Биосинтез жирных кислот, триацилглицеролов и фосфолипидов.

Практическая значимость темы. Нормальное протекание процессов липидного обмена сопровождается одновременно протекающими процессами синтеза и распада липидов в организме. Эти процессы характеризуют биологическое динамически устойчивое состояние. В организме взрослого человека количество липидов остаётся практически неизменным в течение длительных промежутков времени. Нарушение соотношения между процессами образования и мобилизации липидов может приводить к развитию таких заболеваний, как ожирение, жировая дистрофия печени, атеросклероз, желчно-каменная болезнь.

Цель изучения темы: Сформировать представления о путях биосинтеза важнейших липидных компонентов тканей, о биологической роли синтезируемых липидов и взаимосвязи процессов липосинтеза с обменом углеводов и белков. Закрепить полученные знания в ходе выполнения упражнений и решения ситуационных задач.

Исходный уровень знаний.

  1. Строение жирных кислот, фосфолипидов, стеридов, нуклеотидов.
  2. Коферментные функции витаминов (фолиевая кислота, В12).
  3. Гидрофильные и гидрофобные свойства биологических макромолекул.
  4. Механизмы регуляции каталитической активности ферментов.
  5. Механизмы транспорта веществ через мембраны.
  6. Метаболизм: фазы и стадии.
  7. Реакции окисления-восстановления, переноса функциональных групп и реакции с участием макроэргических соединений в биологических системах.

3.1. Синтез высших жирных кислот.

3.1.1. 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 комплекс синтетаза 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.

3.1.2. Ацетил-КоА поступает из митохондрий в цитоплазму при помощи цитратного механизма (рисунок 3.1). 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).

3.1.3. Начальной реакцией синтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА (рисунок 3.2). Фермент ацетил-КоА-карбоксилаза активируется цитратом и ингибируется КоА-производными высших жирных кислот.

Затем ацетил-КоА и малонил-КоА взаимодействуют с SH-группами ацилпереносящего белка (рисунок 3.3).

Далее происходит их конденсация, декарбоксилирование и восстановление образовавшегося продукта (рисунок 3.4).

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

3.1.4. 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.

3.2. Биосинтез триацилглицеролов.

3.2.1. Биосинтез триацилглицеролов и глицерофосфолипидов происходит в цитоплазме клеток. Первые реакции этих метаболических путей совпадают и включают образование фосфатидной кислоты.

Предшественники фосфатидной кислоты - глицерол и жирные кислоты - вступают в реакцию в активной форме.

Образование активной формы глицерола (глицерол-3-фосфата может происходить двумя путями (рисунок 3.5).

Активация жирных кислот идёт путём образования тиоэфиров коэнзима А – ацил-КоА (см. 2.3.1, рисунок 2.7).

3.2.2. Первая реакция ацилирования глицерол-3-фосфата осуществляется за счёт КоА-производного насыщенной жирной кислоты, например, пальмитиновой. Образуется сложноэфирная связь в 1-м положении (рисунок 3.6, реакция 1).

Вторая реакция ацилирования идёт, как правило, за счёт КоА-тиоэфира ненасыщенной жирной кислоты, например, олеиновой (рисунок 3.6, реакция 2).

В процессе синтеза триацилглицеролов происходит дефосфорилирование фосфатидной кислоты при помощи фосфатидатфосфатазы (рисунок 3.6, реакция 3).

В дальнейшем 1,2-диацилглицерол ацилируется третьей молекулой ацил-КоА, которая может содержать остаток как ненасыщенной, так и насыщенной жирной кислоты (рисунок 3.5, реакция 4).

3.2.3. В организме здорового человека процессы биосинтеза и катаболизма триацилглицеролов взаимно уравновешены.

