20.1.1. Высшие жирные кислоты могут быть синтезированы в организме из метаболитов углеводного обмена. Исходным соединением для этого биосинтеза является ацетил-КоА , образующийся в митохондриях из пирувата - продукта гликолитического распада глюкозы. Место синтеза жирных кислот - цитоплазма клеток, где имеется мультиферментный комплекссинтетаза высших жирных кислот . Этот комплекс состоит из шести ферментов, связанных с ацилпереносящим белком , который содержит две свободные SH-группы (АПБ-SH). Синтез происходит путём полимеризации двууглеродных фрагментов, конечным продуктом его является пальмитиновая кислота - насыщенная жирная кислота, содержащая 16 атомов углерода. Обязательными компонентами, участвующими в синтезе, являются НАДФН (кофермент, образующийся в реакциях пентозофосфатного пути окисления углеводов) и АТФ.

20.1.2. Ацетил-КоА поступает из митохондрий в цитоплазму при помощи цитратного механизма (рисунок 20.1). В митохондриях ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом (фермент -цитратсинтаза ), образующийся цитрат переносится через митохондриальную мембрану при помощи специальной транспортной системы. В цитоплазме цитрат реагирует с HS-КоА и АТФ, вновь распадаясь на ацетил-КоА и оксалоацетат (фермент - цитратлиаза ).

Рисунок 20.1. Перенос ацетильных групп из митохондрий в цитоплазму.

20.1.3. Начальной реакцией синтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА (рисунок 20.2). Фермент ацетил-КоА-карбоксилаза активируется цитратом и ингибируется КоА-производными высших жирных кислот.

Рисунок 20.2. Реакция карбоксилирования ацетил-КоА.

Затем ацетил-КоА и малонил-КоА взаимодействуют с SH-группами ацилпереносящего белка (рисунок 20.3).

Рисунок 20.3. Взаимодействие ацетил-КоА и малонил-КоА с ацилпереносящим белком.

Рисунок 20.4. Реакции одного цикла биосинтеза жирных кислот.

Продукт реакции взаимодействует с новой молекулой малонил-КоА и цикл многократно повторяется вплоть до образования остатка пальмитиновой кислоты.

20.1.4. Запомните основные особенности биосинтеза жирных кислот по сравнению с β-окислением:

• синтез жирных кислот в основном осуществляется в цитоплазме клетки, а окисление - в митохондриях;
• участие в процессе связывания СО2 с ацетил-КоА;
• в синтезе жирных кислот принимает участие ацилпереносящий белок, а в окислении - коэнзим А;
• для биосинтеза жирных кислот необходимы окислительно-восстановительные коферменты НАДФН, а для β-окисления - НАД+ и ФАД.

Образование ацетил-КоА и его транспорт в цитозоль

Синтез жирных кислот происходит в абсорбтивный период. Активный гликолиз и последующее окислительное декарбоксилирование пирувата способствуют увеличению концентрации ацетил-КоА в матриксе митохондрий. Так как синтез жирных кислот происходит в цитозоле клеток, то ацетил-КоА должен быть транспортирован через внутреннюю мембрану митохондрий в цитозоль. Однако внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацетил-КоА, поэтому в матриксе митохондрий ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата при участии цитратсинтазы:

Ацетил-КоА + Оксалоацетат -> Цитрат + HS-КоА.

Затем транслоказа переносит цитрат в цитоплазму (рис. 8-35).

Перенос цитрата в цитоплазму происходит только при увеличении количества цитрата в митохондриях, когда изоцитратдегидрогеназа и α-кетоглутаратдегидрогеназа ингибированы высокими концентрациями NADH и АТФ. Эта ситуация создаётся в абсорбтивном периоде, когда клетка печени получает достаточное количество источников энергии. В цитоплазме цитрат расщепляется под действием фермента цитратлиазы:

Цитрат + HSKoA + АТФ → Ацетил-КоА + АДФ + Pi + Оксалоацетат.

Ацетил-КоА в цитоплазме служит исходным субстратом для синтеза жирных кислот, а окса-лоацетат в цитозоле подвергается следующим превращениям (см. схему ниже).

Пируват транспортируется обратно в матрикс митохондрий. Восстановленный в результате действия малик-фермента NADPH используется как донор водорода для последующих реакций синтеза жирных кислот. Другой источник NADPH - окислительные стадии пентозофосфатного пути катаболизма глюкозы.

Образование малонил-КоА из ацетил-КоА - регуляторная реакция в биосинтезе жирных кислот.

Первая реакция синтеза жирных кислот - превращение ацетил-КоА в малонил-КоА. Фермент, катализирующий эту реакцию (ацетил-КоА-карбоксилаза), относят к классу лигаз. Он содержит ковалентно связанный биотин (рис. 8-36). В первой стадии реакции СО 2 ковалентно связывается с биотином за счёт энергии АТФ, во второй стадии СОО - переносится на ацетил-КоА с образованием малонил-КоА. Активность фермента ацетил-КоА-карбоксилазы определяет скорость всех последующих реакций синтеза жирных кислот.

Реакции, катализируемые синтазой жирных кислот, - ферментным комплексом, катализирующим реакции синтеза пальмитиновой кислоты, описывается ниже.

