ую и глиоксилевую кислоты:

соон

снон

сн-соон

сн,

соон

Иэолмыоняая кнслота

Изопит^а -таа4а

соон

СООН I

с + сн, ^н соон

Глиоксилевая Янтарная кнслота кнслота

Янтарная кислота тем же путем, как и в цикле дикарбоновьгх и трикарбоновых кислот, превращается в щавелевоуксусную кислоту. Глиоксилевая же кислота конденсируется с новой молекулой ацетил-КоА и образует в конечном счете свободный HSKoA и яблочную кислоту:

СООН CH,-CO-SKoA + C

Конденсирующий

V

н

фермент

соон

снон I

сн, I

CO-SKoA

н,о

Глиоксилевая

кислота

СООН

снон сн, соон

Яблочная кислота

+ HSKoA

Последняя, дегидрируясь, дает начало одной молекуле щавелевоуксусной кислоты. Таким образом, при помощи глиоксилевого цикла ацетил-КоА превращается в щавелевоуксусную кислоту и свободный HSKoA. Этот процесс имеет огромное значение для обеспечения в организме синтеза углеводов за счет распадающихся высших жирных кислот.

Обмен пропионил-КоА. Пропионил-КоА, являющийся конечным продуктом Р-окисления высших, жирных' кислот с нечетным числом углеродных атомов, превращается в сукцинил-КоА путем двух последовательных реакций:

АТФ АДФ+Н3Р04

СН3—СН—CO~SKoA;

СН3—СН—CO~SKoA I

СООН

карбоксилам (биотинпротеин)

Метилмалонил-КоА-

КоА-карбонилмутаза (В,2-протеин)

I

СООН Метилмалонил-КоА

НООС—СН2—СН2—CO~SKoA Сукцинил-КоА

Далее сукцинил-КоА утилизируется через цикл трикарбоновых и дикарбо-новых кислот.

Синтез высших жирных кислот. Долгое время считали, что синтез высших жирных кислот идет путем обращения реакции Р-окисления высших жирных кислот. Однако после того как было обнаружено, что для его осуществления необходим не только ацетил-КоА, но и С02 (из которых при посредстве АТФ-зависимой реакции возникает малонил-КоА), а сам процесс ускоряется синтетазой высших жирных кислот, локализованной в растворимой фракции клетки, эта точка зрения была оставлена. В 60-е годы огромную роль

395

в расшифровке механизма биосинтеза высших жирных кислот сыграли работы Ф. Линена и сотр.

Современные представления о биосинтезе высших жирных кислот в организме представлены на схеме 10.

Начальный этап биосинтеза высшей жирной кислоты, приводящий к синтезу малонил-КоА, ускоряется полифункциональным ферментом (М=225 ООО Да), содержащим домен биотинкарбоксилазы, биотин-карбоксил-проводящий домен и домен транскарбоксилазы. Первый домен обеспечивает ускорение реакции карбоксилирования биотина (рис. 124), который через радикал лизина присоединен ко второму, биотин-карбоксилпроводящему домену. Обладая высокой степенью подвижности, карбоксилированный биотин переносит СОг в активный центр третьего домена—транскарбоксилазы, который снимает с него С02 и непосредственно передает его на ацетил-КоА, образуя малонил-КоА:

С02 + СН,—CO~SKoA + АТФ + Н20

CH2—CO~SKoA

I

соон

Ацетил-КоА-гарбоксилаза (биотинпротеии); Mg2+

АДФ+Н,Р04

CHj—CO~SKoA

Ацетил-КоА v у Малонил-КоА у Конденсирующий

со2 <Л фвРМеит

HSKoA X.

СН3—CO—СН2—CO~SKoA НАДФН+Н+ —U р.к.тобутирнл-КоА-. 1 А-кетоацилредуггаза

НАДФ+-в-А р

CHj—СН—СН2—CO~SKoA ОН

Р -Оксибутирил-КоА

.4."

Н20

Д-Оксиацил -КоА-дегндратаэа

CHj—СН=СН—CO~SKoA Кротонил-КоА

Еноилреду»таза

CHj—СН2—СН2—CO~SKoA Бутирил-КоА

Схема 10. Механизм биосинтеза высших жирных кислот Многократное повторение наращивания радикала на два атома углерода приводит к синтезу кислот, содержащих 16 и более углеродных атомов.