В тех случаях, когда углеводы, жиры или белки потребляются в количествах, превышающих энергетические потребности организма, излишки калорий запасаются в виде триацилглицеролов. Источником ацетил-КоА для биосинтеза жирных кислот могут служить как углеводы, так и углеродные цепи аминокислот. Накопленный избыток жиров может быть израсходован для получения энергии, например, при голодании.

Скорость биосинтеза триацилглицеролов регулируется гормонами. Инсулин стимулирует поступление глюкозы в клетки и, следовательно, превращение её в жиры. Глюкагон и гормоны надпочечников тормозят этот процесс.

3.3. Биосинтез глицерофосфолипидов.

3.3.1. Как известно (1.4.2), глицерофосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты и одного из аминоспиртов (например, этаноламина, холина или серина). Реакции образования фосфатидной кислоты обсуждались в предыдущем параграфе (см. 3.2.2, рисунок 3.5).

Подобно другим предшественникам в биосинтезе липидов, аминоспирты, участвующие в синтезе фосфолипидов, вступают в реакцию в активной форме – в виде соединения с цитидиндифосфатом (ЦДФ). В качестве примера на рисунке 3.7 приводятся реакции активации этаноламина. Обратите внимание, что в реакциях активации аминоспиртов принимают участие два нуклеозидтрифосфата – АТФ и ЦТФ.

Далее остаток фосфоэтаноламина с ЦДФ-этаноламина переносится на 1,2-диацилглицерол, образующийся в результате дефосфорилирования фосфатидной кислоты (рисунок 3.8, реакции 1 и 2). Продуктом реакции является фосфатидилэтаноламин.

Синтез фосфатидилхолина происходит путём трёхкратного метилирования фосфатидидэтаноламина. Донором метильных групп служит S-аденозилметионин (рисунок 3.8, реакция 3). Фосфатидилхолин может образоваться также путём активации холина, подобно этаноламину.

Фосфатидилсерин образуется в реакции прямого взаимодействия фосфатидилэтаноламина и серина.

3.3.2. Липотропные факторы – вещества, способствующие синтезу фосфолипидов и препятствующие отложению триацилглицеролов в тканях.

Липотропный эффект этих соединений связан с тем, что общим предшественником триацилглицеролов и фосфолипидов является фосфатидная кислота. При недостатке липотропных факторов фосфатидная кислота используется преимущественно для синтеза триацилглицеролов. Они нерастворимы в воде и накапливаются в клетках, способствуя их жировому перерождению. Запомните, какие липотропные факторы можно использовать в качестве препаратов для его предупреждения:

1) холин – самое распространённое азотистое основание фосфолипидов;

2) метионин – незаменимая аминокислота, предшественник S-аденозилметионина, универсального донора метильных групп;

3) фолиевая кислота и витамин В12 – предшественники коферментов, участвующих в реакциях переноса СН3-групп.

При введении липотропных факторов снижается синтез триацилглицеролов и усиливается выведение жира из клеток при участии липопротеиновых комплексов (см.3.5.2).

3.4. Биосинтез холестерола.

3.4.1. Исходным соединением для синтеза холестерола является ацетил-КоА (см. 2.2.3, рисунок 2.6). Ферменты, катализирующие реакции синтеза, содержатся в цитоплазме и эндоплазматическом ретикулуме многих клеток. Наиболее активно этот процесс происходит в печени. В организме человека в сутки синтезируется около одного грамма холестерола.

3.4.2. Биосинтез холестерола включает три основные стадии (рисунок 3.9). На первой стадии образуется мевалоновая кислота (рисунок 3.9, а).

На второй стадии мевалоновая кислота превращается в изопентенилпирофосфат («активный изопрен»), 6 молекул которого конденсируются в сквален (рисунок 3.9, б).

На третьей стадии сквален превращается в холестерол (рисунок 3.9, в).

Всего для синтеза 1 молекулы холестерола используется 18 молекул ацетил-КоА: для образования «активного изопрена» требуется 3 молекулы; в последующих реакциях конденсации участвуют 6 молекул «активного изопрена»; 3 × 6 = 18.

