Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

12.1. Синтез насыщенных и ненасыщенных жирных кислот

12.1.СИНТЕЗ НАСЫЩЕННЫХ И НЕНАСЫЩЕННЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Процесс синтеза насыщенных жирных кислот называется липогенез (рис. 12.2). Этот процесс протекает в специализированных органеллах

OO

O

H3C–C–CH2–C–S–AПБ

O

НАДФН2

5

НАДФ+

O

H3C–CH–CH2–C–S–AПБ

OH

6

H2O

O

H3C–CH=CH–C–S–AПБ

НАДФН2 7

НАДФ+

O

H3C–CH2–CH2–C–S–AПБ

8

HS–АПБ

O

R–C–OH

Рис. 12.2. Процесс синтеза высших жирных кислот (липогенез) (1 — ацетил- КоА-карбоксилаза, 2 — АПБ-ацетилтрансфераза, 3 — АПБ-малонилтрансфера- за, 4 — β-кетоацил-АПБ-синтетаза, 5 — β-кетоацил-АПБ-редуктаза, 6 — окси- ацил-АПБ-дегидратаза, 7 — еноил-АПБ-редуктаза, 8 — деацилаза)

193

Глава 12. Метаболизм липидов

растительных клеток, которые называются пропластидами. В процессе синтеза образуются жирные кислоты с четным числом атомов углерода (пальмитиновая и стеариновая).

Пусковой стадией процесса является реакция, катализируемая ацетил- КоА-карбоксилазой (1). Этот фермент содержит в качестве простетической группы биотин. Реакция протекает в два этапа: на первом этапе происходит карбоксилирование биотина с образованием карбоксибиотина. В реакции участвует АТФ, обеспечивающий направленность процесса. На втором этапе карбоксилируется ацетил-КоА с образованием малонилКоА. Ацетил-КоА-карбоксилаза катализирует лимитирующую стадию процесса синтеза жирных кислот. При этом аллостерическим активатором фермента служит цитрат.

Затем при участии АПБ-ацилтрансферазы (2) и АПБ-малонилтранс- феразы (3) ацильные группы с ацетил-КоА и малонил-КоА переносятся на АПБ (ацилпереносящий белок). В составе активных центров обоих ферментов имеются НS-группы. Образовавшиеся ацетил-АПБ и мало- нил-АПБ реагируют между собой при участии β-кетоацил-АПБ-синтета- зы (4) с образованием ацетоацетил-АПБ. В ходе реакции происходит декарбоксилирование малонильного остатка.

В реакции, катализируемой β-кетоацил-АПБ-редуктазой (5), происходит восстановление ацетоацетил-АПБ, при участии НАДФН, в β-окси- бутирил-АПБ. β-Оксиацил-АПБ-дегидратаза (6) катализирует реакцию дегидратации β-оксибутирил-АПБ в кротонил-АПБ, который НАДФНзависимой еноил-АПБ-редуктазой (7) восстанавливается до бутирил-АПБ. Цикл может многократно повторяться. Наиболее вероятным конечным продуктом процесса синтеза жирных кислот может быть пальмитиновая кислота, которая образуется в результате действия гидролитической деацилазы (8) на пальмитил-S-АПБ.

Таким образом, синтез насыщенных жирных кислот преимущественно протекает в пропластидах растительной клетки. В этих органеллах синтезируется пальмитиновая кислота, которая затем, при участии кислорода

иферредоксина, окисляется до олеиновой кислоты. Для синтеза жирных кислот необходимы АПБ и НАДФН. Реакции синтеза жирных кислот инициируются АТФ-зависимым ферментом (ацетил-КоА-карбоксила- за), который катализирует лимитирующую стадию процесса, используя

в качестве простетической группы биотин. Активаторами ацетил-КоА- карбоксилазы служат цитрат, изоцитрат и α-кетоглутарат.

Синтез в растениях ненасыщенных жирных кислот (пальмитолеиновой

иолеиновой) осуществляется при участии специфических оксигеназ из пальмитиновой и стеариновой кислот в результате следующих реакций:

CH3(CH2)14—CO—SКoA + НАДФН + Н+ + О2 → Пальмитоил-КоА

194

12.2.Процессы окисления насыщенных жирных кислот

→CH3(CH2)5—CH=CH–(CH2)7—CO—SКoA + НАДФ+ + 2Н2О Пальмитолеил-КоА

CH3(CH2)16—CO—SКoA + НАДФН + Н+ + О2 → Стеароил-КоА

→ CH3(CH2)7—CH=CH–(CH2)7—CO—SКoA + НАДФ+ + 2Н2О Олеиноил-КоА

Кроме того, оксигеназы катализируют реакции последовательного превращения олеиновой кислоты в линолевую, а последней — в линоленовую.

При созревании семян масличных растений вначале происходит синтез насыщенных жирных кислот (пальмитиновая и стеариновая), а на последних стадиях созревания происходит активный синтез ненасыщенных жирных кислот.

12.2.ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ НАСЫЩЕННЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

В составе биогенных тканей содержатся жирные кислоты с четным числом углеродных атомов. Расщепление насыщенных жирных кислот

ворганизме происходит путем последовательного отщепления двухуглеродных радикалов, который получил название процесса β-окисления

жирных кислот.