396

остатков

Рис. 124. Механизм биосинтеза малонил-КоА (пояснения в тексте)

В мономерном состоянии ацетил-КоА-карбоксилаза не активна и приобретает способность карбоксилировать CH3CO~SKoA только после соединения мономеров в нитевидный олигомер с молекулярной массой в несколько сотен миллионов и длиной около 500 нм. Процесс олиго-меризации регулируется аллостернчески присоединением лимонной кислоты.

Кроме того, активность ацетил-КЬА-карбоксилазы регулируется ее фосфо-рилированием (снижение) и дефосфорилированием (повышение). Таким образом, интенсивность работы цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот и уровень протеинкиназных и протеинфосфатазных реакций предопределяет объем биосинтеза высших жирных кислот, последующие стадии которого осуществляются при посредстве второго полифункционального энзима—син-тетазы высших жирных кислот.

Этот комплекс у высокоорганизованных форм (млекопитающие, птицы, насекомые) характеризуется М=400 ООО—560000, а у низкоорганизованных (микобактерии, низшие грибы, жгутиковые)—1,4-0б—2,3-10б. В нем сосредоточены все каталитические активности, необходимые для обеспечения многоступенчатого биосинтеза высших жирных кислот, а также ацилпроводящий домен, функция которого состоит в передвижении ацильной группы от одного субдомена к другому в строгом соответствии с химизмом этого процесса. Представление о работе синтетазы высших жирных кислот дают рис. 125 и 126.

В первом случае (рис. 125, синтетаза из печени цыпленка) каждая его полипептидная цепь длиной около 2300 аминокислотных остатков образует 3 домена и 8 субдоменов, с каждым из которых связана определенная функция. Однако один из субдоменов, а именно—обладающий Р-кетоацил-синтетазной активностью, работает только в паре с другой такой же полипептидной цепью, расположенной по отношению к первой по правилу «голова к хвосту». Он перебрасывает ацетильную (первый цикл синтеза) или аци-льную (последующие циклы) группу со своего остатка цистеина (рис. 125) на малонильный остаток, закрепленный на HS-группе пантотеиновой «руки»

Субдомен 3-кетоациЛ еинтетазы (конденсирующий субдомен)

Субдомен

Субдомен дегидратазы адстнл-трансферазы

Субдомен ^-кетоацил-редуктааы

Субдомен ыалоннл-трансферазы

Субдомен сноил-редуктазы

Тиозстераза

Ацил-перенося-ший субдомен

~Ч

SH

Домен I (элонгация цепи)

Домен II (восстановление)

Домен Ш (тиолиз)

Тигасгераза

Домен III (тиолиз)

Субдомен Р -кетоацил-синтетаэы (конденсирующий ''субдомен)

Домен П с? ? Домен I

(восстановление) ^ J3 (элонгация цепи)

4?

Рис. 125. Строение и механизм действия еинтетазы высших жирных кислот печени цыпленка:

цифрами обозначены молекулярные массы (в кДа) субдоменов. Остальные пояснения—¦ тексте

Г

ацил-переносящего субдомена соседней субъединицы. Возникший В-кето* ацильный остаток при помощи той же пантотеиновой руки перемещается по остальным трем субдоменам домена II (восстанавливающего Р-кетоацил в ацил). Далее ацетил (ацил) трансферазный домен злонгационного домена I посылает эту ацильную группу на HS-группу остатка цистеина 3-кетоацил-синтетазного субдомена и начинается новый цикл удлинения цепи, но уже на соседней субъединице еинтетазы высших жирных кислот. По достижении ацильным радикалом длины в 16 атомов углерода он отщепляется тио-эстеразой в виде ацил-КоА.

Во втором случае (синтетаза из дрожжей) принцип согласованной и взаимозависимой работы субъединиц еинтетазы высших жирных кислот остается в силе (рис. 126, пояснения в подрисуночной подписи).