После образования малонил-КоА синтез жирных кислот продолжается на мультиферментном комплексе - синтазе жирных кислот (пальмитоилсинтетазе). Этот фермент состоит из 2 идентичных протомеров, каждый из которых имеет доменное строение и, соответственно, 7 центров, обладающих разными каталитическими активностями (рис. 8-37). Этот комплекс последовательно удлиняет радикал жирной кислоты на 2 углеродных атома, донором которых служит ма-лонил-КоА. Конечный продукт работы этого комплекса - пальмитиновая кислота, поэтому прежнее название этого фермента - пальмитоилсинтетаза.

Первая реакция - перенос ацетильной группы ацетил-КоА на тиоловую группу цистеина ацетилтрансацилазным центром (рис. 8-38). Затем от малонил-КоА остаток малонила переносится на сульфгидрильную группу ацилпереносящего белка малонилтрансацилазным центром. После этого комплекс готов к первому циклу синтеза.

Ацетильная группа конденсируется с остатком малонила по месту отделившегося СО 2 . Реакция катализируется кетоацилсинтазным центром. Образовавшийся радикал ацетоацетила

Схема

Рис. 8-35. Перенос ацетильных остатков из митохондрий в цитозоль. Действующие ферменты: 1 - цитратсинтаза; 2 - транслоказа; 3 - цитратлиаза; 4 - малатдегидрогеназа; 5 - малик-фермент.

Рис. 8-36. Роль биотина в реакции карбоксилирования ацетил-КоА.

Рис. 8-37. Строение мультиферментного комплекса - синтезы жирных кислот. Комплекс - димер из двух идентичных полипептидных цепей, каждый из которых имеет 7 активных центров и ацилпереносящий белок (АПБ). SH-группы протомеров принадлежат различным радикалам. Одна SH-группа принадлежит цистеину, другая - остатку фосфопантетеиновой кислоты. SH-группа цистеина одного мономера расположена рядом с SH-группой 4-фосфопантетеината другого протомера. Таким образом, протомеры фермента расположены "голова к хвосту". Хотя каждый мономер содержит все каталитические центры, функционально активен комплекс из 2 протомеров. Поэтому реально синтезируются одновременно 2 жирных кислоты. Для упрощения в схемах обычно изображают последовательность реакций при синтезе одной молекулы кислоты.

последовательно восстанавливается кетоацил-редуктазой, затем дегидратируется и опять восстанавливается еноилредуктазой - активными центрами комплекса. В результате первого цикла реакций образуется радикал бутирила, связанный с субъединицей синтазы жирных кислот.

Перед вторым циклом радикал бутирила переносится из позиции 2 в позицию 1 (где находился ацетил в начале первого цикла реакций). Затем остаток бутирила подвергается тем же превращениям и удлиняется на 2 углеродных атома, происходящих из малонил-КоА.

Аналогичные циклы реакций повторяются до тех пор, пока не образуется радикал пальмитиновой кислоты, который под действием тиоэстеразного центра гидролитически отделяется от ферментного комплекса, превращаясь в свободную пальмитиновую кислоту (пальмитат, рис. 8-38, 8-39).

Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА и малонил-КоА имеет следующий вид:

CH 3 -CO-SKoA + 7 HOOC-CH 2 -CO-SKoA + 14 (NADPH + H +) → C 15 H 31 COOH + 7 СО 2 + 6 Н 2 О + 8 HSKoA + 14 NADP + .

Основные источники водорода для синтеза жирных кислот

В каждом цикле биосинтеза пальмитиновой кислоты проходят 2 реакции восстановления,

Рис. 8-38. Синтез пальмитиновой кислоты. Синтаза жирных кислот: в первом протомере SH-группа принадлежит цистеину, во втором - фосфопантетеину. После окончания первого цикла радикал бутирила переносится на SH-группу первого протомера. Затем повторяется та же последовательность реакций, что и в первом цикле. Пальмитоил-Е - остаток пальмитиновой кислоты, связанный с синтазой жирных кислот. В синтезированной жирной кислоте только 2 дистальных атома углерода, обозначенные *, происходят из ацетил-КоА, остальные - из малонил-КоА.

Рис. 8-39. Общая схема реакций синтеза пальмитиновой кислоты.

донором водорода в которых служит кофермент NADPH. Восстановление NADP + происходит в реакциях:

дегидрирования в окислительных стадиях пентозофосфатного пути катаболизма глюкозы;

дегидрирования малата малик-ферментом;

дегидрирования изоцитрата цитозольной NADP-зависимой дегидрогеназой.

2. Регуляция синтеза жирных кислот

Регуляторный фермент синтеза жирных кислот - ацетил-КоА-карбоксилаза. Этот фермент регулируется несколькими способами.

Ассоциация/диссоциация комплексов субъединиц фермента. В неактивной форме ацетил-КоА-карбоксилаза представляет собой отдельные комплексы, каждый из которых состоит из 4 субъединиц. Активатор фермента - цитрат; он стимулирует объединение комплексов, в результате чего активность фермента увеличивается. Ингибитор - пальмитоил-КоА; он вызывает диссоциацию комплекса и снижение активности фермента (рис. 8-40).

