Гидролиз триглицеридов идет ступенчато: сначала распадаются две внешние сложноэфирные связи (сс-связи). Уравнение этой реакции приведено выше (см. с. 129). Так осуществляется, например, гидролиз триглицеридов в кишечнике человека и животных при каталитическом воздействии липазы поджелудочной железы (М=48000, мономер). Р-Моноглицериды всасываются стенкой кишечника и либо идут на ресинтез триглицеридов уже в кишечной стенке, либо распадаются далее под действием неспецифических эстераз, способных ускорять реакции гидролиза сложных эфиров вторичных спиртов. Примером может служить гидролиз Р-моноглицерида в присутствии али-эстеразы печени:

СН2—ОН СН2—ОН

Алиэстераза I

СН—О—СО—Ci5H31+H20-СН—ОН+С15Н31СООН

' I (карбок- I

силэсте- ' Пальмитиноваа

сн2—ОН раза) сн2—он кислота

р-Моноглидерид Ешцерин

387

I

В растительном царстве липазы широко распространены в семенах и вегетативных органах растений. Специфичность их к а- и Р-глицеридам не установлена, а из дрожжевых грибков выделена липаза, атакующая в равной мере и а- и р-связи (М = 55000, мономер, содержит 7% углеводов). Среди липаз из микроскопических грибов зафиксированы множественные формы. Различают простые липазы, которые каталитически ускоряют освобождение высших жирных кислот из свободных триглицеридов, и липопротеинлипазы, способствующие гидролизу связанных с белками липидов.

Третичная структура дрожжевой липазы выяснена. Ее полипептидная цепь (430 аминокислотных остатков) сложена в глобулу (7x7x5 нм), в центре которой находится активный центр, включающий остаток гистидина. Высказаны предположения и о структуре активного центра панкреатической липазы: ведущую роль в нем играют радикалы гистидина, серина, дикарбоиовых аминокислот и изолейцина. Как и в случае других гидролаз, радикал гистидина служит для переноса протонов, а радикал серина—для акцептирования ацильной группы, высвобождающейся в момент распада сложноэфирной связи в молекуле триглицерида. Радикал изолейцина взаимодействует с углеводородным радикалом остатка высшей жирной кислоты и способствует закреплению молекулы триглицерида в активном центре фермента (рис. 122). Выяснено, что активность липаз регулируется путем их фосфорилирования— дефосфорилирования:

Триглицерид---»- Глицерин + Высшие жирные кислоты

АКТИВН&Я ЛИП&Э&

' - (фосфорилирована)

АДФ

Протеинкиназа_ Протеинкиназа

(неактивная) -¦"" (активная)

АТФ

t

i Неактивная липаза

цАМФ (дефосфорилирована)

Аденилат-циклаза (активируется гормонально)

1Г"

атф

Распад глицерина и высших жирных кислот. В обмене жиров характерно широкое использование продуктов их распада для ресинтеза. Поэтому значительная часть р-моноглицеридов, глицерина и свободных высших жирных кислот, освобождающихся при гидролизе триглицеридов, используется для ресинтеза триглицеридов же, но несколько иного состава и строения, характерного для того или иного организма (если для этого используются пищевые жиры) или органа (если идет перестройка жиров в пределах организма).

Так как новообразованные жиры неизбежно отличаются от распавшихся триглицеридов по строению и соотношению остатков высших жирных кислот (в соответствии с их видовой или тканевой специфичностью), то часть высших жирных кислот и некоторая доля глицерина подвергаются дальнейшей деструкции.

388

СН,—О—CO—R"

СН—О—СО—В/

сн2 сн,

V/ . . . NH^ СН

сн

_|----HN

Г

сн, ч i СО—NH—CH— СО.....HN-CH

сн3-сн2/сн3 сн

. . . NH—СН

иле Nco

Рис. 122. Механизм гид- N.

