, идет бесконтрольно. Это наблюдение оказалось справедливым и для гепатомы человека, и для некоторых других злокачественных новообразований. Здесь уместно упомянуть еще об одной интересной находке: V. Huneeus и соавт. (1979) нашли, что мевалоновая кислота, помимо того,

что является промежуточным продуктом в синтезе холестерина, активно участвует в репликации ДНК, хотя механизм этого участия еще не ясен. Все это побудило высказать мнение, что бесконтрольное образование не только холестерина, но и мевалоната играет определенную роль в развитии злокачественной опухоли [Siperstein М., 1984].

4. Биосинтез жирных кислот

Биосинтез жирных кислот можно рассматривать как процесс, складывающийся из 3 этапов.

I. Транспорт ацетил-КоА в цитозоль из митохондрий; II. Образование малонилКоА;

III. Конденсация этих молекул и их восстановление с образовани-

197

ем высших насыщенных жирных кислот, главным образом пальмитиновой.

I этап. Образование ацетил-КоА происходит в митохондриях, а их мембрана непроницаема для ацетил-КоА. Перенос ацетильных групп

происходит при помощи цитрата (цитратный челночный механизм).

митохондрии

ацетил-КоА + ЩУК

цитратсинтаза

цитрат + HSKoA

транслоказа

цитратлиаза

ацетил-Ко + АДФ + Рн + ЩУК

ЩУК может вернуться в митохондрии с помощью своей транслоказы, но чаще она восстанавливается до малата с участием малатдегидрогеназы (МДГ).

цитозоль ЩУК + НАДН + алат + НАД+

Малат декарбоксилируется НАДФ-зависимой малатдегидро-

геназой (маликфермент):

Образующийся НАДФН2 используется в дальнейшем для синтеза

жирных кислот.

II этап. Ацетил-КоА карбоксилируется под действием ацетил- КоА-карбоксилазы, сложного фермента, коферментом которого служит

витамин биотин.

O O

CH 3 C~SKoA+CO 2+ АТФ COOH CH 2 C~SKoA+ АДФ+Рн

малонилКоА

Эта реакция лимитирует скорость всего процесса синтеза жирных кислот.

III этап. Протекает при участии мультиферментного пальми-

198

татсинтазного комплекса. Он состоит из двух полипептидных цепей. Каждая полипептидная цепь содержит все 6 ферментов синтеза (трансацилаза, кетоацилсинтаза, кетоацилредуктаза, гидратаза, еноилредуктаза, тиоэстераза). Ферменты связаны между собой ковалентными связями, ацилпереносящий белок (АПБ) является также частью полипептидной цепи, но его функция связана только с переносом ацильных радикалов. В процессе синтеза важную роль играют тиогруппы. Одна из них принадлежит 4-фосфопантотеину, входящему в состав АПБ (центральная)

и вторая – цистеину кетоацилсинтазы (периферическая). Функциональная единица синтеза состоит из половины одного мономера, взаимодействующего с комплементарной половиной второго мономера, где центральная SH-группа одного мономера очень близка к периферической SH-группе другого. Т.е. на синтазном комплексе синтезируются одно-

временно 2 жирные кислоты и только димер активен. Перенос субстрата от фермента к ферменту происходит при участии АПБ.

Многие мультиферментные комплексы эукариот состоят из полифункциональных белков, в которых различные ферменты ковалентно связано в единую полипептидную цепь. Преимущество такой организа-

ции - возможность координирования синтеза различных ферментов.

Кроме того, мультиферментный комплекс, состоящий из ковалентно

соединенных ферментов, является более стабильным, чем комплекс, образованный нековалентными связями.