Фосфорилирование/дефосфорилирование ацетил-КоА-карбоксилазы. В постабсорбтивном состоянии или при физической работе глюкагон или адреналин через аденилатциклазную систему активируют протеинкиназу А и стимулируют фосфорилирование субъединиц ацетил-КоА карбоксилазы. Фосфорилированный фермент неактивен, и синтез жирных кислот останавливается. В абсорбтивный период инсулин активирует фосфатазу, и ацетил-КоА карбоксилаза переходит в дефосфорилированное состояние (рис. 8-41). Затем под действием цитрата происходит полимеризация протомеров фермента, и он становится активным. Кроме активации фермента, цитрат выполняет и другую функцию в синтезе жирных кислот. В аб-сорбтивный период в митохондриях клеток печени накапливается цитрат, в составе которого остаток ацетила транспортируется в цитозоль.

Индукция синтеза ферментов. Длительное потребление богатой углеводами и бедной жирами пищи приводит к увеличению секреции инсулина, который стимулирует индукцию синтеза ферментов: ацетил-КоА-карбоксилазы, синтазы жирных кислот, цитратлиазы,

Рис. 8-40. Ассоциация/диссоциация комплексов ацетил-КоА-карбоксилазы.

Рис. 8-41. Регуляция ацетил-КоА-карбоксилазы.

Рис. 8-42. Удлинение пальмитиновой кислоты в ЭР. Радикал пальмитиновой кислоты удлиняется на 2 углеродных атома, донором которых служит малонил-КоА.

изоцитратдегидрогеназы. Следовательно, избыточное потребление углеводов приводит к ускорению превращения продуктов катаболизма глюкозы в жиры. Голодание или богатая жирами пища приводит к снижению синтеза ферментов и, соответственно, жиров.

3. Синтез жирных кислот из пальмитиновой кислоты

Удлинение жирных кислот. В ЭР происходит удлинение пальмитиновой кислоты с участием малонил-КоА. Последовательность реакций сходна с той, что происходит при синтезе пальмитиновой кислоты, однако в данном случае жирные кислоты связаны не с синтазой жирных кислот, а с КоА. Ферменты, участвующие в элонгации, могут использовать в качестве субстратов не только пальмитиновую, но и другие жирные кислоты (рис. 8-42), поэтому в организме могут синтезироваться не только стеариновая кислота, но и жирные кислоты с большим числом атомов углерода.

Основной продукт элонгации в печени - стеариновая кислота (С 18:0), однако в ткани мозга образуется большое количество жирных кислот с более длинной цепью - от С 20 до С 24 , которые необходимы для образования сфинголипидов и гликолипидов.

В нервной ткани происходит синтез и других жирных кислот - α-гидроксикислот. Оксидазы со смешанными функциями гидроксилируют С 22 и С 24 кислоты с образованием лигноцериновой и цереброновой кислот, обнаруживаемых только в липидах мозга.

Образование двойных связей в радикалах жирных кислот. Включение двойных связей в радикалы жирных кислот называется десатурацией. Основные жирные кислоты, образующиеся в организме человека в результате десатурации (рис. 8-43), - пальмитоо-леиновая (С16:1Δ9) и олеиновая (С18:1Δ9).

Образование двойных связей в радикалах жирных кислот происходит в ЭР в реакциях с участием молекулярного кислорода, NADH и цитохрома b 5 . Ферменты десатуразы жирных кислот, имеющиеся в организме человека, не могут образовывать двойные связи в радикалах жирных кислот дистальнее девятого атома углерода, т.е. между девятым и

Рис. 8-43. Образование ненасыщенных жирных кислот.

метильным атомами углерода. Поэтому жирные кислоты семейства ω-3 и ω-6 не синтезируются в организме, являются незаменимыми и обязательно должны поступать с пищей, так как выполняют важные регуляторные функции.

Для образования двойной связи в радикале жирной кислоты требуется молекулярный кислород, NADH, цитохром b 5 и FAD-зависимая редуктаза цитохрома b 5 . Атомы водорода, отщепляемые от насыщенной кислоты, выделяются в виде воды. Один атом молекулярного кислорода включается в молекулу воды, а другой также восстанавливается до воды с участием электронов NADH, которые передаются через FADH 2 и цитохром b 5 .

Эйкозаноиды - биологически активные вещества, синтезируемые большинством клеток из полиеновых жирных кислот, содержащих 20 углеродных атомов (слово "эйкоза" по гречески означает 20).

Субстратом синтеза ВЖК является ацетил-КоА.Однако,в ходе синтеза жирных кислот (ЖК) в каждом цикле удлинения используется не сам ацетил-КоА, а его производное - малонил-КоА.

Эту реакцию катализирует фермент ацетил-КоА-карбоксилаза -ключевой фермент в мультиферментной системе синтеза ЖК. Активность фермента регулируется по типу отрицательной обратной связи. Ингибитором является продукт синтеза: ацил-КоА с длинной цепью (n=16) - пальмитоил-КоА. Активатором является цитрат. В состав небелковой части этого фермента входит витамин H (биотин).

В дальнейшем в ходе синтеза жирных кислот происходит поэтапное удлинение молекулы ацил-КоА на 2 углеродных атома за каждый этап за счет малонил-КоА, который в этом процессе удлинения теряет СО 2 .

