212	8. Обмен липидов

Цитидиндифосфохолин образуется в результате фосфорилирования холина за счет АТФ и последующей реакции с цитидинтрифосфатом. Цитидиндифосфохолин выполняет в процессе образования лецитина(и вообще фосфолипидов) каталитическую функцию, перенося остатки фосфохолина на диглицерид (его можно рассматривать в качестве кофермента холинфосфотрансферазы).

холинкиназа	трансфераза
ХОЛИН	ФОСФОХОЛИН	ЦИТИДИНДИФОСФОХОЛИН
АТФ АДФ	ЦТФ	ФФ

8.2. Катаболизм липидов в тканях

Отложившиеся в жировых депо липиды по мере надобности могут вновь переходить в плазму крови(так называемая мобилизация жира), после чего они используются тканями в качестве энергетического или пластического (строительного) материала. Главным эндогенным источником липидов, используемых в качестве метаболического«топлива» служит резервный жир (в основном – триацилглицерины), содержащийся в цитоплазме клеток в форме капелек. Другой источник – фосфатиды мембран, подвергающиеся непрерывному обновлению.

Первым этапом использования жира в тканях в качестве энергетического материала является его расщепление с образованием глицерина и высших жирных кислот. Процесс этот катализируется тканевыми липазами. Различают несколько липаз, из которых триглицеридлипаза является гормонозависимой, т.е. активизируется гормонами с помощью аденилатциклазной системы(гормон ® аденилатциклаза ® цАМФ ® протеинкиназа ® фосфорилированная триглицеридлипаза). Фосфорилированная (активная) триглицеридлипаза расщепляет триглицерид на диглицерид и жирную кислоту. Затем под действием ди- и моноглицеридлипаз образуются конечные продукты липолиза - глицерин и жирные кислоты. В дальнейшем глицерин и жирные кислоты окисляются в тканях до СО2 и Н2О. Освобождающаяся при этом химическая энергия частью накапливается в ангидридных фосфатных связях АТФ, а частью переходит в теплоту.

Глицерин независимо от того поступит ли он на ресинтез жиров или будет претерпевать дальнейший распад, прежде всего фосфорилируется. Донором остатка фосфорной кислоты в этой реакции служит АТФ. Процесс ускоряется соответствующей фосфотрансферазой, получившей название глицерокиназы.

Фосфоглицерин (глицерофосфат) окисляется в тканях в фосфоглицериновый альдегид через фосфодиоксиацетон. Последний вступает в обменные реакции, рассмотренные ранее при изучении обмена углеводов: фосфоглицериновый альдегид – 1,3-дифосфоглицериновая кислота – 3-фосфоглицериновая

8. Обмен липидов

213

кислота – 2-фосфоглицериновая кислота – фосфоенолпировиноградная кислота – пировиноградная кислота.

Пировиноградная кислота путем окислительного декарбоксилирования переходит в ацетил-КоА, который вовлекается в лимоннокислый цикл, сопря-

женный с цепью дыхательных ферментов, и окисляется до СО и Н О. При

2 2

окислении глицерина до СО2 и Н2О возникает вначале при окислении фосфоглицеринового альдегида три молекулы АТФ, одна молекула АТФ синтезируется при окислении 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и одна молекула АТФ образуется при окислении 2-фосфоенолпировиноградной кислоты, наконец, 15 молекул АТФ образуется при окислении пировиноградной кислоты в лимоннокислом цикле. Таким образом, принимая во внимание, что одна молекула АТФ затрачивается на фосфорилирование глицерина, за счет окисления глицерина (при условии, что все атомы водорода, снятые дегидрогеназами, идут в дыхательную цепь ферментов, функционирующую сопряжено с окислительным фосфорилированием) образуется 19 молекул АТФ.

8.3. Окисление жирных кислот

Окисление высших жирных кислот происходит иначе. Первые гипотезы относительно механизма их распада высказаны были вначале нашего столетия Кноопом в 1904 году. В дальнейшем они были уточнены и развиты благодаря работам Линена, Грина, Очоа, Кеннеди, Ленинжера.

Установлено, что окисление жирных кислот происходит вмышечной ткани, в том числе и в сердечной мышце внутримитохондриально. Жирные кислоты поступают сюда либо из кровяного русла, по которому они переносятся в связанной с сывороточным альбумином форме, либо образуются в результате гидролиза внутриклеточных липидов. В начале на наружной мембране ми-

тохондрий клеток происходит активация свободных жирных кислот путем ферментативной этерификации цитоплазматическим КоА за счет энергии АТФ. Затем для того, чтобы перенести жирные кислоты внутрь митохондрий, совершается перенос остатка жирной кислоты от КоА на молекулу карнитина

собразованием О-ацильных эфиров карнитина. Последние способны проходить сквозь внутреннюю мембрану митохондрий в матрикс, где снова происходит образование ацильных эфиров КоА в результате переноса остатка жирной кислоты от карнитина на внутримитохондриальный КоА. Все последующие стадии окисления жирных кислот происходят внутри митохондриального матрикса.

