Пищевая Биохимия / 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

Глава 12. Метаболизм липидов

цесс выявлен в семядолях прорастающих семян земляного ореха, а также в листьях клещевины и гороха. Основное значение процесса α-окисления высших жирных кислот, по-видимому, связано с обеспечением клеток растений определенным содержанием высших жирных кислот с нечетным числом атомов углерода. Особенно активно процесс окисления жирных кислот протекает в семенах масличных культур при их прорастании. При этом продукты окисления жирных кислот, содержащие два или три углеродных атома, участвуют в реакциях синтеза различных моносахаридов и других соединений растений.

12.4. ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ С НЕЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ УГЛЕРОДНЫХ АТОМОВ

В растениях синтезируются жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода, окисление которых происходит таким же образом, как и жирных кислот с четным числом углеродных атомов, с той лишь разницей, что процесс расщепления завершается образованием молекулы ацетил-КоА и молекулы пропионил-КоА. При этом молекула ацетил-КоА в дальнейшем окисляется при участии ферментов цикла трикарбоновых кислот, тогда как пропионил-КоА вначале карбоксилируется с образованием D-метил- малонил-КоА (рис. 12.4). Эта реакция катализируется биотинсодержащей пропионил-КоА-карбоксилазой (1). В реакции АТФ расщепляется до АМФ и пирофосфата.

Затем D-метилмалонил-КоА эпимеризуется при участии метилмалонилэпимеразы (2) с образованием L-стереоизомера, который в результате внутримолекулярной перестройки превращается в сукционил-КоА. Реакция катализируется метилмалонил-КоА-мутазой (3). Дальнейшее превращение сукционил-КоА осуществляется при участии ферментов цикла трикарбоновых кислот.

12.5. ОКИСЛЕНИЕ НЕНАСЫЩЕННЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Окисление ненасыщенных жирных кислот происходит аналогично процессу окисления насыщенных жирных кислот, но с некоторыми особенностями. Так, двойные связи ненасыщенных жирных кислот (олеиновая, линолевая и др.) в клетках живых организмов имеют обычно цис-конформацию, а в реакциях окисления принимают участие жирные кислоты, находящиеся в транс-конформации. Реакцию по трансформации двойной связи катализирует еноил-КоА-изомераза. В результате ненасыщенные жирные кислоты из цис-формы превращаются в транс-

198

12.6. Синтез нейтральных липидов

CH3–CH2–C–SKoA

Рис. 12.4. Реакции превращения пропионил-КоА (1 — пропионил-КоА-кар- боксилаза, 2 — метилмалонил-КоА-эпимераза, 3 — метилмалонил-КоА-мутаза)

форму, становясь нормальным субстратом для еноил-КоА-гидратазы, которая затем превращает его в соответствующий L-3-гидроксиацил-КоА.

Кроме того, в реакциях окисления ненасыщенных жирных кислот могут участвовать 2,3-ацил-КоА производные. В случае если в клетках образуется 3,4-ацил-КоА, то перемещение двойной связи из положения 3…4 в положение 2…3, осуществляет 3,4-цис → 2,3-транс-еноил-КоА-изомераза. Этот фермент может одновременно как осуществлять перемещение двойной связи, так и изменять конформацию двойной связи из цис-формы в транс-

положение.

12.6. СИНТЕЗ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЛИПИДОВ

Процесс синтеза триглицеридов протекает в цитоплазме растительной клетки (рис. 12.5) и начинается реакцией фосфорилирования глицерина, катализируемой глицеролкиназой (1), в результате которой образуется глицеролфосфат. Кроме того, синтез триацилглицеринов может осуществляться с участием глицеролфосфата, образующегося в реакциях гликолиза, протекающих при участии триозофосфатизомеразы (2) и глицерол-

199

Глава 12. Метаболизм липидов

фосфатдегидрогеназы (3), которые катализируют реакции изомеризации 3-фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон и восстановление последнего с участием НАДН до фосфоглицерола. В дальнейшем глицеролфосфат ацилируется двумя молекулами ацил-КоА (активными формами жирных кислот) с образованием фосфатидной кислоты. Реакция катализируется глицеролфосфатацилтрансферазой (4). Фосфатидатфосфатаза (5) катализирует реакцию дефосфорилирования фосфатидной кислоты с образованием 1,2-диглицерида, к которому диглицеридацилтрансфераза (6) присоединяет третий остаток жирной кислоты. На этом синтез триацилглицеринов завершается.