После образования малонил-КоА основные реакции синтеза жирных кислот катализируются одним ферментом - синтетазой жирных кислот (фиксирован на мембранах эндоплазматического ретикулума). Синтетаза жирных кислот содержит 7 активных центров и АПБ (ацилпереносящий белок). Участок, связывающий малонил-КоА, содержит небелковый компонент – витамин B 3 (пантотеновую кислоту). Последовательность одного цикла реакций синтеза ВЖК прпедставлен на рис.45.

Рис.45. Реакции синтеза высших жирных кислот

После окончания цикла ацил-АПБ вступает в следующий цикл синтеза. К свободной SH-группе ацилпереносящего белка присоединяется новая молекула малонил-КоА. Затем происходит отщепление ацильного остатка, он переносится на малонильный остаток (с одновременным декарбоксилированием) и цикл реакций повторяется.

Таким образом, углеводородная цепочка будущей жирной кислоты постепенно растет (за каждый цикл – на два углеродных атома). Это происходит до момента, пока она не удлинится до 16 углеродных атомов (в случае синтеза пальмитиновой кислоты) или более (синтез других жирных кислот). Вслед за этим происходит тиолиз и образуется в готовом виде активная форма жирной кислоты – ацил-КоА.

Для нормального течения синтеза высших жирных кислот необходимы следующие условия:

1) Поступление углеводов, при окислении которых образуются необходимые субстраты и НАДФН 2 .

2) Высокий энергетический заряд клетки – высокое содержание АТФ, которое обеспечивает выход цитрата из митохондрий в цитоплазму.

Сравнительная характеристика b-окисления и синтеза высших жирных кислот:

1 . b-окисление протекает в митохондриях, а синтез жирных кислот протекает в цитоплазме на мембранах эндоплазматического ретикулума. Однако, образовавшийся в митохондриях ацетил-КоА через мембраны сам проходить не может. Поэтому существуют механизмы транспорта ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму с участием ферментов цикла Кребса (рис.46).

Рис.46. Механизм транспорта ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму.

Ключевыми ферментами ЦТК являются цитратсинтаза и изоцитратдегидрогеназа. Основные аллостерические регуляторы этих ферментов - это АТФ и АДФ. Если в клетке много АТФ, то АТФ выступает как ингибитор этих ключевых ферментов. Однако изоцитратдегидрогеназа угнетается АТФ сильнее, чем цитратсинтетаза. Это приводит к накоплению цитрата и изоцитрата в матриксе митохондрии. При накоплении цитрат выходит из митохондрии в цитоплазму. В цитоплазме есть фермент цитратлиаза. Этот фермент расщепляет цитрат на ЩУК и ацетил-КоА.

Таким образом, условием для выхода ацетил-КоА из митохондрии в цитоплазму является хорошее обеспечение клетки АТФ. Если АТФ в клетке мало, то ацетил-КоА расщепляется до СО 2 и Н 2 О.

2 . В ходе b-окисления промежуточные продукты связаны с HS-КоА, а при синтезе жирных кислот промежуточные продукты связаны с особым ацил-переносящим белком (АПБ). Это сложный белок. Его небелковая часть похожа по строению на КоА и состоит из тиоэтиламина, пантотеновой кислоты (витамин В 3) и фосфата.

3 . При b-окислении в качестве окислителя используются НАД и ФАД. При синтезе ЖК нужен восстановитель - используется НАДФ*Н 2 .

В клетке существует 2 основных источника НАДФ*Н 2 для синтеза жирных кислот:

а) пентозофосфатный путь распада углеводов;

Синтез пальмитиновой кислоты (С16) из Ацетил-КоА.

1) Протекает в цитоплазме клеток печени и жировой ткани.

2) Значение: для синтеза жиров и фосфолипидов.

3) Протекает после приема пищи (в абсорбтивный период).

4) Образуется из ацетил-КоА, полученного из глюкозы (гликолиз → ОДПВК → Ацетил-КоА).

5) В процессе последовательно повторяются 4 реакции:

конденсация → восстановление → дегидратация → восстановление.

В конце каждого цикла ЖК удлиняется на 2 углеродных атома .

Донор 2С – малонил-КоА.

6) В двух реакциях восстановления принимает участие НАДФН+Н + (50% поступает из ПФП, 50% - от МАЛИК-фермента).

7) Только первая реакция протекает непосредственно в цитоплазме (регуляторная).

Остальные 4 циклических – на специальном пальмитатсинтазном комплексе (синтез только пальмитиновой кислоты)

8) Регуляторный фермент функционирует в цитоплазме – Ацетил-КоА-карбоксилаза (АТФ, вит. Н, биотин, IV класс).

Строение пальмитатсинтазного комплекса

Пальмитатсинтаза – фермент, состоящий из 2 субъединиц.

Каждая состоит из одной ппц, на которой есть 7 активных центров.

Каждый активный центр катализирует свою реакцию.

В каждой ппц находится ацилпереносящий белок (АПБ), на котором проходит синтез (содержит фосфопантетонат).

В каждой субъединице есть HS-группа. В одной HS-группа принадлежит цистеину, в другой – фосфопантотеновой кислоте.

Механизм

1) Ацетил-Коа, полученный из углеводов, не может выйти в цитоплазму, где протекает синтез ЖК. Он выходит через первую реакцию ЦТК – образование цитрата.

2) В цитоплазме цитрат распадается на Ацетил-Коа и оксалоацетат.

3) Оксалоацетат → малат (реакция ЦТК в обратном направлении).