3.4.3. Скорость синтеза холестерола в организме регулируется по механизму отрицательной обратной связи (рисунок 3.8, пунктирная стрелка). Фермент β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА-редуктаза катализирует лимитирующую реакцию биосинтеза холестерола. Холестерол является корепрессором синтеза данного ферментного белка, что приводит к снижению скорости катализируемой реакции. Поэтому при поступлении избытка холестерола с пищей синтез эндогенного холестерола прекращается.

Холестерол является компонентом биологических мембран, из него в организме образуются стероидные гормоны, витамин D3, желчные кислоты (см. 1.1.2). Избыток холестерола превращается в печени в желчные кислоты (см. 2.1.3, рисунок 2.3), а также выделяется с желчью в кишечник и выводится с калом.

3.4.4. Нормальное содержание холестерола в сыворотке крови человека составляет 3,9 – 6,3 ммоль/л. Транспортной формой холестерола в крови являются липопротеины (см. далее 3.5.2). Если нарушается соотношение между поступлением холестерола в организм и его выведением, то содержание холестерола в тканях и крови изменяется. Повышение концентрации холестерола в крови (гиперхолестеролемия) может приводить к развитию атеросклероза и желчно-каменной болезни.

3.5. Липопротеины.

3.5.1. Липиды нерастворимы в воде и поэтому транспортируются кровью в форме надмолекулярных комплексов – липопротеинов. Гидрофобное ядро липопротеинов содержит неполярные липиды (ТАГ, эфиры холестерола), оболочка состоит из амфифильных липидов (фосфолипиды, холестерол) и белков-апопротеинов (см. 2.2.2). Липопротеины различаются по химическому составу, свойствам и функциям. Основными классами липопротеинов являются: 1) хиломикроны, 2) липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), 3) липопротеины низкой плотности (ЛПНП), 4) липопротеины высокой плотности (ЛПВП).

3.5.2. Особенности обмена и биологическая роль различных классов липопротеинов представлены на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10. Обмен липопротеинов. ЛПВП - липопротеин высокой плотности; ЛПНП - липопротеин низкой плотности; ЛПОНП - липопротеин очень низкой плотности; ХМ - хиломикрон; ТГ - триацилглицерол; ХС -холестерол; ЭХС - эфир холестерола; ЛПЛ-аза - липопротеинлипаза; ЛХАТ - лецитин: холестерол-ацилтрансфераза.

Хиломикроны (см. также 2.2.2) образуются в стенке кишечника, содержат до 80% ТАГ пищевого происхождения, которые транспортируются кровью в периферические ткани. В кровеносных капиллярах ТАГ подвергаются гидролизу липопротеинлипазой; образующиеся жирные кислоты поступают в ткани, а «остатки» хиломикронов поглощаются клетками печени (рисунок 3.10, пунктирная линия).

ЛПОНП - образуются в печени, являются транспортной формой эндогенных ТАГ. Как и хиломикроны, являются субстратами липопротеинлипазы эндотелия капилляров. После гидролиза ТАГ, ЛПОНП превращаются в ЛПНП.

ЛПНП - образуются в крови из ЛПОНП под действием липопротеинлипазы. Богаты холестеролом, транспортируют его во внепечёночные ткани. В результате взаимодействия ЛПНП с рецепторами на поверхности мембран холестерол из ЛПНП проникает внутрь клеток, где участвует в образовании клеточных структур и реакциях биосинтеза веществ (см.1.4.1).

ЛПВП – образуются в печени, первоначально состоят преимущественно из белков и фосфолипидов и имеют форму дисков. При помощи фермента ЛХАТ липопротеины этого класса извлекают избыток холестерола из внепечёночных клеток и в форме эфиров доставляют его в печень.

Увеличение содержания в крови ЛПНП и ЛПОНП и уменьшение содержания ЛПВП способствует развитию атеросклероза. Следовательно, ЛПОНП и ЛПНП – атерогенные липопротеины, ЛПВП – антиатерогенные липопротеины.