ОН i

СН, I

ролиза триглицеридов (пояснения в тексте)

NH-CH—СО.....NH

сер

Глицерин независимо от того, поступил ли он на ресинтез жиров или будет претерпевать дальнейший распад, прежде всего фосфорилируется. Донором остатка фосфорной кислоты в этой реакции служит АТФ. Процесс ускоряется соответствующей фосфотрансферазой:

сн2—он

I

СН—ОН+АТФ I

сн2—он

Глицерин о-Глиц рофосфат

Глицерофосфат в основном идет на синтез новых молекул триглицеридов, но часть его окисляется с образованием диоксиацетон-фосфата:

389

>

СН2ОН

Глицеролкнназа

СН—ОН ОН+АДФ

M=2I7000 I

(4xSS00Q) I |

сн,--о—р=о

он

сн2—он

н—он

сн2—о—р=0 \)н

а-Глицерофосфат

НАД+ НАДН+Н+

V >

Глицерол-З-фосфат-дегидрогенаэа; М-68000 (2X34000)

сн2—о—Р==

н2—он о

он о он

Диоксиацетонфосфат

Диоксиацетонфосфат изомеризуется в 3-фосфоглицериновый альдегид, который затем вступает в обменные реакции, рассмотренные ранее (см. гл. VIII).

Наибольший интерес в процессах обмена продуктов гидролиза триглицеридов представляет судьба высших жирных кислот. Первые гипотезы относительно механизма их распада были высказаны в начале нашего столетия (Ф. Кнооп, 1904). В дальнейшем они были уточнены и развиты благодаря работам лабораторий Ф. Линена, Д. Грина, С. Очоа, Г. Ларди и А. Лениндже-ра. Современные данные по этому вопросу сводятся к следующему. Считают, что высшие жирные кислоты разрушаются преимущественно путем Р-окисле-ния. Ненасыщенные высшие жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая и др.) предварительно восстанавливаются до предельных кислот. Окисление предельных высших жирных кислот осуществляется ступенчато, путем отщепления от их молекул двууглеродных фрагментов. Все реакции многостадийного окисления ускоряются специфическими ферментами, причем начиная с третьей фазы (см. ниже) они собраны в виде метаболона с М=260 000 Да.

Первая фаза распада высших жирных кислот заключается в активировании их путем образования соединения с коэнзимом А (КоА), содержащего макро-эргическую связь. Последняя, видимо, способствует более гладкому протеканию реакций окисления образовавшегося соединения, которое называют ацил-коэнзимом А (ацил-КоА). Взаимодействие высших жирных кислот с КоА ускоряется специфическими лигазами—ацил-КоА-синтетазами трех видов специфичных соответственно для кислот с коротким, средним и длинным углеводородными радикалами. Они локализованы в мембранах эндоплазматической сети и в наружной мембране митохондрий. По-видимому, все ацил-КоА-синтетазы являются мультимерами; так, фермент из микросом печени имеет М = 168 000 и состоит из 6 идентичных субъединиц с М=28000.

Уравнение реакции активирования высших жирных кислот перед их окислением таково:

NH, к О

fH3 О О "VNr^

С„НЭ5—СООН+АТФ + HS—CHj—СН,—NH-CO—CHS-CHS— NH—CO—СН-С—СН2—О-р-О—р—О-СН.,0. Стеариновая он сн ОН ОН КГ н

ниг ЛЛТ9 * ГЧ. ¦* /

АцНЛКОЭИЭ М-А-

сннтетаза Mg2+:K+

Коэнэнм A ОН ОН НО—р—О—р—ОН + амф +

ii О

Пирофосфат

СН,

NH,

Чг

+ C„HaCO~S—CHj-CHj—NH—СО—CHj—СН,—NH-CO—СН—С—СН,— О—р—О—р—О—СН-,0.

ОН СИ, он ОН ИГ

Стеарил-КоА

Н0^ГТ'

о—р—о он но'

390

«

Образующийся в этой реакции пирофосфат энергично расщепляется до Н3Р04 при участии пирофосфатазы, что обеспечивает смещение равновесия всего процесса вправо.

Вторая фаза распада высших жирных кислот состоит в окислении ацил-КоА при посредстве ацил-КоА-дегидрогеназы, содержащей флавинадениндину-клеотид (ФАД, см. с. 120) в качестве кофермента:

ФАД ФАДН2

V J _ C15rW /Н С,5Н31—СН2—СН2—CO~SKoA — " ^С==СС

Ацил-KoA- XCO~SKoA дегилрогенаэа

Стеарил-КоА а,/?-Дегидростеарил-КоА

Существует, по меньшей мере, три ацил-КоА-дегидрогеназы, предпочитающие короткие, средние и длинные ацильные радикалы соответственно.