4) Малат → пируват, который используется в ОДПВК.

5) Ацетил-КоА → синтез ЖК.

6) Ацетил-КоА под действием ацетил-КоА-карбоксилазы превращается в малонил-КоА.

Активирование фермента ацетил-КоА-карбоксилазы :

а) путем усиления синтеза субъединиц под действием инсулина – три тетрамера синтезируются отдельно

б) под действием цитрата три тетрамера объединяются, и фермент активируется

в) в период голодания глюкагон ингибирует фермент (путем фосфорилирования), синтез жиров не происходит

7) один ацетил КоА из цитоплазмы перемещается на HS-группу (от цистеина) пальмитат-синтазы; один малонил-КоА – на HS-группу второй субъединицы. Далее на пальмитат синтазе происходят:

8) их конденсация (ацетил КоА и малонил-КоА)

9) восстановление (донор – НАДФН+Н + из ПФП)

10) дегидротация

11) восстановление (донор – НАДФН+Н + от МАЛИК-фермента).

В результате ацильный радикал увеличивается на 2 атома углерода.

Мобилизация жиров

При голодании или длительной физической нагрузке выделяется глюкагон или адреналин. Они активируют в жировой ткани ТАГ-липазу, которая находится в адипоцитах и называется тканевой липазой (гормончувствительная). Она расщепляет жиры в жировой ткани на глицерол и ЖК. Глицерол идет в печень на глюконеогенез. ЖК поступают в кровь, связываются с альбумином и поступают к органам и тканям, используются как источник энергии (всеми органами, кроме мозга , который использует глюкозу и кетоновые тела при голодании или длительной физической нагрузке).

Для сердечной мышцы ЖК – основной источник энергии.

β-окисление

β-окисление – процесс расщепления ЖК с целью извлечения энергии.

1) Специфический путь катаболизма ЖК до ацетил-КоА.

2) Протекает в митохондриях.

3) Включает 4 повторяющиеся реакции (т.е. условно циклический):

окисление → гидратация → окисление → расщепление.

4) В конце каждого цикла ЖК укорачивается на 2 углеродных атома в виде ацетил-КоА (поступающий в ЦТК).

5) 1 и 3 реакции – реакции окисления, связаны с ЦПЭ.

6) Принимают участие вит. В 2 – кофермент ФАД, вит. РР – НАД, пантотеновая кислота – HS-KoA.

Механизм переноса ЖК из цитоплазмы в митохондрию.

1. ЖК перед поступлением в митохондрию должны быть активированы.

Только активированная ЖК = ацил-КоА может транспортироваться через двойную мембрану липидов.

Переносчик – L-карнитин.

Регуляторный фермент β-окисления – карнитинацилтрансфераза-I (KAT-I).

2. КАТ-I переносит ЖК в межмембранное пространство.

3. Под действием КАТ-I ацил-КоА переносится на переносчик L-карнитин.

Образуется ацилкарнитин.

4. При помощи встроенной во внутреннюю мембрану транслоказы ацилкарнитин перемещается в митохондрию.

5. В матриксе под действием КАТ-II ЖК отщепляется от карнитина и вступает в β-окисление.

Карнитин возвращается обратно в межмембранное пространство.

Реакции β-окисления

1. Окисление: ЖК окисляется с участием ФАД (фермент ацил-КоА-ДГ) → еноил.

ФАД поступает в ЦПЭ (р/о=2)

2. Гидратация: еноил → β-гидроксиацил-КоА (фермент еноилгидратаза)

3. Окисление: β-гидроксиацил-КоА → β-кетоацил-КоА (с участием НАД, который поступает в ЦПЭ и имеет р/о=3).

4. Расщепление: β-кетоацил-КоА → ацетил-КоА (фермент тиолаза, с участием HS-KoA).

Ацетил-КоА → ЦТК → 12 АТФ.

Ацил-КоА (С-2) → следующий цикл β-окисления.

Подсчет энергии при β-окислении

На примере меристиновой кислоты (14С).

· Подсчитываем, на сколько ацетил-КоА распадается ЖК

½ n = 7 → ЦТК (12АТФ) → 84 АТФ.

· Считаем, за сколько циклов они распадается

(1/2 n)-1=6·5(2 АТФ за 1 реакцию и 3 АТФ за 3 реакцию) = 30 АТФ

· Вычитаем 1 АТФ, постраченную на активацию ЖК в цитоплазме.

Итого – 113 АТФ.

Синтез кетоновых тел

Почти весь ацетил-КоА вступает в ЦТК. Небольшая часть используется для синтеза кетоновых тел = ацетоновых тел.

Кетоновые тела – ацетоацетат, β-гидроксибутират, ацетон (при патологии).

Нормальная концентрация – 0,03-0,05 ммоль/л.

Синтезируются только в печени из ацетил-КоА, полученного при β-окислении.

Используются как источник энергии всеми органами кроме печени (нет фермента).

При длительном голодании или сахарном диабете концентрация кетоновых тел может увеличиваться в десятки раз, т.к. в этих условиях ЖК являются основным источником энергии. В этих условиях протекает интенсивное β-окисление, и весь ацетил-КоА не успевает утилизироваться в ЦТК, т.к.:

· не хватает оксалоацетата (он используется при глюконеогенезе)

· в результате β-окисления образуется много НАДН+Н+ (в 3 реакции), который ингибирует изоцитрат-ДГ.

