Cинтез жирних кислот здійснюється шляхом повторення певної послідовності реакцій

Довгі вуглецеві ланцюги жирних кислот збираються у ході повторюваної чотириетапної послідовності (Рис. 21-2). Утворена насичена ацильна група стає субстратом для наступної реакції конденсації з активованою малонільною групою. Щоразу внаслідок проходження такого циклу реакцій ланцюг жирної кислоти подовжується на два вуглецеві атоми. Коли довжина ланцюга досягає 16 вуглецевих атомів, утворений продукт (пальмітат, 16:0, див. табл. 10-1) виводиться з циклу. Метильний та карбоксильний атоми вуглецю у складі ацетил-CoA, з якого починається цикл реакцій, стають, відповідно, 15-м та 16-м вуглецевими атоми у складі пальмітату ( Рис. 21-3); решта вуглецевих атомів походять від ацетил-CoA, а передаються через малоніл-CoA.

Послідовні відновлювальні анаболічні реакції відрізняються від окисних катаболічних реакцій як за кофактором, що переносить електрони, так і за групами, які беруть участь у процесі активації метаболітів. Нагадаємо, що у реакціях -окиснення жирних кислот роль акцепторів електронів виконують NAD⁺ та FAD, а групою, що бере участь в активації жирної кислоти, є сульфгідрильна (‑SH) група коензиму А ( див. рис. 17-8). Натомість у синтетичних реакціях роль відновлювального агента виконує NADРН, а процес активації відбувається за участі –SH-груп двох різних ензимів, як це описано нижче.

Усі реакції синтетичного процесу каталізує мультиензимний комплекс, що носить назву синтаза жирних кислот. Хоча структурна організація ензиму у прокаріотів, наприклад, в Escherichia coli, та в еукаріотів має деякі відмінності, але у цілому чотириетапний процес синтезу жирних кислот є однаковим в усіх організмах. Спочатку розглянемо перебіг його в E. сoli, а далі обговоримо відмінності структурної організації ензимів в інших організмах.

Комплекс синтази жирних кислот містить сім різних активних центрів

До складу центральної частини синтазного комплексу E. сoli входить сім окремих поліпептидів (табл. 21-1), а на певних стадіях до каталітичного процесу залучаються ще принаймні три інших поліпептиди. Завдяки сумісній дії цих протеїнів з ацетил-CoA та малоніл-CoA синтезуються жирні кислоти. Утворювані проміжні продукти під час всього процесу синтезу залишаються ковалентно зв’язаними у вигляді тіоефірів з однією із двох сульфгідрильних груп синтазного комплексу. Це може бути або ‑SH-група залишку Cys у складі одного з сімох протеїнів синтази (-кетоацил-АПП-синтази, описаної нижче), або ‑SH-група протеїну, що переносить ацил.

Протеїн, що переносить ацил, або ацилпереносний протеїн (АПП), у E. сoli – це невеликий протеїн (М_r 8860), простетичною групою якого є 4-фосфопантетеїн (Рис. 21-4; порівняйте з пантотеновою кислотою та -меркаптоетиламіном у складі коензиму А на рис. 8-41). Гідролітичне розщеплення тіоефіру - високоекзергонічний процес, вивільнена у ньому енергія використовується для того, щоб два наступні етапи ( та  на рис. 21-5) на шляху синтезу (конденсації) жирних кислот були термодинамічно вигідними. Припускають, що 4-фосфопантетеїнова простетична група АПП виконує роль гнучкого важеля («руки»), який прикріплює нарощуваний ацильний ланцюг до поверхні комплексу синтази жирної кислоти та переносить проміжні продукти реакції від одного активного центру ензиму до наступного

До синтази жирних кислот приєднуються ацетильна та малонільна групи

Для того, щоб відбулися реакції конденсації, з яких починається формування ланцюга жирної кислоти, обидві сульфгідрильні групи у складі ензимного комплексу повинні бути "завантажені" відповідними ацильними групами (Рис. 21-5, зверху). Спочатку на –SH-групу залишку Cys у складі -кетоацил-АПП-синтази переноситься ацетильна група ацетил-CoA, каталізує цю реакцію ацетил-CoA-АПП-трансацетилаза (АТ на рис. 21-5). Другу реакцію, а саме перенесення малонільної групи від малоніл-CoA на –SH-групу АПП, каталізує малоніл-CoA-АПП-трансфераза (МТ), що також є складовою ензимного комплексу. У «завантаженому» синтазному комплексі ацетильна та малонільна групи розташовані дуже близько одна до одної і активовані для процесу нарощування ланцюга жирної кислоти. Розглянемо детальніше перші чотири етапи цього процесу, нумерація їхня відповідає нумерації на Рис. 21-5.

