20.Метаболізм кетонових тіл в умовах патології

У нормі концентрація кетонових тіл у крові та більшості тканин незначна (в середньому 10-20 мг/л). Проте, за умов голодування та цукрового діабету створюються метаболічні умови, за яких кількість кетонових тіл у тканинах різко підвищується за рахунок значної активації їх синтезу. При цьому значно зростають як концентрація кетонових тіл у крові (кетонемія), так і їх виділення з сечею (кетонурія).

Біохімічною основою зростання вмісту кетонових тіл в умовах патології є зменшення ступеня утилізації ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот внаслідок порушень вуглеводного обміну.

Справа в тому, що входження ацетил-КоА в ЦТК залежить від наявності в клітині достатньої кількості оксалоацетату, необхідного для утворення цитрату. В свою чергу, утворення оксалоацетату, необхідного для нормального функціонування трикарбонового циклу, залежить від кількості пірувату ,

основним постачальником якого є гліколітичне розщеплення глюкози. В умовах зменшеного надходження в клітину глюкози (голодування, цукровий діабет) оксалоацетат спрямовується на шлях глюконеогенезу і стає недосяжним для взаємодії з ацетил-КоА в цитратсинтазній реакції. У зазначених метаболічних умовах ацетил-КоА в значній мірі використовується для утворення кетонових тіл —

ацетоацетату та β-гідроксибутирату. Сприяє накопиченню в клітинах ацетил-КоА також його підвищене утворення при β-окисленні жирних кислот за рахунок стимуляціі в умовах глюкозного голодування ліполізу в жировій тканині. Ці біохімічні закономірності пояснюють давній вислів “Жири згоряють у полум’ї вуглеводів”. Введення в організм глюкози (при голодуванні), або глюкози з інсуліном (при цукровому діабеті) підвищує внутрішньоклітинний рівень моносахариду і нормалізує гліколіз, що призводить до активації утилізації ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот і зменшення утворення кетонових тіл. Проте, в умовах відсутності необхідної терапії концентрація ацетоацетату, β-гідроксибутирату та ацетону в організмі хворих на цукровий діабет може зростати в десятки разів,

супроводжуючись порушенням кислотно-лужного балансу і розвитком метаболічного кетоацидозу, який є небезпечним для нормального функціонування клітин головного мозку.

21. Біосинтез вищих жирних кислот із подальшим їх включенням до складу триацилгліцеролів жирової та інших тканин — ліпогенез — є метаболічним шляхом, що дозволяє акумулювати в організмі людини та тварин значні енергетичні резерви метаболічного палива.

Ферментні реакції біосинтезу жирних кислот з ацетил-КоА, на відміну від їх окислення, відбуваються в цитоплазмі клітин; основним продуктом цього синтезу є пальмітинова кислота С15Н31СООН.

Біохімічні стадії синтезу насичених жирних кислот Синтетаза жирних кислот є мультиензимним комплексом, до складу якого входять декілька ферментних білків із каталітичною активністю, що забезпечує послідовне подовження вуглецевого ланцюга (С2, С4, С6 ...) до утворення ацильного залишку з необхідною кількістю вуглецевих атомів (переважно С16). Сукупність ферментних реакцій біосинтезу пальмітинової кислоти називається циклом Лінена.

Ацилтранспортуючий протеїн

Центральне місце у ферментному комплексі синтетази жирних кислот посідає ацилтранспортуючий протеїн (Acyl Carrier Protein, ACP, англ.). Із молекулою ACP сполучені ферментні білки, що каталізують окремі реакції синтезу жирних кислот С16 та С18. ACP має два SH-вмісних центри зв’язування:

1-й центр —залишок цистеїну поліпептидного ланцюга ACP, який служить для акцептування ацетильного радикалу (СН3–СО–) від ацетил-КоА;

2-й центр — фосфорильоване похідне вітаміну пантотенової кислоти — 4'-фосфопантетеїн, що є структурою, SH-групи якої акцептують малонільний радикал (НООС–СН2–СО–) від малоніл-КоА. 4'-Фосфопантетеїн (Фп) ковалентно сполучений із залишком серину в 36-му положенні поліпептидного ланцюга ACP.

Подібним чином взаємодіє з АРС (HS-групою Фп) і малоніл-КоА.