Следовательно, ацетил-КоА идет на синтез кетоновых тел.

Т.к. кетоновые тела – кислоты, они вызывают сдвиг кислотно-щелочного равновесия. Возникает ацидоз (из-за кетонемии ).

Они не успевают утилизироваться и появляются в моче как патологический компонент → кетоурия . Также появляется запах ацетона изо рта. Это состояние называется кетоз .

Обмен холестерола

Холестерол (Хс) – одноатомный спирт, в основе которого лежит циклопентанпергидрофенантреновое кольцо.

27 углеродных атомов.

Нормальная концентрация холестерола – 3,6-6,4 ммоль/л, допускается не выше 5.

· на построение мембран (фосфолипиды:Хс=1:1)

· синтез ЖчК

· синтез стероидных гормонов (кортизол, прогестерон, альдостерон, кальцитриол, эстроген)

· в коже под действием УФ используется для синтеза витамина D3 – холекальциферола.

В организме содержится около 140 г холестерола (в основном, в печени и мозге).

Суточная потребность – 0,5-1 г.

Содержится только в продуктах животного происхождения (яйца, сливочном масле, сыр, печень).

Хс не используется как источник энергии, т.к. его кольцо не расщепляется до СО 2 и Н 2 О и не выделяется АТФ (нет фермента).

Избыток Хс не выводится, не депонируется, откладывается в стенке крупных кровеносных сосудов в виде бляшек.

В организме синтезируется 0,5-1 г Хс. Чем больше потребляется его с пищей, тем меньше синтезируется в организме (в норме).

Хс в организме синтезируется в печени (80%), кишечнике (10%), коже (5%), надпочечниках, половых железах.

Даже у вегетарианцев может быть повышен уровень холестерина, т.к. для его синтеза необходимы только углеводы.

Биосинтез холестерола

Протекает в 3 стадии:

1) в цитоплазме - до образования мевалоновой кислоты (похоже на синтез кетоновых тел)

2) в ЭПР – до сквалена

3) в ЭПР – до холестерола

Около 100 реакций.

Регуляторный фермент – β-гидроксиметилглутарил-КоА-редуктаза (ГМГ-редуктаза). Статины, понижающие уровень холестерола, ингибируют этот фермент).

Регуляция ГМГ-редуктазы:

а) Ингибируется по принципу обратной отрицательной связи избытком пищевого холестерола

б) Может увеличиваться синтез фермента (эстроген) или снижаться (холестерол и ЖчК)

в) Фермент активируется инсулином путем дефосфорилирования

г) Если фермента много, то избыток может расщепляться протеолизом

Холестерол синтезируется из ацетил-КоА, полученного из углеводов (гликолиз → ОДПВК).

Образовавшийся холестерол в печени упаковывается вместе с жиром в ЛОНП незр. ЛОНП имеет апобелок В100, поступает в кровь и после присоединения апобелков С-II и Е превращается в ЛОНП зрелый, который поступает к ЛП-липазе. ЛП-липаза удаляет из ЛОНП жиры (50%), остается ЛНП, состоящий на 50-70% из эфиров холестерола.

· снабжает холестеролом все органы и ткани

· в клетках существуют рецепторы в В100, по которым они узнают ЛНП и поглощают его. Клетки регулируют поступление холестерола путем увеличения или уменьшения количества рецепторов к В100.

При сахарном диабете может происходить гликозилирование В100 (присоединение глюкозы). Следовательно, клетки не узнают ЛНП и возникает гиперхолестеролемия.

ЛНП может проникать в сосуды (атерогенная частица).

Более 50% ЛНП возвращаются в печень, где холестерол используется на синтез ЖчК и ингибирование собственного синтеза холестерола.

Существует механизм защиты от гиперхолестеролемии:

· регуляция синтеза собственного холестерола по принципу обратной отрицательной связи

· клетки регулируют поступление холестерола путем увеличения или уменьшения количества рецепторов к В100

· функционирование ЛВП

ЛВП синтезируется в печени. Имеет дисковидную форму, содержит мало холестерола.

Функции ЛВП :

· забирает избыток холестерола из клеток и других липопротеинов

· поставляет C-II и Е другим липопротеинам

Механизм функционирования ЛВП :

ЛВП имеет апобелок А1 и ЛХАТ (фермент лецитинхолестеринацилтрансфераза).

ЛВП выходит в кровь, и к нему подходит ЛНП.

По А1 ЛНП узнаются, что в них много холестерола, и активируют ЛХАТ.

ЛХАТ отщепляет ЖК от фосфолипидов ЛВП и переносит на холестерол. Образуются эфиры холестерола.

Эфиры холестерола гидрофобны, поэтому переходят внутрь липопротеина.

ТЕМА 8

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ: ОБМЕН БЕЛКОВ

Белки – это высокомолекулярные соединения, состоящие из α-аминокислотных остатков, которые соединены между собой пептидными связями.

Пептидные связи расположены между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой, следующей за ней, α-аминокислоты.

Функции белков (аминокислот) :

1) пластическая (основная функция) – из аминокислот синтезируются белки мышц, тканей, гемм, карнитин, креатин, некоторые гормоны и ферменты;

2) энергетическая

а) в случае избыточного поступления в организм с пищей (>100 г)

б) при длительном голодании

Особенность:

Аминокислоты, в отличие от жиров и углеводов, не депонируются .