Считается, что высшие жирные кислоты окисляются преимущественно путем β-окисления. т.е. путем повторяющегося дегидрирования в β-положении

собразованием β-кетокислоты. В этом случае окисление предельных высших жирных кислот осуществляется ступенчато путем отщепления от их молекул

214	8. Обмен липидов

двухуглеродных фрагментов. Конечным продуктом распада жирных кислот с четным числом углеродных атомов является уксусная кислота, нечетным числом углеродных атомов – пропионовая.

β-окисление можно разбить на ряд отдельных стадий, катализируемых специфическими ферментами.

Начальной и ключевой реакцией β-окисления служит реакция активирования жирной кислоты коэнзимом А и АТФ.

R						R
					ацилтиокиназа		CH2
CH2
		+ HS		KoA + АТФ	Mg ++		CH2	+ АМФ + ФФ
	CH2
	CH2						CH2		Ф Ф
						CO S		KoA
COOH

ацил-КоА

Реакция катализируется ферментом тиокиназой жирных кислот(синоним: ацил-КоА-синтетаза, фермент относится к классу лигаз). Различают по крайней мере три вида тиокиназ, специфичных соответственно для кислот с коротким, средним и длинным углеродными радикалами. Для работы фермента необходим Мg++. Тиокиназы жирных кислот содержатся в наружной мембране митохондрий. Их можно обнаружить также в микросомах, выделенных из эндоплазматической сети. Образующийся в этой реакции пирофосфат энергично расщепляется до фосфорной кислоты при участии фермента пирофосфатазы, что обеспечивает смещение равновесия всего процесса вправо. Образовавшийся ацил-КоА вступает в реакцию с карнитином в присутствии специфического цитоплазматического фермента ацил-КоА: карнитин-О-ацилтрансферазы, который переносит остаток жирной кислоты от ацил-КоА на карнитин с образованием кислородно-эфирной связи с гидроксильной группой карнитина. Возникающая сложноэфирная связь между карнитином к жирной кислотой принадлежит к макроэргическим связям.

R			H3C
			H C		N +		CH
								ацил-КоА:карнитин-О-
	CH2	3					3
		+			CH2			ацилтрансфераза
	CH2
				HC			OH
	CH2
						CH2
CO S			KoA

	ацил-КоА	COOH
		карнитин

		8. Обмен липидов								215
		H3C
		H C		N +				CH
3								3		HS KoA
					CH2			+
			HC					O CO (CH2)3	R
					CH2

COOH

ацил-карнитин

Эфир карнитина и жирной кислоты (ацил-карнитин) легко проходит через внутреннюю мембрану митохондрий в матрикс, где под влиянием внутримитохондриальной карнитин-ацилтрансферазы происходит обратный перенос остатка жирной кислоты с ацил-карнитина на внутримитохондриальный коэн- зим-А.

CH3

H3C

H C

N +

CH

R

+

H3C

N

CH3

3

3

карнитин-

CH2

ацилтрансфераза

CH2

CH2

HC

O CO (CH2)3

R

+

HS KoA

CH2

+

HC

OH

CH2

CH2

CH2

COOH

CO S

KoA

COOH

ацил-карнитин

ацил-КоА

карнитин

В матриксе митохондрий может также осуществляться активирование свободных жирных кислот, образующихся внутри митохондрий, за счет энергии ГТФ (последний образуется в лимоннокислом цикле, протекающем также внутримитохондриально).

R		COOH + HS KoA + ГТФ	ацилтиокиназа
				R		CO S		KoA + ГДФ + Ф
					ацил-КоА

Следующая реакция распада высших жирных кислот состоит в окислении образовавшегося внутримитохондриально ацил-КоА при посредстве ацил- КоА-дегидрогеназы (ацилдегидрогеназы), содержащей флавинадениндинуклеотид (ФАД) в качестве кофермента:

216

8. Обмен липидов

R

R

CH2

ФАД ацил-КоА-дегидрогеназа

CH2

+

ФАД.Н 2

CH2

НС

+

CH2

CH

2 АТФ

CO S

KoA

O C S

KoA

ацил-КоА

, - ненасыщенное

производное ацил-КоА (транс-изомер)

При этом возникает α,β-ненасыщенное производное ацил-КоА, представляющее собой транс-изомер. Известны четыре различные ФАД-содеркащие ацил-КоА-дегидрогеназы, соответствующие производным жирных кислот с определенной длиной углеродной цепи. Восстановленная ФАД – содержащая ацил-КоА-дегидрогеназа передает электроны на дыхательную цепь. Сопряжено с переносом электронов по дыхательном цепи происходит фосфорилирование с образованием двух молекул АТФ.