12.7. БИОСИНТЕЗ ФОСФОЛИПИДОВ

Кгруппе фосфолипидов относятся фосфатидилэтаноламин (кефалин)

ифосфатидилхолин (лецитин), которые имеют схожие пути биосинтеза. Процесс синтеза фосфолипидов начинается с реакций фосфорилирования этаноламина и холина (рис. 12.6), которые катализируются этаноламинкиназой (1) и холинкиназой (2). В результате образуются фосфоэтаноламин

200

12.7. Биосинтез фосфолипидов

Рис. 12.6. Процесс биосинтеза основных фосфолипидов (1 — этаноламинкиназа, 2 — холинкиназа, 3 — этаноламинфосфатцитидилтрансфераза, 4 — холинфос- фат-цитидилтрансфераза, 5 — этаноламинфосфаттрансфераза, 6 — холинфосфаттрансфераза, 7 — трансметилаза, 8 — серинфосфоэтаноламинтрансфераза, 9 — фосфатидатцитидилтрансфераза, 10 — фосфатидилсеринсинтетаза)

и фосфохолин. Затем при участии этаноламинфосфатцитидилтрансферазы

(3) и холинфосфатцитидилтрансферазы (4) осуществляется взаимодействие фосфоэтаноламина и фосфохолина с цитидилтрифосфатом (ЦТФ) с образованием цитидилдифосфатэтаноламина (ЦДФ-этаноламин), цитидилдифосфатхолина (ЦДФ-холин) и освобождением пирофосфатов (ФФН). В дальнейшем ЦДФ-этаноламин и ЦДФ-холин взаимодействуют с 1,2-ди- глицеридом, превращаясь в фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин. Реакции катализируются этаноламинфосфаттрансферазой (5) и холинфосфаттрансферазой (6).

Кроме того, фосфатидилхолин может быть получен путем метилирования фосфатидилэтаноламина. Реакции катализируются трансметилазами (7), которые осуществляют последовательный перенос трех метильных групп с трех молекул S-аденозилметионина.

201

Глава 12. Метаболизм липидов

Биосинтез фосфатидилсерина может протекать двумя путями. Первый путь — реакция обмена этаноламина на серин, которая катализируется серинфосфоэтаноламинтрансферазой (8). Второй путь образования фосфатидилсерина возможен при участии фосфатидной кислоты, которая реагирует с ЦТФ, при участии фосфатидатцитидилтрансферазы (9), с образованием ЦДФ-диглицерида и пирофосфата. Затем серин переносится на фосфатидильный остаток с образованием фосфатидилсерина. Реакция катализируется фосфатидилсеринсинтетазой (10).

12.8. РАСПАД ФОСФОГЛИЦЕРИДОВ

Особенно активно процесс протекает при прорастании семян. В расщеплении фосфоглицеридов участвуют фосфолипазы, катализирующие реакции гидролиза эфирных связей. По специфичности действия ферменты подразделяются на фосфолипазы А, В, С и D.

Фосфолипаза B

O Фосфолипаза D

OCH2–O–C–R1

R2–C–O–CH O CH2–O–P–O–X

OH

Фосфолипаза A

Фосфолипаза C

Вначале фосфолипаза А осуществляет гидролитическое отщепление остатка жирной кислоты от второго углеродного атома глицерина, а затем фосфолипаза В отщепляет остаток жирной кислоты от первого углеродного атома. Фосфолипаза С катализирует гидролиз эфирной связи в положении 3 с образованием 1,2-диацилглицерина и фосфорильного основания. В заключении процесса фосфолипаза D катализирует отщепление от фосфолипида азотистого основания.

В результате каталитического действия фосфолипаз образуются две молекулы жирной кислоты, глицерин, фосфорная кислота и азотсодержащее соединение (холин, этаноламин или серин).

12.9. БИОСИНТЕЗ СТЕРОИДОВ

В синтезе стероидов растений выявляются последовательно протекаемые три этапа (рис. 12.7): 1) образование мевалоновой кислоты; 2) превращение мевалоновой кислоты в сквален; 3) циклизация сквалена и образование стероида.

202