Количество свободных аминокислот в организме – около 35 г.

Источники белка для организма :

· белки пищи (основной источник)

· белки тканей

· синтезированные из углеводов.

Азотистый баланс

Т.к. 95% всего азота организма принадлежит аминокислотам, то о их обмене можно судить по азотистому балансу – соотношение поступающего азота и выделенного с мочой.

ü Положительный – выделяется меньше, чем поступает (у детей, беременных, в период выздоровления после болезни);

ü Отрицательный – выделяется больше, чем поступает (пожилой возраст, период длительного заболевания);

ü Азотистое равновесие – у здоровых людей.

Т.к. белки пищи – основной источник аминокислот, то говорят о «полноценности белкового питания ».

Все аминокислоты делятся на:

· заменимые (8) – Ала, Гли, Сер, Про, Глу, Глн, Асп, Асн;

· частично заменимые (2) – Арг, Гис (синтезируются медленно);

· условно заменимые (2) – Цис, Тир (могут синтезироваться при условии поступления незаменимых – Мет → Цис, Фен →Тир);

· незаменимые (8) – Вал, Иле, Лей, Лиз, Мет, Тре, Фен, Тпф.

В связи с этим выделяются белки:

ü Полноценные – содержат все незаменимые аминокислоты

ü Неполноценные – не содержат Мет и Тпф.

Переваривание белков

Особенности:

1) Белки перевариваются в желудке, тонком кишечнике

2) Ферменты – пептидазы (расщепляют пептидные связи):

а) экзопептидазы – по краям с C-N-концов

б) эндопептидазы – внутри белка

3) Ферменты желудка и поджелудочной железы вырабатываются в неактивном виде – проферменты (т.к. они бы переваривали собственные ткани)

4) Ферменты активируются частичным протеолизом (отщепление части ппц)

5) Некоторые аминокислоты подвергаются гниению в толстом кишечнике

1. В ротовой полости не перевариваются.

2. В желудке на белки действует пепсин (эндопептидаза). Он расщепляет связи, образованные аминогруппами ароматических аминокислот (Тир, Фен, Тпф).

Пепсин вырабатывается главными клетками в виде неактивного пепсиногена .

Обкладочные клетки вырабатывают соляную кислоту.

Функции HCl :

ü Создает оптимум рН для пепсина (1,5 – 2,0)

ü Активирует пепсиноген

ü Денатурирует белки (облегчает действие фермента)

ü Бактерицидное действие

Активация пепсиногена

Пепсиноген под действием HCl превращается в активный пепсин путем отщепления 42 аминокислот медленно. Затем активный пепсин быстро активирует пепсиноген (аутокаталитически ).

Таким образом, в желудке белки расщепляются на короткие пептиды, которые поступают в кишечник.

3. В кишечнике на пептиды действуют ферменты поджелудочной железы.

Активация трипсиногена, химотрипсиногена, проэластазы, прокарбоксипептидазы

В кишечнике под действием энтеропептидазы активируется трипсиноген . Затем активированный из него трипсин активирует все остальные ферменты путем частичного протеолиза (химотрипсиноген → химотрипсин , проэластаза → эластаза , прокарбоксипептидаза → карбоксипептидаза ).

Трипсин расщепляет связи, образованные карбоксильными группами Лиз или Арг.

Химотрипсин – между карбоксильными группами ароматических аминокислот.

Эластаза - связи, образованные карбоксильными группами Ала или Гли.

Карбоксипептидаза расщепляет карбоксильные связи с С-конца.

Таким образом, в кишечнике образуются короткие ди-, трипептиды.

4. Под действием ферментов кишечника они расщепляются до свободных аминокислот.

Ферменты – ди-, три-, аминопептидазы . Они не обладают видовой специфичностью.

Образовавшиеся свободные аминокислоты всасываются вторично активным транспортом с Na + (против градиента концентрации).

5. Некоторые аминокислоты подвергаются гниению.

Гниение – ферментативный процесс расщепления аминокислот до малотоксичных продуктов с выделением газов (NH 3 , СН 4 , СО 2 , меркаптан).

Значение: для поддержания жизнедеятельности микрофлоры кишечника (при гниении Тир образует токсичные продукты фенол и крезол, Тпф – индол и скатол). Токсичные продукты поступают в печень и обезвреживаются.

Катаболизм аминокислот

Основной путь – дезаминирование – ферментативный процесс отщепления аминогруппы в виде аммиака и образования безазотистой кетокислоты.

· Окислительное дезаминирование

· Неокислительное (Сер, Тре)

· Внутримолекулярное (Гис)

· Гидролитическое

Окислительное дезаминирование (основное)

А) Прямое – только для Глу, т.к. для всех остальных ферменты неактивны.

Протекает в 2 стадии:

1) Ферментативное

2) Спонтанное

В итоге образуется аммиак и α-кетоглутарат.

Функции трансаминирования :

ü Т.к. реакция обратимая, служит для синтеза заменимых аминокислот;

ü Начальный этап катаболизма (трансаминирование не является катаболизмом, т.к. количество аминокислот не меняется);

ü Для перераспределения азота в организме;

ü Участвует в малат-аспартатном челночном механизме переноса водорода в гликолизе (6 реакция).