Образовавшиеся α,β-ненасыщенные ацил-КоА производные далее гидратируются при участии фермента еноил-гидратазы:

R

R

CH2

еноил-гидратаза

CH

+ Н2О

2

НС

H

C

OH

CH

CH2

O

C S

KoA

O

C

S KoA

	, - ненасыщенное	L- - гидроксиацил-КоА
	производное ацил-КоА
	(транс-изомер)

При этом присоединение воды по двойной α, β-транс-связи всегда происходит стереоспецифически и приводит к образованиюL-стереоизомера β-гидроксиацил-КоА.

Вслед за гидратацией происходит второе окисление, осуществляемое путем отнятия двух атомов водорода в β-положении по отношению к карбоксильной группе. Как и в предыдущем окислении снятие атомов водорода осуществляется ферментом из класса оксидоредуктаз(L,β-гидроксиацил- КоА-дегидрогеназой), но содержащей в качестве кофермента вместо ФАД никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Образующийся в результате реакции НАД.Н2 передает свои электроны дыхательной цепи. В результате сопряженного с переносом электронов по дыхательной цепи фосфорилирования образуется в конечном итоге три молекулы АТФ. L,β-гидроксиацил-КоА-дегидро- геназа обладает абсолютной специфичностью в отношении L-стереоизомеров.

8. Обмен липидов

217

R

L, -гидроксиацил-КоА-

R

CH2

CH2

+ НАД

дегидрогеназа

+ НАД.Н 2

H

C

OH

C

O

CH2

CH2

3 АТФ

O

C

S

KoA

CO

S KoA

L- - гидроксиацил-КоА

-кетоацил-КоА

Продукт этой реакции – β-кетоацил-КоА.

Последняя стадия окисления жирной кислоты сводится к взаимодействию β-кетоацил-КоА со свободным КоА. В результате β-кетоацил-КоА расщепляется с образованием, во-первых, двухуглеродного фрагмента, содержащего два концевых углеродных атома исходной жирной кислоты в виде свободного ацетил-КоА и, во-вторых, ацил-КоА, т.е. КоА-эфира жирной кислоты, укороченной на двухуглеродный фрагмент. Реакция катализируется β-кетоацил- КоА-тиолазой (или просто-тиолазой), при этом происходит расщепление С-С-связи с присоединением по месту разрыва элементов НS-группы (тиолиз).

R

-кетоацил-КоА-

R

CH2

тиолаза

CH3

C

O

+ HS

KoA

CH

+

2

CO

S

KoA

CH2

CO S

KoA

ацетил-КоА

ацил-КоА

CO

S

KoA

-кетоацил-КоА

Образовавшийся ацил-КоА вновь включается в β-окисление и процесс повторяется. В конечном итоге образуются молекулы ацетил-КоА.

Следовательно, окончательным продуктом β-окисления высших жирных кислот с четным числом углеродных атомов является ацетил-КоА. В этой связи окисление высших жирных кислот можно представить в виде«спирали», предложенной Лениджером.

Ацетил-КоА далее полностью окисляется до СО и Н О в лимоннокислом

2 2

цикле или используется в других реакциях обмена веществ(синтез стеролов и соединений, содержащих изопреноидные группировки, образование ацетоуксусной кислоты и т.п.).

Рассмотренная выше последовательность реакций окисления жирных кислот с четным числом углеродных атомов справедлива и для процесса окисления жирных кислот с нечетным числом атомов углерода. Основное различие заключается в конечных продуктах. В последнем случае в итоге β-окисления образуется молекула ацетил-КоА и молекула пропионил-КоА. Дальнейший обмен пропионил-КоА наиболее часто идет по метилмалониловому пути. В

218	8. Обмен липидов

этом случае вначале происходит АТФ-зависимое карбоксилирование пропио- нил-КоА. Реакция катализируется пропионилкарбоксилазой, содержащей в качестве кофермента биотин.

