5.9. Окиснення гліцеролу

Гліцерол, що утворюється при розщепленні тріацилгліцеролів або гліцерофосфоліпідів, може вступати на шлях катаболізму (окиснення) або знову використовуватися для біосинтезу різних класів гліцеридів.

Обмін гліцерину тісно пов'язаний з гліколізом, у реакції якого метаболіти гліцерину включаються за схемою

Гліцерол

α-Гліцеролфосфат

АТФ

НАД

(рис. 5.18).

Включенню гліцеролу до метаболічних перетворень передує активація, яка полягає в його трансформації за участю АТФ до гліцеролфосфату (гліцерол-3-фосфату) при дії ферменту гліцеролкінази.

Гліцерол-3-фосфат здатний до окиснення мітохондріальним ферментом α-гліцерофосфатдегідрогеназою з утворенням гліцеральдегід-3-фосфату (Г-З-Ф).

Гліцерол-3-фосфат під дією НАД-залежної гліцеролфосфатдегідрогенази переходить у дигідроксіацетонфосфат. Останній ізомеризується під дією тріозофосфатізомерази до гліцеральдегід-3-фосфату, який виступає одним з центральних метаболітів г

Рис. 5.18. Шляхи перетворення гліцеролу

ліколітичного окиснення глюкози. Подальші перетворення Г-З-Ф, утворенного при окисненні гліцеролу, співпадає з катаболізмом гліколітичного Г-З-Ф:

Утворені тріозофосфати можуть включатися як в реакції гліколізу, так і в глюконеогенезу.

Окиснення гліцерину в анаеробних умовах призводить до виділення двох молекул АТФ (як і в гліколізі), але враховуючи, що одна молекула АТФ була використана для активації гліцерину, енергетичний баланс становить одну молекулу АТФ.

При повному окиснені гліцерину в аеробних умовах до СО₂ та Н₂О енергетичний баланс становить 21 молекулу АТФ. Із них 9 АТФ утворюється в дихальному ланцюзі з трьох молекул НАДН₂. Одна молекула НАДН₂ утворюється при окисненні гліцерофосфату, друга – з гліцеральдегідтрифосфату, а третя молекула НАДН₂ утворюється під час перетворення пірувату в ацетил-КоА. Останній окиснюється до СО₂ та Н₂О у циклі Кребса з утворенням 12 АТФ.

5.10. Синтез жирних кислот

С

Рис.5.19. Транспорт ацетил-КoA з мітохондрії в цитозоль через трикарбоніл-транспортуючу систему

интез жирних кислот у тканинах локалізується в цитоплазмі клітин, а в мітохондріях відбувається лише подовження існуючого ланцюга жирних кислот. Так встановлено, що у цитоплазмі гепатоцитів синтезується в основному пальмітинова кислота, а з неї у мітохондріях утворюються жирні кислоти, які містять 18, 20, 22 вуглецеві атоми. Вихідною речовиною для синтезу жирних кислот є ацетил-КоА, який взаємодіє з оксалоацетатом і утворює цитрат. Утворений цитрат переноситься через внутрішню мембрану в цитозоль за допомогою спеціальної трикарбоніл-транспортуючої системи, де він знову розпадається на ацетил-КоА і оксалоацетат, який відновлюється до малату і переноситься у мітохондрії, окислюєтся до оксалоацетату і завершує човниковий механізм (pис.5.19).

П

Рис. 5.20. Будова поліферментного комплексу: АПБ – ацилпереносний білок; 1а – ацил-КоА-карбоксилаза; 1 – ацилтрансацилаза; 2 – малонілтрансацилаза; 3 – β-кетоацил-АПБ-синтетаза; 4 - β-кетоацил-АПБ-редуктаза; 5 - β-оксиацил-АПБ-дегідраза; 6 - еноїл-АПБ-редуктаза

еренесення ацетил-КоА може здійснюватись карнітином, але при синтезі жирних кислот цей шлях не використовується.

Всі реакції біосинтезу ЖК відбуваються з участі поліферментного комплексу, який складається з шести ферментів і ацилпереносного білка (АПБ), що містить дві НS-групи і локалізується в центрі цього комплексу (рис. 5.20). Простетичною групою АПБ є 4-фосфопантетеїн – він виконує роль "повертаючої руки", яка переміщає проміжні сполуки від одного фермента до іншого.