Третья фаза окисления высших жирных кислот состоит в присоединении молекулы воды по месту двойной связи дегидроацил-КоА. Эта реакция ускоряется соответствующими гидролназами. Так как присоединение воды (гидратация) идет по двойной связи (двойная связь условно обозначается частицей ен), то эти ферменты по современной номенклатуре называют еноил-КоА-гидратазами. Один из них специфичен к цисформам дегидроацил-КоА, другой—к транс-формам:

CiSH31—С—Н II

Н—С—СО ~ SKo А+Н 20

Транс-дегидроетеарил-КоА

С, jH з х—СН—СН 2—СО ~ SKo А

Еноил-КоА- ОН гидрата»

L-p-Окснстеарил-КоА

Четвертая фаза распада высших жирных кислот заключается в еще одном окислении путем отнятия двух атомов водорода от Р-углеродного атома (отсюда и весь рассматриваемый здесь механизм носит название Р-окисления). Как и во второй фазе процесса, снятие атомов водорода осуществляется оксидоредуктазой, но с НАД+ в качестве кофермента. Фермент специфичен лишь к L-форме Р-оксиацил-КоА:

С15Н31—СН—СН2—CO-SKoA

он

L -/? -Оксистеарил-К оА

Наконец, последняя, пятая фаза распада сводится к переносу предобразо-ванной в молекуле Р-кетоацил-КоА новой ацильной группировки на молекулу КоА. Этот процесс ускоряется соответствующей ацилтрансферазой, которую предпочитают называть тиолазой, так как сама реакция, по существу, представляет расщепление С—С-связи с присоединением по месту разрыва элементов HS-группы (тиолиз):

Я-Оксиацил-КоА-дсгвдрогснвза _

C15H31—С—СН2—CO~SKoA

НАД+ НАДН+Н

/?-Кетостеарил-КоА

391

Жирные гислоты

СН^-СО-SKoA

Рис. 123. «Спираль» окисления высших жирных кислот

З-Кетоацил-КоА тиолаза

HSKoA+С! 5Н з!—СО—СН 2—СО ~ SKoA-->

v-v--'

ПредобразованиыВ ' остаток паль>

-> С15Н31—CO~SKoA+CH3—CO~SKoA

Пальмитнл-КоА Ацетил-КоА

В результате описанных выше реакций молекула высшей жирной кислоты (стеариновой в нашем примере) укорачивается на два углеродных атома и образуются пальмитиновая и уксусная кислоты в виде производных КоА (пальмитил- и ацетил-КоА). Этот процесс многократно повторяется (рис. 123). Окончательным продуктом Р-окисления высших жирных кисЛот с четным числом углеродных атомов является ацетил-КоА, а с нечетным— пропионил-КоА.

Если бы ацетил-КоА накапливался в организме, то запасы HSKoA скоро исчерпались бы и окисление высших жирных кислот остановилось. Но этого не происходит, так как КоА быстро освобождается из состава ацетил-КоА. К этому приводит ряд процессов: ацетил-КоА включается в цикл трикарбоиовых и дикарбоиовых кислот (см. рис. 117) или весьма близкий к нему глиоксилевый цикл (см. ниже), или, наконец, ацетил-КоА используется для синтеза полициклических спиртов (стеролов) и соединений, содержащих изопреноидные группировки и т. п.

Р-Окисление высших жирных кислот протекает в митохондриях. Естественно, что, поскольку в них же локализованы ферменты дыхательного цикла, ведущие передачу атомов водорода и электронов на кислород сопряженно с окислительным фосфорилированием, Р-окисление высших жирных кислот может явиться источником энергии для синтеза АТФ.

В некоторых случаях высшие жирные кислоты представляют единственные вещества, окисление которых служит источником энергии для окислительного фосфорилирования (биосинтез белка в шелкоотделительной железе шелкопряда, полет насекомых).

В бесструктурной части клеточного содержимого тоже есть ферментные системы, способные окислять высшие жирные кислоты. Окисление, идущее

392

здесь, осуществляется по а-углеродному атому и называется а-окислением. В нем принимают участие Н202 и фермент—пероксидаза:

Пероксидам жирных кислот

СН3-(СНа)13-СН2-СООН 4- 2Н.О,--

(пальм ит т: Н,0,-оксндо-редуктаза)

Пальмитиновая кислота

-- сон- сн3-(сня)18-с/' + ЗН.О

\н

Пентадеииловыя альдегид

Альдегид высшей жирной кислоты окисляется при посредстве дегидрогеназы в высшую жирную кислоту, и процесс повторяется снова:

о .о

Альдегиддегидрогенвзв ^

СН3—(СН2)П—С' + Н20-^ -— CHj—(CH2),j—Сч

>Н. X NOH

НАД(Ф)+ НАД(Ф)Н+Н+ _

Пентадециловая кислота

Так укорачиваются цепи высших жирных кислот, содержащих в своем составе от 15 до 18 углеродных атомов. Указанный дополнительный путь а-окисления высших жирных кислот характерен только для растений. Существует также ферментная система, обеспечивающая оокисление, т. е. окисление по СНз-группе радикала высших жирных кислот. Она изучена в микросомной фракции печени и у микроорганизмов. Сначала под действием монооксигена--4зы (см. гл. X) возникает ю-оксикислота, а затем—дикарбоновая высшая жир-, рая кислота. Последняя укорачивается с любого конца посредством реакций р-окисления.