Гибкость и максимальная длина в 20 Ангстрем фосфопантетеинильного компонента представляются критическими для функции мультиферментного комплекса, поскольку они обеспечивают тесный контакт удлиняющейся цепи жирной кислоты с активным центром каждого фермента в комплексе. Для взаимодействия субъединиц фермента с субстратом не требуется их большой структурной перестройки, поскольку сам субстрат на длинном гибком плече может достигнуть каждого активного центра. Организованная структура синтетаз жирных кислот у дрожжей и высших организмов повышает общую эффективность процесса благодаря прямому переносу промежуточных продуктов от одного активного центра к следующему. Реагирующие соединения не разбавляются в цитозоле. Кроме того, им не нужно «находить» друг друга путем случайной диффузии. Еще одним преимуществом такого мультиферментного комплекса является то обстоятельство, что ковалентно связанные промежуточные продукты изолированы и защищены от конкурирующих реакций.

199

Реакции III этапа

1.При участии трансацилазы остатки малонила переносятся на центральную SH-группу, а ацетила – на периферическую.

2.Кетоацилсинтаза переносит ацетильный остаток с периферической SH-группы на остаток малонила, это реакция конденсации, энер-

гия для нее освобождается при одновременном декарбоксилировании малонила.

3.Для удаления О2 далее проходят 3 последовательные реакции:

восстановление – дегидратация – восстановление. Первая реакция восстановления происходит при участии кетоацилредуктазы с коферментом НАДФН2, при этом кетогруппа восстанавливается в спиртовую.

4.Удаление воды происходит при участии гидратазы.

5.Восстановление двойной связи еноилредуктазой с кофермен-

том НАДФН2. В результате последних трех реакций – восстановления,

дегидратирования и второго восстановления – происходит превращение

200

ацетоацетил-АПБ в бутирил-АПБ, которое завершает первый цикл

элонгации.

6. Если в данный момент в клетке нужна именно масляная ки-

слота, то тиоэстераза (деацилаза) отщепляет масляную кислоту с центральной SH группы на цитоплазматический КоА. При необходимости жирной кислоты с более длинной цепью, трансацилаза переносит остаток масляной кислоты на периферическую SH-группу, а к центральной вновь переносится малонил-КоА и элонгация повторяется, пока не об-

разуется пальмитиновая кислота. Она отщепляется тиоэстеразой и соединяется с цитоплазматическим коферментом А. Полученный комплекс пальмитоил-КоА ингибирует пальмитатсинтазу, вызывая диссо-

циацию димера на мономеры. Синтез жирных кислот прекращается.

Дальнейшее удлинение пальмитиновой кислоты может происходить двумя механизмами:

1. Митохондриальный. Остаток пальмитиновой кислоты карнитином переносится в митохондрии, где происходит удлинение за счет присоединения ацетил-КоА по пути, обратному -окислению. Отличие: используется кофермент НАДФН2, а не ФАД и НАД.

2. Микросомальный. Напоминает цитоплазматический, т.е. удлинение происходит за счет малонил-КоА, отличие – промежуточные

продукты не связываются с АПБ, т.е. все ферменты действуют разрозненно.

В микросомах с помощью оксидаз также происходит введение двойных связей в насыщенные жирные кислоты с образованием мононенасыщенных жирных кислот, при этом используется НАДФН2 и О2:

Пальмитоил-КоА+НАДФН2+О2 Пальмитоолеил-КоА+2Н2О+НАДФ

Скорость синтеза жирных кислот регулируется механизмами кратковременного и долговременного контроля. Кратковременная регуляция происходит аллостерически на уровне фермента ацетил-КоА- карбоксилазы: цитрат - активатор, пальмитат и др. жирные кислоты –

ингибиторы. Долговременная регуляция осуществляется через синтез ферментов и их деградацию при участии гормонов.

Полиеновые жирные кислоты - линолевая и линоленовая в орга-

низме человека не синтезируются, а должны поступать с пищей (незаменимые). Все остальные полиненасыщенные жирные кислоты синтезируются из этих кислот, особенно важен синтез арахидоновой и эйкозапентаеновой кислот, являющимися предшественниками эйкозаноидов.

201