Обучающие задачи и эталоны их решения.

Задача 1. Одним из ферментов, участвующих в регуляции липосинтеза, является митохондриальная изоцитратдегидрогеназа. Почему при ингибировании этого фермента избытком АТФ в цитоплазме клеток печени усиливаются процессы синтеза жирных кислот? При решении задачи ответьте на вопросы:

  • Частью какого метаболического процесса является фермент изоцитратдегидрогеназа?
  • Какой промежуточный продукт накапливается в митохондриях при ингибировании этого фермента?
  • Как при этом изменяется содержание цитрата в митохондриях?
  • Каков его дальнейший путь использования?

Ответ. Изоцитратдегидрогеназа является ферментом цикла трикарбоновых кислот. При его ингибировании в митохондриях накапливается изоцитрат и, как следствие, цитрат. Накапливающийся цитрат переходит в цитоплазму клеток, где под действием цитрат-лиазы распадается на ацетил-КоА и оксалоацетат (см. 3.1.2). Ацетил-КоА является исходным соединением для синтеза жирных кислот и увеличение его концентрации ведет к активации данного процесса.

Задача 2. Добавление в пищу животным больших количеств веществ - акцепторов метильных групп (например, гуанидинацетата или ниацина) приводит к развитию у них жирового перерождения печени. Как можно объяснить антилипотропный эффект таких веществ?

Ответ. Одной из причин жирового перерождения печени является нарушение синтеза фосфолипидов, участвующих в транспорте триацилглицеролов из печени в кровь. Синтез фосфолипидов зависит от наличия в клетках печени холина и возможности его синтеза из этаноламина путем метилирования. Вещества – акцепторы метильных групп нарушают этот процесс, выступая в качестве конкурентных ингибиторов. Развивающийся дефицит липотропных факторов (см. 3.3.4) - холина и метионина приводит к нарушению синтеза фосфолипидов и накоплению триацилглицеролов – жировому перерождению печени.

Задача 3. Инсулин усиливает поступление глюкозы в клетки жировой ткани. Как и почему изменяется при этом:

  • Интенсивность синтеза триацилглицеролов в жировой ткани?
  • Уровень свободных жирных кислот в крови?

Ответ. При повышенном поступлении в клетки жировой ткани глюкозы синтез триацилглицеролов в них усиливается. Это связано с активацией процессов катаболизма глюкозы и накоплением промежуточного продукта гликолиза – диоксиацетонфосфата. В клетках жировой ткани диоксиацетонфосфат восстанавливается в глицерол-3-фосфат (см. 3.2.1, рисунок 3.4), который взаимодействуя с активированными жирными кислотами превращается в триацилглицерол. Усиленное использование жирных кислот на синтез триацилглицеролов приводит к замедлению выведения их из жировой ткани в кровь и снижению уровня свободных жирных кислот в крови.

Задача 4. Животное получало с пищей мевалоновую кислоту, меченную по атомам углерода. В какой фракции липопротеинов будет обнаружено наибольшее количество метки?

Ответ. Мевалоновая кислота является промежуточным продуктом в синтезе холестерола (см.3.4.2), в структуру которого и будут включаться меченые атомы углерода. Основной транспортной формой холестерола в крови служат липопротеины низкой плотности (см.3.5.2). В них будет обнаруживаться наибольшее количество метки.

Задача 5. Животное получало с пищей глюкозу, меченную по атомам углерода. Через некоторое время метка была обнаружена в составе холестерола плазмы крови. Представьте в виде схемы включение атомов углерода глюкозы в синтез холестерола.

Ответ. Исходным соединением в синтезе холестерола является ацетил-КоА, который образуется в процессе аэробного окисления глюкозы.

