Синтез жирных кислот

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 СО₂ 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 СО₂ от карбоксибиотина на ацетил-СоА.

Биотин-фермент + АТР + НСО₃^- ↔ СО₂~Биотин-фермент + АDР + P_i,

СО₂~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.

Синтез жирных кислот

Ферментная система, катализирующая синтез насыщенных длинноцепочечных жирных кислот из ацетил-СоА, малонил-СоА и NADРН, называется синтетазой жирных кислот.

Имеются два типа синтазных комплексов. У бактерий, растений и низших форм животных, таких, как эвглена, все ин­дивидуальные ферменты синтазной системы находя­тся в виде автономных полипептидов. Ацильные ра­дикалы (субстрат) связаны с одним из них, получившим название ацилпереносящии белок (АПБ). У дрожжей, млекопитающих и птиц синтазная система представляет собой полиферментный комплекс, который нельзя разделить на компоненты, не нарушив его активности. В данном случае АПБ является частью этого комплекса. Как АПБ бактерий, так и АПБ полиферментного комплекса содержат витамин пантотеновую кислоту в виде 4'-фосфопантетеина (Рис).

Рис. Фосфопантетеин

В синтазной системе АПБ выполняет роль СоА. Синтазный комплекс, катализирующий образование жирных кислот, является димером (рис. 23.6).

Рис. Синтетаза жирных кислот: строение

У животных мономеры идентичны и образованы одной полипептидной цепью, включающей 6 ферментов, катализирующих биосинтез жирных кислот, и АПБ с реакционноспособной SН-группой, принадлежащей 4'-фосфопантетеину. В непосредственной близости от этой группы расположена другая сульфгидрильная группа, принадлежащая остатку цистеина, входящего в состав 3-кетоацил-синтазы (конденсирующего фермента), которая входит в состав другого мономера. Поскольку для проявления синтазной активности необходимо участие обеих сульфгидрильных групп, синтазный комплекс активен только в виде димера.

Причем, в одном димерном синтазном комплексе имеются 2 активных центра, функционирующие независимо друг от друга, в результате одновременно образуются 2 молекулы пальмитиновой кислоты.

Рис. Биосинтез жирных кислот: реакции

На первом этапе процесса инициирующая молекула ацетил-СоА при участии трансацилазы взаимодействует с –SН-группой цистеина. Mалонил-СоА под действием того же фермента (трансацилазы) взаимодействует с соседней –SН-группой, принадлежащей 4'-фосфопантетеину, локализованному в АПБ другого мономера. В результате этой реакции образуется ацетил(ацил)малонил-фермент. 3-Кетоацил-синтаза катализирует взаимодействие ацетильной группы фермента с метиленовой группой малонила и высвобождение СО₂, в результате образуется 3-кетоацил-фермент (ацетоацетил-фермент); при этом освобождается сульфгидрильная группа цистеина, ранее занятая ацетильной группой. Декарбоксилирование позволяет реакции пройти до конца и является движущей силой биосинтеза. 3-Кетоацильная группа восстанавливается, затем дегидратируется и вновь восстанавливается, в результате образуется соответствующий насыщенный ацил-S-фермент. Эти реакции сходны с соответствующими реакциями β -окисления; отличие заключается, в частности, в том, что при биосинтезе образуется D(–)-изомер 3-гидроксикислоты, а не L(+)-изомер, кроме того, NАDРН, а не NАDН является донором водорода в реакциях восстановления. Далее новая молекула малонил-СоА взаимодействует с –SН-группой фосфопантетеина, при этом насыщенный ацильный остаток перемещается на свободную –SН-группу цистеина. Цикл реакций повторяется еще 6 раз, и каждый новый остаток малоната встраивается в углеродную цепь, до тех пор пока не образуется насыщенный 16-углеродный ацил-радикал (пальмитоил). Последний высвобождается из полиферментного комплекса под действием шестого фермента, входящего в состав комплекса, – тиоэстеразы (деацилазы). Свободная пальмитиновая кислота, прежде чем вступить в другой метаболический путь, должна перейти в активную форму ацил-СоА-производного. Затем активированный пальмитат обычно подвергается эстерификации с образованием ацилглицеролов.

Длинна синтезируемого ацильного фрагмента зависит от специфичности тиоэстеразы данной ткани. Например, в молочной железе имеется особая тиоэстераза, специфичная к ацильным остаткам С₈-, С₁₀- или С₁₂-жирных кислот, входящих в состав липидов молока.

Объединение всех ферментов рассматриваемого метаболического пути в единый полиферментный комплекс обеспечивает его высокую эффективность и устраняет конкуренцию других процессов, в результате достигается эффект компартментации данного пути в клетке без участия дополнительных барьеров проницаемости.

Привидем суммарную реакцию биосинтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-СоА и малонил-СоА:

Ацетил-СоА + 7Малонил-СоА + 14NАDРН + 7Н⁺ → Пальмитат + 7СО₂ +

+ 14NАDР⁺ + 8СоА + 6Н₂О.

При этом использовано следующее уравнение для синтеза малонил-СоА:

7Ацетил-СоА + 7СО₂ + 7АТР → 7Малонил-СоА + 7АDР + 7Р_i + 7Н⁺.

Отсюда выводим итоговую стехиометрию синтеза пальмитата:

8Ацетил-СоА + 7АТР + 14NАDРН → Пальмитат + 14NАDР⁺ + 8СоА +

+ 6Н₂О + 7АDР + 7Р_i.

Таким образом, из молекулы ацетил-СоА, выступающей в качестве затравки, образуются 15-й и 16-й углеродные атомы пальмитиновой кислоты. Присоединение всех последующих двухуглеродных фрагментов происходит за счет малонил-СоА-производного. В печени и молочной железе млекопитающих в качестве затравки может служить бутирил-СоА. Если в качестве затравки выступает пропионил-СоА, то синтезируются длинноцепочечные жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода. Такие жирные кислоты характерны в первую очередь для жвачных животных, у которых пропионовая кислота образуется в рубце под действием микроорганизмов.