Обмен ацетил-КоА. Выше отмечалось, что ацетил-КоА быстро -расходуется, высвобождая свободный HSKoA. Следовательно, в реакциях Р-окисления высших жирных кислот HSKoA и его ацильные производные, будучи коферментами, выполняют каталитическую функцию.

Одним из процессов, в результате которого осуществляется регенерация HSKoA, является образование ацетоуксусной кислоты. Этот путь преобразования ацетил-КоА широко представлен в митохондриях печени. Сначала две молекулы ацетил-КоА конденсируются с образованием Р-кетобутирил-КоА и выделением одной молекулы свободного HSKoA:

Ацетил-КоА:

CH,-CO~SKoA+CH3-CO~SKoA -»

/ ацетил-КоА-

ацетилтранс-фераза

-> HSKoA+CH3-CO-CH2-CO~SKoA

Далее HSKoA высвобождается из состава Р-кетобутирил-КоА. Известно несколько реакций, приводящих к такому результату. Среди них преобладает реакция, в которую вовлекается еще одна молекула ацетил-КоА:

393

CjH-!c„!-co-SK„A+r„i^-;-„o„ ——

1 * 1 коэнзим А-синтаза

______J ^

/f-Кетобутирил-КоА Ацетил-КоА

CHj

-*~ HOOC—СН2—С—СН2—CO~SKoA + HSKoA

ОН

/?-Окси-/?-метилглутарил- КоА

Образовавшийся в результате реакции конденсации р-окси-Р-метилглута-рил-КоА представляет весьма важное соединение, так как из него может синтезироваться мевалоновая кислота—ключевое соединение в синтезе стеролов и изопреноидов (см. с. 402). Однако в данном случае (т. е. в митохондриях печени) Р-окси-Р-метилглутарил-КоА распадается на ацетоуксусную кислоту и ацетил-КоА:

СНз I

Оксиметилглутарил-КоА-лиаза

НООС - СН2 - С - СН2 - СО ~ SKo А I

ОН

Р-окси-Р-метилглутарил-КоА

-» CH3-CO-CH2-COOH+CH3CO~SKoA

Ацетоуксусная кислота Ацетил-КоА

.

В результате перечисленных выше реакций из двух молекул ацетил-КоА синтезируется одна молекула ацетоуксусной кислоты и высвобождаются две молекулы HSKoA.

Другой распространенный путь обмена ацетил-КоА—это взаимодействие с енольной формой щавелевоуксусной кислоты с образованием цитрил-КоА, т. е. вступление в цикл трикарбоиовых и дикарбоиовых кислот. При гидролизе цитрил-КоА высвобождается HSKoA, а лимонная кислота обменивается далее в соответствии с ранее рассмотренной схемой (см. рис. 117). Такой путь обмена ацетил-КоА характерен для митохондрий подавляющего большинства тканей—почек, мышц и т. Д., за исключением печени.

Известно еще много процессов, которые ведут к высвобождению HSKoA из состава ацетил-КоА. Ацетил-КоА является универсальным донором ацетильных групп для реакций ацетилирования. Существует более десяти специфических ацетилтрансфераз, обеспечивающих ускорение реакций переноса ацетильных остатков (синтез ацетилхолина, N-ацетилглюкозамина и т. п.) Во всех случаях выделяется свободный HSKoA.

Высвобождение HSKoA из состава ацетил-КоА может сопровождаться накоплением щавелевоуксусной кислоты. Это происходит в том случае, когда ацетил-КоА обменивается при посредстве так называемого глиоксилевого цикла. В значительной мере химические процессы, протекающие при осуществлении глиоксилевого цикла, совпадают с таковыми цикла дикарбоиовых и трикарбоиовых кислот (см. рис. 117). Все идет одинаково, вплоть до об-

394

разования изолимонной кислоты. Однако в глиоксилевом цикле изолимонная кислота расщепляется на янтарн