Анаболизм липидов
Биосинтез жирных кислот и жиров. Синтаза жирных кислот. Реакции синтазы жирных кислот. Биосинтез жиров, фосфолипидов и мембранных липидов. Биосинтез холестерина.
Биосинтез жирных кислот и жиров.
В настоящей лекции рассмотрим биосинтез жирных насыщенных кислот, имеющих четное количество атомов углерода.
Любая стадия пути ферментативного окисления жирных кислот сама по себе обратима. Это позволило выдвинуть предположение, что биосинтез жирных кислот возможно представляет собой процесс обратный β-окислению жирных кислот. Однако, как было установлено это не совсем так.
Различие заключается в следующем:
1. Биосинтез жирных кислот идет в цитоплазме, а их катабализм в митохондриях.
2. Для синтеза необходим бикарбонат или СО2.
3. В синтезе участвует НАДФН, а не НАДН, который образуется при окислении жирных кислот.
4. Синтез катализируются совсем другими ферментами, а именно, мультиферментным комплексом, который называется синтазой жирных кислот.
5. В отличие от окисления в котором участвуют ацильные остатки, связанные с КоА, синтез ацильных остатков происходит на специальном белке, называемом ацил-переносящим белком (АПБ). Этот белок имеет простетическую группу – фосфопантотеин, которая похожа по строению на КоА. Фосфопантотеин связан фосфоэфирной связью с белком через гидроксигруппу остатка серина.
Ключом к пониманию биосинтеза жирных кислот явились работы Вякила с сотрудниками, а позднее Формика и Брэди, в результате которых был открыт фермент ацетил-КоА-карбоксилаза необходимый для биосинтеза жирных кислот. Этот сложный фермент, содержащий биотин, катализирует АТФ-зависимый синтез малонил-КоА из СО2 и ацетил-КоА в цитоплазме.
СН3-СО-SKoA + СO2 + АТФ → НООС-СН2-СО-SKoA + АДФ + Ф
Именно малонил-S-КоА представляет собой первый специфический промежуточный продукт биосинтеза жирных кислот. В присутствии растворимых ферментов малонил-SКоА быстро превращается в жирные кислоты. Для этого превращения также необходим ацетил-S-КоА.
Рассмотрим теперь современные представления о биосинтезе жирных кислот на примере синтеза пальмитиновой кислоты, являющейся основным продуктом биосинтеза жирных кислот.
Исходными соединениями для синтеза жирных кислот являются два соединения: Ацетил-КоА и Малонил-КоА, а также мультиферментный комплекс синтаза жирных кислот.
Малонил-КоА образуется из ацетил-КоА, как указано выше. Источниками ацетил-КоА являются: 1. пируват, который образуется из глюкозы, а также из аминокислот; 2. ацетат, который получается во многих метаболических процессах.
Ацетил-КоА из ацетата образуется по следующей реакции:
СН3СОО- + HS-KoA + АТФ → СН3-СО-SKoA + АМФ + ФФ
Поскольку ацетил-КоА как из пирувата так и из ацетата образуется в матриксе митохондрий, а биосинтез жирных кислот идет в цитоплазме возникает вопрос каким образом он проникает в цитоплазму ведь через митохондриальную мембрану он не проникает.
Напомню, что транспорт жирных кислот как из цитоплазмы в матрикс митохондрии, как уже было рассмотрено нами ранее, так и матрикса в цитоплазму осуществляется с помощью карнитинового челнока.
Ацетил карнитин проникает через митохондриальную мембрану в цитоплазму, где в обменной реакции с KoA-SH вновь образуется KoA-S-COCH3 и карнитин.
И так два метаболита ацетил-КоА и малонил-КоА уже в цитоплазме и ждут необходимого для синтеза фермента. Этот фермент синтаза жирных кислот.
Синтаза жирных кислот
Синтаза жирных кислот позвоночных состоит из двух идентичных пептидных цепей. Каждая из двух пептидных цепей, представленных на рисунке в виде половинок шара, может катализировать семь различных реакций (1 - 7), из которых складывается синтез пальмитата. Пространственное объединение нескольких последовательных реакций в таком мультиферментном комплексе имеет ряд принципиальных преимуществ по сравнению с отдельными ферментами:
1. предотвращаются конкурентные реакции,
2. последовательные реакции согласованы как на конвейере,
3. реакции протекают особенно эффективно благодаря высокой концентрации субстрата из-за незначительных потерь за счет диффузии.
Каждая половинка синтазы жирных кислот может связывать субстрат тиолсложноэфирной связью (ацильный или ацетильный остаток) по двум SН-группам: цистеинового остатка (Cys-SH) и 4 -фосфопантетеиновой группы (Pan-SH). Раn-SН, очень похожий на кофермент А, связан с доменом синтазы, который называют ацилпереносящим белком (АПБ) путем фосфоэфирной связи с гидрокси группой остатка серина. Эта часть фермента функционирует как «длинная рука», которая фиксирует субстрат и передает его от одного реакционного центра к другому. Интересно отметить, что реакция при этом зависит от согласованности действия обеих половинок синтазы. Поэтому фермент функционально активен только в виде димера.
Активность мультиферментного комплекса пространственно распределена по трем различным доменам.
Домен 1 катализирует перенос субстратов ацетил-КоА и малонил-КоА (АПБ) -S-ацетилтрансферазой [1] и (АПБ) -S-малонилтрансферазой [2] и последующую конденсацию обоих партнеров 3- оксоацил- (АПБ) -синтазой [3]
Домен 2 восстанавливает растущую цепь жирной кислоты с помощью 3-оксоацил- (АПБ) -редуктазы [4], 3-гидроксиацил-[АПБ]-дегидратазы [5] и еноил-[АПБ]-редуктазы [6].
Домен З после семи циклов удлинения цепи катализирует высвобождение готового продукта с помощью ацил-[АПБ]-гидролазы [7].
Реакции синтазы жирных кислот
Биосинтез пальмитата (см.схем вверху) начинается с переноса ацетильной группы на уже упомянутый остаток цистеина (Суs-SН) [1] и малонильной группы на 4-фосфопантетеин (Раn-SН) в АПБ [2]. Удлинение цепи происходит вследствие переноса ацетильной группы на углеродный атом C-2 малонильного остатка, причем свободная карбоксильная группа отщепляется а виде СО2 [3].
Следующие три стадии реакции, а именно восстановление 3-оксогруппы [4], отщепление воды [5] и вновь восстановление [6], приводят к жирной кислоте с четырьмя углеродными атомами. Ацилтрансфераза [1] переносит этот промежуточный продукт на цистеиновый остаток, освобождая Раn-SН для присоединения следующего малонильного остатка. После семи циклов ацил-[АПБ]-гидролаза [7] «опознает» и освобождает конечный продукт - молекулу пальмитиновой кислоты. Строение синтазы жирных кислот и ее реакции представлены на схеме ниже.