398

Рис. 126. Структура сил-тетазы высших жирных кислот дрожжей

Фермент представляет а6 Ре комплекс с М =-2469000 Да. Каждая из субъединиц обладает своим набором каталитических активностей. АСР—ацилнереносящий домен, обладающий пантотеиновой «рукой» [обозначена SH (P)J SH— (С)—цистеиновый остаток Р-кето-ацилсинтетазы, с которого идет перенос ацетильной (первый цикл) и ацильных (последующие циклы) групп на малонилъный остаток, закрепленный на HS-rpynne пантотеиновой «руки». Вверху—свернутая; внизу—развернутая форма фермента. Механизм действия полностью аналогичен таковому синтетазы высших жирных кислот из печени цыпленка

*шщш?ш\т-?к& J*3g* Ш№

¦ктоацил-синтегаза ¦

АСР

I ^-кет«Щ1Ш-редупаза| а м_213 ООО

Еповл- Ацетил-транс-^ редужтаза | Дегидратаза | ацилаза |

Малонил-транс-ацилаза

т В

М-203 ООО

Синтез триглицеридов. Из глицерина и высших жирных кислот при каталитическом воздействии липазы in vitro удается получить триглицерид. В связи с этим полагали, что и in vivo липаза может проявлять не только гидролитическое, но и синтезирующее действие и что с ее помощью могут возникать триглицериды путем обращения реакции гидролиза. В последние годы доказана принципиально иная схема биосинтеза триглицеридов, в которой отправными веществами служат ацил-КоА и фосфоглицерин, а ферментами—ацилтрансферазы. Учитывая общую тенденцию в эволюции наших представлений в сторону совершенно четкого разграничения и определенного различия путей распада и синтеза основных классов органических соединений в биологических объектах (см. синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов), несомненно, что синтез жиров путем обращения гидролиза вряд ли широко представлен в природе и что главный путь новообразования триглицеридов заключается в осуществлении реакций трансацилироваиия.

Как упомянуто выше, исходными веществами при синтезе триглицеридов посредством реакций трансацилироваиия являются а-фосфоглицерин и разнообразные ацил-КоА. Первый возникает при фосфорилировании глицерина или при восстановлении фосфодиоксиацетона. Прямое фосфорилирование глицерина характерно для почек животных, а также микроорганизмов. Восстановление фосфодиоксиацетона идет в мышцах, слизистой кишечника и т. п. Вторые синтезируются либо путем активирования высших жирных кислот, либо путем новообразования из ацетил-КоА (см. выше). Вначале посредством реакций трансацилироваиия синтезируется фосфатидная кислота:

399

Y Гдицерофосфст-I «цилтргпсфераза

2C„H„-CO~SKoA + Н0-сн,-сн(он)-сн,_0-р=о -»¦

он

Пкльмкткл-КоА ff-Глицерофосфат

сн,-о-со-с,»нм

-> сн-0-со-с„н„ + 2HSKoA

сн,—о—р=0

но^он

1,2-Дипальмнтил-3-фосфогЛ1Шерии (фосфаткдка! кислота)

При участии фосфатазы фосфатидная кислота гидролизуется с образованием диглицерида и фосфорной кислоты:

сн,—о-со—с14н„ Фосфпвдп- сн,—о—со-с,»нм

сн-0-со-с,»н„ + н,0 Фосфогндрол.»» сн-о-со-с„н„ + н,ро4

сн.-о-р«=о сн,—он но он

112-Д1пвльккткЛ'3-фосфоглниернн Дипалшнтт

Диглицерид вступает снова во взаимодействие с ацил-КоА и образуется триглицерид. И эта реакция ускоряется трансацилазой:

СН2— О — СО — С15Н31 Дитлиперид-

С15Н3, - СО ~ SKoA+СН - О - СО - С15Н3, ™ансфеРаза

I

СН2ОН

Дяпальмитин

СН2-0-СО-С15Н3,

I

-> CH-O-CO-QjHm+HSKoA

I

СНг-О-СО-СиНз!

"1рнпальми i нн

Ферменты, ускоряющие синтез триглицеридов в соответствии с приведенными выше уравнениями, найдены в печени, слизистой оболочке кишечника, жировой ткани и т. п. Интересной особенностью всех указанных ферментов является их липопротеиновая (за исключением глицеролкиназы) природа. Они ведут синтез триглицеридов на мембранах эндоплазматиче-ской сети клетки. По мере своего возникновения триглицериды мигрируют и поглощаются жировыми включениями клетки. Из тканей, активно синтезирующих триглицериды (например, печень), они переходят в ткани, где нет активного синтеза (например, кровь). В организме животных существует обычно несколько жировых депо с медленно обменивающимися тригли-церидами.