Важливу роль у синтезі жирних кислот відіграє ацетил-КоА-карбоксилаза, яка має своїм ферментом біотин. Реакція проходить у дві стадії:

1. СО₂ + АТФ + біотин-фермент  карбоксибіотин-фермент + АДФ + Фн

2. Карбоксибіотин-фермент + СH₃COSKoA  HOOC – CH₂ – COSKoA + HSKoA

Алостеричним інгібітором цієї реакції є цитрат. Першою фазою біосинтезу є ферментативний процес перенесення ацетил-КоА і малоніл-КоА на низькомолекулярний білок (АПБ) (рис. 5.21). Наступним етапом є конденсація ацетилу і малонілу, а каталізує ферментом синтетазного комплексу (ацил-АПБ, малоніл-АПБ-лігазою) і супроводжується декарбоксилюванням малонілу з утворенням -кетоформи ацилу, звязаного з АПБ. При цьому виділяється СО₂, а також звільняється молекула АПБ та редукується його тіолова група.

П

Рис. 5.21. Схема синтезу жирних кислот

ід час наступного етапу-кетоацил-АПБ при дії -кетоацил-редуктази відновлюється за участю НАДФН₂ до -гідроксіацил-S-АПБ (у даному випадку – до -гідроксибутирил-S-АПБ).

Далі -оксибутирил-АПБ втрачає молекулу води при дії ферменту еноїл АПБ-дегідратази і перетворюється у ненасичену форму ацильного похідного АПБ.

Ненасичений ацил-АПБ (у даному випадку – кротоніл-АПБ) під дією кротоніл-АПБ редуктази синтетазного комплексу реагує ще з однією молекулою НАДФН₂ і відновлюється до насиченої форми.

Після утворення насиченої форми ацил-АПБ (у даному випадку – бутирил-SАПБ) із чотирьох вуглецевих атомів, закінчується перший етап синтезу вищої жирної кислоти. Далі процес подовження вуглецевого ланцюга вищої жирної кислоти відбувається при конденсації малоніл-АПБ і бутирил - АПБ з виділенням СО_2.

СН₃ -СН₂ -СН₂ -СО -S -АПБ + НООС-СН₂ -СО –S-АПБ  СН₃ -СН₂ -СН₂ -СО - СН₂ –СО-S-АПБ

Бутирил-SАПБ Малоніл-SАПБ -кетокапроніл-SАПБ

Цей процес повторюється до синтезу необхідної кількості вуглеців жирної кислоти. Після закінчення синтезу ацил-АПБ реагує із НS-КоА, внаслідок чого утворюється активна форма жирної кислоти, яка може реагувати із активною формою гліцерину у процесі біосинтезу жирів. Можливий гідроліз ацил-SАПБ на вільну жирну кислоту і НS-АПБ. У цьому випадку жирна кислота піддається активуванню шляхом реакції з АТФ і НS-КоА з утворенням активної форми.

Так, наприклад, на синтез пальмітил-КоА йде: 1 молекула ацетил-КоА, 7 молекул малоніл-SКоА і 28 атомів водню, 14 молекул НАДФН₂, а енергію забезпечують 7 молекул АТФ. При включенні синтезу жирних кислот автоматично виключається їх розпад. Навпаки, у постабсорбтивному періоді, коли концентрація окслоацетату знижується, потік ацетильних груп у цитозоль слабшає, синтез жирних кислот припиняється.

Зменшення концентрації малоніл-КоА відкриває шлях для жирних кислот у мітохондрії, де починається їхнє окиснення і перетворення на кетонові тіла. Цей механізм регуляції забезпечує першочергове використання вуглеводів: печінка зберігає і навіть поповнює запас жирів в організмі, коли є вуглеводи, і лише в міру їх вичерпання починається використання жиру. Жир у жировій тканині накопичується за рахунок двох джерел: надходить з ліпопротеїнів і утворюється з глюкози в жирових клітинах. Мобілізація депонованих жирів відбувається шляхом їхнього гідролізу до жирних кислот і гліцерину ліпазами жирових клітин. Жирні кислоти надходять у кров, де утворять нековалентні зв’язки з альбуміном, і в такій формі транспортуються по кровоносному руслу.