Основными промежуточными продуктами в синтезе холестерола из ацетил-КоА являются мевалоновая кислота и изопентенилпирофосфат (см. 3.4.2) Таким образом, синтез холестерола из продуктов катаболизма глюкозы может быть представлен в виде схемы.

Задача 6. Рассчитайте количество молекул ацетил-КоА и НАДФН, необходимых для синтеза одной молекулы пальмитиновой кислоты.

Ответ. Жирные кислоты синтезируются путем последовательного соединения двууглеродных фрагментов, источниками которых служит ацетил-КоА (см.3.1.1). Количество молекул ацетил-КоА, необходимое для синтеза жирной кислоты определяется по формуле n : 2, где n – число атомов углерода в жирной кислоте. В пальмитиновой кислоте С15Н31СООН – 16 атомов углерода и, значит, потребуется 16:2=8 молекул ацетил-КоА. Количество этапов удлинения цепи равно (n : 2) – 1 = (16 : 2) – 1 = 7 . На каждом этапе затрачивается в реакциях восстановления 2 молекулы НАДФН, всего – 7 х2=14.

Контрольные вопросы:

1. Синтез высших жирных кислот: локализация, исходное соединение, последовательность реакций, полиферментный комплекс, коферменты. Источники НАДФН и его использование в синтезе жирных кислот.

2. Пути использования высших жирных кислот в клетках. Биосинтез ацилглицеролов и их мобилизация, биологическая роль. Факторы, способствующие развитию ожирения.

3. Общие этапы биосинтеза ацилглицеролов и фосфолипидов. Последовательность реакций синтеза фосфатидилхолина и его роль в организме. Понятие о липотропном эффекте фосфолипидов и липотропных факторах.

4. Биосинтез холестерола: локализация, основные этапы синтеза, регуляторный фермент. Последовательность реакций образования мевалоновой кислоты, ферменты. Основные пути использования холестерола в организме.

5. Липопротеины крови: схема строения, состав и свойства, классы липопротеинов. Взаимопревращения липопротеинов и их роль в организме. Нарушения метаболизма липопротеинов.

6. Клинико-диагностическое значение определение содержания холестерола и липопротеинов в сыворотке крови.

Выполните упражнения и решите задачи:

1. Рассчитайте количество молекул ацетил-КоА и НАДФН, необходимых для синтеза одной молекулы стеариновой кислоты.

2. Напишите схему синтеза триацилглицерола из глицерола и жирных кислот (стеариновой, арахидоновой, пальмитиновой).

3. Напишите схему синтеза фосфатидилхолина из глицерола, холина, пальмитиновой и линоленовой кислот.

4. При введении глюкагона у экспериментальных животных наблюдается снижение содержания цитрата в клетках печени. Как при этом будет изменяться скорость синтеза жирных кислот?

5. Одним из последствий сахарного диабета является жировое прерождение печени. Какие витамины могут быть использованы для предупреждения этого осложнения? С чем связан их липотропный эффект?

6. Лекарственный препарат компактин является ингибитором фермента β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА-редуктазы. Какое действие оказывает этот препарат на уровень атерогенных липопротеинов в плазме крови?

Литература

  1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. – М., 1990. – с.300-316.
  2. Николаев А.Я. Биологическая химия. – М., 1989. – с.276-279; 281-292; 296-303.
  3. Строев Е.А. Биологическая химия. – М., 1986. – с. 100-102; 262-268; 269-274.
  4. Руководство к практическим занятиям по биохимии. Часть I. – Ярославль, 1999. – с.74-80; 88-89.
  5. Конспекты лекций.

© С.М.Ершиков, 2007.

Полная версия методического пособия приведена на фотографиях.

 

ПРЕДМЕТЫ

О НАС

«Dendrit» - портал для студентов медицинских ВУЗов, включающий в себя собрание актуальных учебных материалов (учебники, лекции, методические пособия, фотографии анатомических и гистологических препаратов), которые постоянно обновляются по ходу учебного процесса в ЯГМУ.