CH3

пропионил-

CH3

карбоксилаза

+ АДФ + Ф

CH2

+ СО + АТФ + Н О

HC

COOH

CO

2

2

S

KoA

CO

S

KoA

пропионил-КоА

метилмалонил-КоА

Образовавшийся метилмалонил-КоА изомеризуется в сукцинил-КоА. Эта реакция катализируется метилмалонилмутазой. В качестве кофермента этого фермента выступает 5'-дезоксиаденозилкобаламин, являющийся производным витамина В12.

CH3

метилмалонил-

COOH

HC

COOH

мутаза

CH2

CH2

S

KoA

CO

метилмалонил-КоА

CO

S

KoA

сукцинил-КоА

Сукцинил-КоА включается в лимоннокислый цикл, где и окисляется. Окисление ненасыщенных жирных кислот происходит в принципе также,

как и окисление насыщенных жирных кислот. Однако окисление ненасыщенных жирных кислот требует дополнительных ферментативных стадий, необходимых, во-первых, для перемещения двойных связей в положение, в котором может быть осуществлена их ферментативная гидратация, т.е. в α,β-поло- жение и, во-вторых, для образования L-стереоизомера β-гидроксикислоты. Первое осуществляется с помощью особой изомеразы, которая катализирует перемещение двойной связи из положения β – γ в положение α – β и изменение конфигурации двойной связи из цис- в транс. Второе, т.е. превращение D,β- гидроксиацил-КоА в L,β-гидроксиацил-КоА происходит благодаря каталитическому действию особой эпимеразы. Продукты этих реакций способны далее окисляться в процессе β-окисления жирных кислот. Таким образом, наличие двух дополнительных ферментов– изомеразы и эпимеразы– обеспечивает возможность полного окисления всех ненасыщенных жирных кислот, которые содержатся в природных липидах.

β-окисление высших жирных кислот происходит, как уже говорилось выше, в митохондриях. Поскольку в митохондриях же локализованы ферменты лимоннокислого цикла и дыхательной цепи, осуществляющих передачу водорода и электронов на кислород сопряжено с окислительным фосфорилированием, β-окисление высших жирных кислот служит источником энергии для синтеза АТФ. Во время β-окисления дважды происходит дегидрирование с об-

8. Обмен липидов

219

разованием ФАД.Н2 и НАД.Н2. Оба восстановленных кофермента в аэробных условиях окисляются в дыхательной цепи, что сопровождается возникновением в первом случае 2 молекул АТФ, а во втором – 3 молекул АТФ. При окислении одной молекулы ацетил-КоА, образовавшегося при β-окислении жирной кислоты в реакциях лимоннокислого цикла, сопряженных с дыхательной цепью, образуется 12 молекул АТФ. Следовательно, в сумме полное окисление одного двухуглеродного фрагмента любой жирной кислоты дает17 молекул АТФ.

Отсюда можно рассчитать энергетический выход β-окисления любой

жирной кислоты. К примеру, при	окислении пальмитиновой кислоты СН3-
(СН2)14-СООН образуется восемь	ацетильных остатков в результате семи

β-циклов. Каждый β-цикл сопровождается образованием 5 молекул АТФ, следовательно, всего образуется: 5 мол. АТФ×7=35 молекул АТФ. Каждый ацетильный остаток в результате своего окисления дает12 молекул АТФ, следовательно, всего образуется: 12 мол. АТФ×8=96 мол. АТФ. Итого: 35 молекул АТФ + 96 молекул АТФ = 131 мол. АТФ. Учитывая, что одна молекула АТФ используется на активацию свободной жирной кислоты, суммарный выход в расчете на одну молекулу пальмитиновой кислоты составляет130 молекул АТФ. Эта запасаемая в форме энергии фосфатных связей часть свободной энергии окисления пальмитиновой кислоты составляет40%, а точнее – 38% всей энергии окисления жирной кислоты.

Подсчитано, что примерно 38%, а во другим данным, 45% всей энергии, выделяющейся при окислении жира(триацилглицерина), аккумулируется в макроэргических связях АТФ. Это несколько превышает степень запасания энергии при окислении углеводов (37,3%). В последнее время сделаны наблюдения, которые свидетельствуют о существовании второстепенных путей окисления высших жирных кислот, которые протекают в бесструктурной части клеточного содержимого. В частности, окисление может осуществляться по α-углеродному атому. Этот путь окисления носит название α-окисления. В нем принимают участие перекись водорода и фермент– пероксидаза жирных кислот.

	R		пероксидаза жирных
								O
		CH2		кислот
						R CH2	C	+ СО 2 + 3 Н2О
		CH2		+2H2O2				H
						альдегид жирной кислоты
	COOH
	жирная кислота