Послідовність ферментативних реакцій

Після акцептування ацилтранспортуючим білком ацетильного й малонільного радикалів формування ланцюга вищої жирної кислоти може бути поданим у вигляді зазначеної нижче послідовності реакцій.

1. Перенесення ацетильного радикалу, зв’язаного з SH-групою цистеїну, на малонільний радикал, зв’язаний з SH-групою фосфопантетеїну, з утворенням ацетоацетильного радикала, що зв’язаний з SH-групою фосфопантетеїну. Ця реакція конденсації каталізується ферментом 3-кетоацил-ACP-cинтазою:

У результаті реакції утворюється ацетоацетил — АРС і виділяється (регенерує) молекула СО2, що була використана для синтезу малоніл-КоА.

2. Відновлення карбонільної групи в молекулі ацетоацетил-ACP з утворенням 3- гідроксибутирил-ACP. Реакція каталізується НАДФН-залежною 3-кетоацил-ACP-редуктазою:

3. Дегідратація 3-гідроксибутирильного радикала за участю ферменту 3-гідроксиацил-ACP-дегідратази. Продукт реакції — ненасичене похідне масляної кислоти (бутирату), подвійний зв’язок в якому розміщений між 2-м і 3-м атомами вуглецю (Δ2) та має транс-конфігурацію — транс-бутеноїл-Δ2-ACP:

4. Відновлення подвійного зв’язку в молекулі транс-бутеноїл-Δ2-ACP за участю ферменту еноїл-ACP-редуктази. Продукт реакції — бутирильний радикал,сполучений із ACP:

У результаті розглянутої послідовності чотирьох реакцій двовуглецевий ацетильний радикал (С2) перетворився на чотиривуглецевий бутирильний радикал (С4).Для продовження процесу елонгації вуглеводневих радикалів необхідне приведення ферментної системи синтетази жирних кислот у вихідний стан, що досягається перенесенням бутирилу від SH-групи фосфопантетеїну на SH-групу цистеїну та приєднанням до SH-групи фосфопантетеїну, що звільнилася, нового залишку малонілу:

У подальшому починається новий цикл реакцій, що полягають у подовженні вуглеводневого радикала карбонової кислоти ще на один двовуглецевий фрагмент. Продуктом семи зазначених циклів є утворення радикалу пальмітинової кислоти (С16), який відщеплюється від ACP у результаті гідролітичної тіоестеразної реакції:

пальмітоїл–S–ACP + Н2О ______пальмітат + HS–ACP

22. Сумарне рівняння біосинтезу пальмітату з ацетил-КоА в результаті дії синтетази вищих жирних кислот:

CH3–CO–S–KoA + 7 HOOC–CH2–CO–S–KoA + 14 НАДФН + 14 H+___CH3–(CH2)14–COOH + 14 НАДФ+ + 8 KoA–SH + 7 CO2

Джерела НАДФН, необхідного для біосинтезу жирних кислот У кожному циклі біосинтезу пальмітату відбувається по дві відновлювальні реакції, донором водню (2Н+ + 2e–) в яких є НАДФН. Одним з основних постачальників молекул цитозольного НАДФН, відновлювальні еквіваленти яких використовуються при ліпогенезі, є реакція перетворення малату до пірувату, що спряжена з функціонуванням човникової системи транспорту ацетильних радикалів.

1. У першій реакції оксалоацетат відновлюється до малату за участю цитозольної малатдегідрогенази:

оксалоацетат + НАДН + Н+ ______малат + НАД+

2. У другій реакції відбувається окислювальне декарбоксилювання малату до пірувату за допомогою НАДФ-залежного ферменту малікензиму:

малат + НАДФ+ ______піруват + СО2 + НАДФН + Н+

НАДФН, що генерувався в реакції, використовується в ліпогенезі, а піруват перетворюється до оксалоацетату в піруваткарбоксилазній реакції. Крім розглянутого механізму, постачальником НАДФН, що використовується в біосинтезі пальмітату, виступають також глюкозо-6-фосфат-дегідрогеназна реакція пентозофосфатного циклу окислення глюкози та НАДФ-залежна ізоцитрат-дегідрогеназна реакція, що перебігає в цитозолі.