Теория β-окисления жирных кислот впервые предложена Ф.Кноопом

в1904 г. Окисление насыщенных жирных кислот в клетках происходит мультиферментным комплексом в матриксе митохондрий. На начальном этапе осуществляется перенос насыщенной жирной кислоты в матрикс митохондрии при помощи карнитина (рис. 12.3). Этот переносчик обнаружен во многих растительных и животных тканях.

Вначале ацил-КоА-синтетаза (1) катализирует реакцию присоединения НSКоА к жирной кислоте, используя АТФ. Далее ацил-КоА присоединяется к карнитину с образованием ацилкарнитина, при участии ци- топлазматической-карнитинацилтрансферазы (2), который переносится через мембраны митохондрий. В митохондриях митохондриальная-кар- нитинацилтрансфераза (3) расщепляет ацилкарнитин на составные части (карнитин и жирную кислоту); реакция протекает при участии НSКоА. При этом карнитин переносится в цитоплазму клетки, а образовавшийся ацил-SКоА подвергается окислению. Ацил-КоА-дегидрогеназа (4) при участии ФАД катализирует реакцию дегидрирования, отщепляя два атома водорода во 2-м и 3-м положениях от ацил-КоА, превращая его в КоАэфир ненасыщенной кислоты.

195

Глава 12. Метаболизм липидов

+

(CН3)3–N–CH2–CH–CH2–COO– O

O=C–CH2–CH2–R

HSKoA

3

R–CН2–CН2–CO–SKoA

4 ФАД ФАДН2

R–CН=CН–CO–SKoA

H2O

5

R–CН–CН2–CO–SKoA

HO

НАД+

6

НАДН2

R–C–CН2–CO–SKoA

O

HSKoAR–CO–SKoA

7

CН3–CO–SKoA

Рис. 12.3. Процесс β-окисления насыщенных жирных кислот (1 — ацетил-КоА- синтетаза, 2 — карнитинацилтрансфераза (цитоплазмы), 3 — карнитинацилтрансфераза (митохондрий), 4 — ацил-КоА-дегидрогеназа, 5 — еноил-КоА- гидратаза, 6 — 3-оксиацил-КоА-дегидрогеназа, 7 — тиолаза)

Затем енол-КоА-гидратаза (3-оксиацил-КоА-гидратаза) (5) катализирует реакцию обратимой гидратации двойной связи в еноил-КоА, с образованием 3-оксиацил-КоА, который дегидрируется при участии 3-оксиацил- КоА-дегидрогеназы (6) в 3-оксоацил-КоА. Ацетил-КоА-ацилтрансфераза (тиолаза) (7) расщепляет 3-оксоацил-КоА с образованием ацил-КоА и аце- тил-КоА. Последний представляет двухуглеродный остаток, производное уксусной кислоты; он подвергается окислению ферментами цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса), а образовавшийся новый ацил-КоА вновь способен к дальнейшему окислению.

За один цикл превращений от ацил-КоА отщепляется по одному аце- тил-КоА, т. е. двухуглеродному производному. Процесс продолжается

196

12.3. α-Окисление жирных кислот

до тех пор, пока полностью не происходит расщепление ацильного остатка до двухуглеродных производных, которые окисляются ферментами ЦТК до СО2 и Н2О.

Таким образом, окисление жирных кислот катализируют ферменты матрикса митохондрий. В переносе жирных кислот через мембраны митохондрий участвует карнитин. Ферментативные реакции окисления насыщенных жирных кислот протекают последовательно, за один цикл от ацилКоА отщепляется двухуглеродный фрагмент, расщепление которого до СО2

иН2О осуществляется в дальнейшем ферментами цикла Кребса. Каждое отщепление двухуглеродного фрагмента от жирной кислоты сопровождается синтезом по одной молекуле ФАДН и НАДН, общее количество которых зависит от числа циклов. Так, например, окисление молекулы пальмитиновой кислоты повторяется 7 циклов с образованием 8 молекул ацетил-КоА.

При этом, если после одного цикла синтезируется по молекуле ФАДН2

иНАДН, то всего за 7 циклов образуется 7 молекул ФАДН2 и 7 молекул НАДН. Окисление по одной молекуле ФАДН2 и НАДН обеспечивают син-

тез (ФАДН2 — 2 молекул АТФ, НАДН — 3 молекул АТФ) в сумме 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления 8 молекул ацетил-КоА образуют 96 молекул АТФ. Таким образом, всего при окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты синтезируется 131 молекула АТФ.

12.3. α-ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

В растениях β-окисление жирных кислот является основным метаболическим процессом их распада. Однако часть высших жирных кислот может подвергнуться разрушению и по пути α-окисления, который состоит из двух этапов. Вначале при участии пероксидазы жирных кислот происходит отщепление от жирной кислоты молекулы СО2, в результате образуется альдегид:

R—CH2—CH2—COOH + 2H2O2 → R—CH2—CHO + CO2 + 3H2O

Затем альдегиддегидрогеназа жирных кислот окисляет образовавшийся альдегид до кислоты. Реакция протекает в присутствии НАД+.

R—CH2—CHO + НАД+ + H2O → R—CH2—COOH + НАДН + Н+

Образовавшаяся в результате реакций α-окисления жирная кислота в дальнейшем может снова подвергнуться аналогичным превращениям и это продолжается до момента полного расщепления жирной кислоты.

Особенно активно процесс α-окисления высших жирных кислот протекает в прорастающих семенах масличных культур. Кроме того, этот про-

197