400

Механизм биосинтеза триглицеридов через фосфатидные кислоты в качестве метаболитов не является единственным. В слизистой оболочке кишечника синтез триглицеридов идет из Р-моноглицеридов при посредстве весьма активной моноглицеридтрансацилазы:

СН2-ОН CH2-0-CO-R"

I Моноглицерид-

CH-0-CO-R'+R"-CO~SKoA-. CH-O-CO-R'+HSKoA

I ацилтрансфераза |

сн2он сн2он

р-Моноглицерид Диглицерид

Само собой разумеется, что диглицерид превращается далее в триглицерид при каталитическом участии диглицеридтрансацилазы (см. предыдущее уравнение). Моноглицеридный тип биосинтеза энергетически вдвое выгоднее фос-фатидного пути. Кроме того, недавно обнаружена диоксиацетонфосфатацил-трансфераза, которая может открывать еще один путь биосинтеза ацилглице-ринов.

Обмен стеридов. Вступая на путь распада, стериды сразу же гидролизуются на жирную кислоту и стерол. Поскольку стериды представляют собой в химическом отношении сложные эфиры высших жирных кислот и полициклических спиртов (стеролов), то реакция гидролиза ускоряется холестеролэстеразой, действующей также на сложные эфиры других стеролов (см. с. 381).

Холестеролэстераза выделена из поджелудочной железы ряда животных и человека; она представлена мономером с М = 65000—69000, склонным к олигомеризации (М = 300 ООО—800000).

Что касается высших жирных кислот, высвобождающихся из состава стеридов при гидролизе, то они далее могут либо использоваться для ресинтеза липидов, в том числе и стеридов, либо распадаться до ацетил-КоА и потом—до С02 и Н20. Поэтому рассмотрим, как протекает далее обмен стеролов—второго компонента, образующегося при гидролизе стеридов.

Распад стеролов. Та часть стеролов, которая не используется для ресинтеза стеридов, подвергается видоизменению. Простейшее видоизменение состоит в восстановлении стеролов по двойным связям. Так, холестерол у человека и высших животных превращается в дигидрохолестерол (холеста-нол), который в виде конформера (копростанола—см. с. 380) выводится из организма:

но'

Дигидрохолестерол

Более сложный характер носит видоизменение стеролов путем окисления. Сначала появляются ОН-группы в положениях 7 и 12 циклопентанопергид-рофенантренового цикла, а затем окисляется боковая цепь, в которой возникает СООН-группа (положение 24). В результате образуются холевые кислоты. Подсчитано, что до 80% холестерола превращается в печени в различные

401

холевые кислоты. При более полном окислении стеролов могут возникнуть стероидные гормоны (см. с. 444). Таким образом, часть стеролов превращается в процессе окисления в различные соединения, выполняющие в организме важные функции.

Синтез стеролов и стеридов: Механизм биосинтеза стеролов долгое время Оставался 'загадочным, хотя давно было известно, что стеролы беспрепятственно синтезируются у большинства органических форм (исключение составляют, например, насекомые). Лишь применение метода меченых атомов позволило расшифровать этот оказавшийся довольно сложным процесс, основные этапы которого, видимо, совпадают у самых различных организмов.

Синтез стеролов осуществляется из ацетил-КоА в качестве исходного вещества. Первые стадии биосинтеза совпадают с реакциями, которые были описаны выше при рассмотрении обмена ацетил-КоА. Напомним, что в результате двух последовательно протекающих при этом реакций из трех молекул ацетил-КоА образуется одна молекула В-окси-Р-метилглутарил-КоА. Это соединение ферментативным путем восстанавливается в мевалоновую кислоту; восстановление идет по макроэргической связи и сопровождается выделением свободного HSKoA:

Оксиметилглутарил-КоА- Т?1 У ё редутм « IP У

¦ ¦* иксиметилглугарил-кол- i -

\Р У ё редуктаэа * IP У ё

НООС—UHj—с—CHj—CO~SKoA --р^ш^—-»- HOOC—СН2—С—CHj—CHjOH + HSKoA

I '

0H 2НАДФН+Н+ 2НАДФ+ ОН

fl-Окси-Р-метилглутарил-КоЛ Мевалоновая (/?, й-диокси-Р-метилвале-

риановая) кислота

Оксиметилглутарил-КоА-редуктаза из микросом печени крысы имеет М = 32000, но молекулярная масса втрое выше (97092 Да, 887 аминокислотных остатков) у фермента из яичников китайского