5.10.1. Елонгація насичених жирних кислот. Ферментативний процес подовження карбонового ланцюга насичених жирних кислот може здійснюватися як в мікросомах, так і в мітохондріях.

Мікросомальне подовження карбонового ланцюга насичених жирних кислот з довжиною ланцюга С₁₆ –С₁₈ і ненасичених жирних кислот з довжиною ланцюга С₁₈ відбувається шляхом послідовного приєднання двокарбонових фрагментів від малоніл –КоА. Цей метаболічний шлях подібний до синтезу жирних кислот de novo, але в ньому компоненти реакцій не зв’язані з АПБ.

ацил –КоА (С_n) + малоніл- КоА →

3- кетоацил-КоА → 3–гідроксіацил-КоА→

2,3 –еноїл- КоА→ ацил – КоА (С_n+2)

Субстратами розглянутої послідовності реакцій є насичені жирні кислоти (ацили С₁₀ і довші). У печінці при використанні пальмітату в якості субстрату утворюється переважно стеарат С₁₈. У головному мозку синтезуються жирні кислоти - С₂₂- С₂₄, які входять до складу сфінголіпідів мієлінових нервових волокон.

У мітохондріях подовження карбонового ланцюга насичених і ненасичених жирних кислот з довжиною ланцюга С₁₂ - С₁₆ здійснюється за допомогою ацетильних залишків ацетил - КоА.

ацил-КоА (С_n) + ацетил-КоА (С₂) → ацил-КоА (С_n+2) + КоА-SH

Процес здійснюється комплексом мітохондріальних ферментів без участі СО₂ і малоніл-КоА.

5.10.2. Регуляція біосинтезу насичених жирних кислот. Регуляція біосинтезу вищих жирних кислот в організмі здійснюється двома шляхами:

1. Регуляція на рівні ацетил-КоА- карбоксилази. Малоніл-КоА утворюється в результаті ацетил-КоА - карбоксилазної реакції, яка є лімітуючою в процесі біосинтезу жирних кислот. Регуляція процесу здійснюється такими шляхами:

1.1.Алостеричною регуляцією активності ацетил-КоА-карбоксилази позитивними та негативними ефекторами. До позитивних активаторів ферменту належить цитрат. Збільшення концентрації цитрату в мітохондріях внаслідок посилення функціонування ЦТК (після споживання вуглеводів, поступлення в кров інсуліну) означає створення умов для запасання надлишку ацетил-КоА у вигляді жирів. Підвищений у цих умовах вихід цитрату в цитозоль активує ацетил-КоА-карбоксилазу і спричинює утворення малоніл –КоА – джерела двокарбонових радикалів для біосинтезу жирних кислот. До негативних ефекторів ацетил-КоА-карбоксилази належать пальмітоїл-КоА та стеароїл-КоА – кінцеві продукти біосинтетичних процесів. Накопичення в цитозолі продуктів біосинтезу за принципом зворотного зв’язку гальмує швидкість їх утворення.

1.2. Ковалентною модифікацією ацетил–КоА-карбоксилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфорилування (неактивна форма ферменту) та дефосфорилювання (утворення активної форми). Стимуляторами цього процесу є адреналін, норадреналін, які виділяються закінченнями симпатичних нервів, гормони (глюкагон, тироксин, трийодтиронін, соматотропін, кортикотропін), міжтканинні регулятори (гістамін, серотонін). Інсулін, навпаки, пригнічує активність аденілатциклази і, цим самим, запобігає утворенню активної ліпази у жировій тканині, тобто гальмує ліполіз.

1.3. Зміною активності синтезу ацетил-КоА-карбоксилази. Збільшення активності синтезу ферменту (ферментна індукція) спричиняється додатковим надходженням в організм та в клітини відповідних органів глюкози (надмірне споживання) та зменшення вмісту в продуктах харчових жирів. Пригнічення активності синтезу ферменту спостерігається в умовах голодування або споживання дієти, багатої на жири.