Для определения активности АЛТ и АСТ в клинике для диагностики заболеваний сердца и печени измеряют коэффициент де Ритиса:

При 0,6 – гепатит,

1 – цирроз,

10 – инфаркт миокарда.

Декарбоксилирование аминокислот – ферментативный процесс отщепления карбоксильной группы в виде СО 2 от аминокислот.

В результате образуются биологически активные вещества – биогенные амины .

Ферменты – декарбоксилазы.

Кофермент – пиридоксальфосфат ← вит. В6.

После оказания действия биогенные амины обезвреживаются 2 путями:

1) Метилирование (добавление CH 3 ; донор - SAM);

2) Окисление с отщеплением аминогруппы в виде NH 3 (фермент MAO – моноаминоксидаза).

Ранее предполагали, что процессы расщепления являются обращением процессов синтеза, в том числе синтез жирных кислот рассматривали как процесс, обратный их окислению.

В настоящее время установлено, что митохондриальная система биосинтеза жирных кислот, вклю­чающая несколько модифицированную последова­тельность реакции β-окисления, осуществляет толь­ко удлинение уже существующих в организме среднецепочечных жирных кислот, в то время как пол­ный биосинтез пальмитиновой кислоты из ацетил-СоА активно протекает вне митохондрий по совер­шенно другому пути.

Рассмотрим некоторые важные особенности пути биосинтеза жирных кислот.

1. Синтез происходит в цитозоле в отличие от распада, который протекает в митохондриальном матриксе.

2. Промежуточные продукты синтеза жирных кислот ковалентно связаны с сульфгидрильными группами ацилпереносящего белка (АПБ), тогда как промежуточные продукты расщепления жирных кислот связаны с коферментом А.

3. Многие ферменты синтеза жирных кислот у высших организмов организованы в мультиферментный комплекс, называемый синтетазой жирных кислот. В противоположность им ферменты, катализирующие расщепление жирных кислот, повидимому, не склонны к ассоциации.

4. Растущая цепь жирной кислоты удлиняется путем последовательного присоединения двухуглеродных компонентов, происходящих из ацетил-СоА. Активированным донором двухуглеродных компонентов на стадии элонгации служит малонил-АПБ. Реакция элонгации запускается высвобождением СО 2 .

5. Роль восстановителя при синтезе жирной кислоты выполняет NАDРН.

6. В реакциях также участвует Мn 2+ .

7. Элонгация под действием комплекса синтетазы жирных кислот останавливается на этапе образования палъмитата (С 16). Дальнейшая элонгация и введение двойных связей осуществляются другими ферментными системами.

Образование малонилкофермента А

Синтез жирных кислот начинается с карбоксилирования ацетил-СоА в малонил-СоА. Эта необратимая реакция представляет собою решающий этап в синтезе жирных кислот.

Синтез малонил-СоА катализируется ацетил-СоА-карбоксилазой и осу­ществляется за счет энергии АТР. Источником СО 2 для карбоксилирования ацетил-СоА является бикарбонат.

Рис. Синтез малонил-СоА

Ацетил-СоА-карбоксилаза содержит в качестве простетической группы биотин .

Рис. Биотин

Фермент со­стоит из переменного числа одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит биотин, биотинкарбоксилазу , карбоксибиотин-переносящий белок , транскарбоксилазу , а также регуляторный аллостерический центр, т.е. представляет собой полиферментный комплекс. Карбоксильная группа биотина ковалентно присоединяется к ε-аминогруппе остатка лизина карбоксибиотин-переносящего белка. Карбоксилирование биотинового компонента в образованном комплексе катализируется второй субъединицей - биотин-карбоксилазой. Третий компонент системы – транскарбоксилаза – катализирует перенос активированного СО 2 от карбоксибиотина на ацетил-СоА.

Биотин-фермент + АТР + НСО 3 - ↔ СО 2 ~Биотин-фермент + АDР + P i ,

СО 2 ~Биотин-фермент + Ацетил-СоА ↔ Молонил-СоА + Биотин-фермент.

Длина и гибкость связи между биотином и переносящим его белком обусловливают возможность перемещения активированной карбоксильной группы от одного активного центра ферментного комплекса к другому.

У эукариот ацетил-СоА-карбоксилаза существует в виде лишенного ферментативной активности протомера (450 кДа) или в виде активного нитевидного полимера. Их взаимопревращение регулируется аллостерически. Ключевым аллостерическим активатором служит цитрат , который сдвигает равновесие в сторону активной волокнистой формы фермента. Оптимальная ориентация биотина по отношению к субстратам достигается в волокнистой форме. В противоположность цитрату пальмитоил-СоА сдвигает равновесие в сторону неактивной протомерной формы. Таким образом, пальмитоил-СоА, конечный продукт, ингибирует первый решающий этап в биосинтезе жирных кислот. Регуляция ацетил-СоА-карбоксилазы у бактерий резко отличается от таковой у эукариот, так как у них жирные кислоты являются прежде всего предшественниками фосфолипидов, а не резервным топливом. Здесь цитрат не оказывает действия на ацетил-СоА-карбоксилазу бактерий. Активность транскарбоксилазного компонента системы регулируется гуаниновыми нуклеотидами, которые координируют синтез жирных кислот с ростом и делением бактерий.