2. Регуляція на рівні комплексу синтетази жирних кислот. Активність синтетазного комплексу (циклу Лінена) регулюється також як механізмами алостеричного контролю, так і механізмами ферментної індукції.

2.1. Алостерична активація окремих ферментів мультиензимного комплексу здійснюється за рахунок позитивного впливу фосфорильованих моносахаридів. Збільшення їх концентрації є метаболічним сигналом, що свідчить про високу активність гліколізу та створює умови для анаболічних процесів.

2.2. Зміни активності процесів синтезу окремих ферментів синтетазного комплексу відбувається в умовах, зазначених для ацетил-КоА–карбоксилази.

5.10.3. Джерела НАДФ-Н, необхідного для біосинтезу жирних кислот. У кожному циклі біосинтезу пальмітату відбувається по дві відновлювальні реакції, донором водню в яких є НАДФН. Основним джерелом молекул цитозольного НАДФН, які використовуються в ліпогенезі, є реакція перетворення малату до пірувату, що спряжена з функціонуванням човникової системи транспорту ацетильних залишків.

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

оксалоацетат + НАДН+Н⁺ → малат + НАД⁺

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

малат + НАДФ⁺ → піруват + СО₂ + НАДФН + Н⁺

НАДФН, що регенерувався в реакції, використовується в ліпогенезі, а піруват перетворюється на оксалоацетат в піруваткарбоксилазній реакції.

Крім цього, постачальником НАДФН, для біосинтезу пальмітату виступають глюкозо-6-фосфатдегідрогеназна реакція пентозофосфатного циклу окиснення глюкози та НАДФН-залежна ізоцитратдегідрогеназна реакція в цитозолі.

5.10.4. Біосинтез мононенасичених жирних кислот. В організмі людини утворюються тільки дві моноєнові жирні кислоти – пальмітоолеїнова (С_16:1) та олеїнова (С_18:1) з активованих пальмітинової і стеаринової кислот (рис. 5.22).

Вони містять подвійний зв’язок між 9-тим та 10-м атомами карбону (∆⁹). Утворення подвійного зв’язку може здійснюватися як аеробним, так і анаеробним шляхами. У людини процес утворення мононенасичених жирних кислот здійснюється в мікросомах печінки та жирової тканини в результаті дегідрування жирних кислот за допомогою десатураз (К.Ф. 1.14.99.5 і КФ 1. 14. 99.6) жирних кислот (ацил-КоА-оксигеназ), що належать за механізмом дії до мікросомальних монооксигеназ (оксигеназ змішаної дії).

Р

Рис. 5.22. Схема біосинтезу насичених і ненасичених жирних

кислот ферментними системами гепатоцитів

еакції відбуваються за участі НАДФ (або НАДН), молекулярного кисню, СО₂ і мікросомальної системи транспорту електронів (цитохром b₅), локалізованої в мембранах ендоплазматичного ретикулуму гепатоцитів:

стеароїл –КоА (С₁₈) + НАДФН + Н⁺ + О₂ → олеїл – КоА (С_18:1) + НАДФ⁺ + 2 Н₂О

5.10.5. Біосинтез поліненасичених жирних кислот. Лінолева С_18:2 (∆^9,12) та α -ліноленова С_18:3 (∆^9,12,15) жирні кислоти слугують попередниками в утворенні інших біологічно важливих речовин, але не можуть синтезуватися в організмі людини у зв’язку з відсутністю ферментних систем, необхідних для утворення додаткових подвійних зв’язків.

Ці кислоти є незамінними („есенціальні жирні кислоти”) і повинні надходити в організм з рослинною їжею. У разі надходження цих жирних кислот у складі дієти, ферментні системи ендоплазматичного ретикулуму гепатоцитів за механізмами десатурації та елонгації можуть трансформувати лінолеву кислоту в такі поліненасичені кислоти, як γ – ліноленову С_18:3 (∆^{6, 9,12}) та арахідонову С_20:4 (∆^{5, 8,11,14}), а α-ліноленову – в докозангексенову (С_22:6) кислоту.

Арахідонова кислота — попередник біологічно активних ейкозаноїдів (простагландинів, простациклінів, тромбоксанів), утворюється шляхом подовження карбонового ланцюга та утворення подвійних зв’язків.