Етап  Конденсація. Формування жирнокислотного ланцюга розпочинається з конденсації активованих ацетильної та малонільної груп з утворенням ацетоацетил-АПП, ацетоацетильна група зв’язується з АПП через ‑SH-групу фосфопантетеїну; одночасно утворюється молекула СО₂ . У цій реакції, яку каталізує -кетоацил-АПП-синтаза (КС), ацетильна група переноситься від –SH-групи залишку Cys у складі ензиму на малонільну групу, зв’язану з –SH групою фосфопантетеїну у складі АПП і стає метилкінцевою двовуглецевою одиницею новоутвореної ацетоацетильної групи.

Атом вуглецю у складі СО₂, що утворюється у цій реакції, - це той самий атом, донором якого є НСО₃^- і який був включений до складу малоніл-CoA під час ацетил-CoA-карбоксилазної реакції (Рис. 21-1). Отже, упродовж біосинтезу жирної кислоти СО₂ лише тимчасово перебуває у ковалентному зв'язаному стані і видаляється щоразу під час приєднання кожної двовуглецевої одиниці.

Чому клітини змушені приєднувати СО₂ до ацетильної групи з утворенням малонільної групи, якщо СО₂ все рівно втрачається під час утворення ацетоацетату? Нагадаємо, що розщеплення зв’язку між двома ацильними групами (тобто відщеплення ацетильної одиниці від ацильного ланцюга), яке відбувається у процесі -окиснення жирних кислот (див. рис. 17-8), – це високоекзергонічна реакція, отже, проста конденсація двох ацильних груп (наприклад, двох молекул ацетил-CoA) може відбутись лише у ході високоендергонічної реакції. А завдяки тому, що у реакцію конденсації вступає активована малонільна, а не ацетильна група, реакція стає термодинамічно вигідною. У складі малоніл-CoA є ефективний нуклеофіл - це атом вуглецю (С-2) метиленової групи, розміщений між атомами вуглецю карбонільної та карбоксильної груп; таке хімічне положення і зумовлює його нуклеофільну дію. Декарбоксилювання малонільної групи на етапі конденсації (етап ) сприяє нуклеофільній атаці метиленовим вуглецем тіоефірного зв’язку між -кетоацил-АПП-синтазою та ацетильною групою, внаслідок чого –SH-група ензиму витісняється. Спряження реакцій конденсації та декарбоксилювання малонільної групи робить процес у цілому високоекзергонічним. Аналогічна послідовність карбоксилювання-декарбоксилювання прискорює утворення фосфоенолпірувату з пірувату у процесі глюконеогенезу ( див. Рис. 14-17).

Завдяки тому, що для синтезу жирних кислот використовуються активовані малонільні групи, а для розщеплення жирних кислот - активовані ацетильні групи, обидва ці процеси у клітині є енергетично вигідними, незважаючи на те, що один з них фактично зворотний стосовно іншого. Додаткова енергія, необхідна для того, щоб синтез жирних кислот був енергетично вигідним, постачається у вигляді АТР, який використовується у реакції синтезу малоніл-CoA з ацетил-CoA та НСО₃^- ( Рис. 21-1).

Етап . Відновлення карбонільної групи. Утворений на етапі конденсації ацетоацетил-АПП тепер зазнає відновлення за карбонільною групою у положенні С-3 з утворенням D--гідроксибутирил-АПП. Цю реакцію каталізує -кетоацил-АПП-редуктаза (КР), а донором електронів є NADРН. Зверніть увагу на те, що D--гідроксибутирильна група стерично відрізняється від L--гідроксиацильної проміжної сполуки, яка утворюється під час окиснення жирних кислот ( див. Рис. 17-8).

Етап . Дегідратація. Тепер від атомів С-2 та С-3 у складі D--гідроксибутирил-АПП видаляються складові молекули води і утворюється продукт, що містить подвійний зв'язок, - транс-²-бутеноїл-АПП. Цю реакцію каталізує ензим -гідроксиацил-АПП-дегідратаза (ГД).

Етап . Відновлення подвійного зв’язку. Зрештою під дією еноїл-АПП-редуктази (ЕнР) відбувається відновлення (насичення) подвійного зв’язку у складі транс-²-бутеноїл-АПП з утворенням бутирил-АПП. Донором електронів знову слугує NADPН.

Реакцій, які каталізує синтаза жирних кислот, повторюються до утворення пальмітату

Перший цикл реакцій синтезу жирних кислот завершується утворенням чотиривуглецевого насиченого ацил-АПП. Далі бутирильна група переноситься від фосфопантетеїнової ‑SH-групи АПП на –SH-групу залишку Cys у складі -кетоацил-АПП-синтази, що раніше несла ацетильну групу ( Рис. 21-5). Тепер до звільненої фосфопантетеїнової ‑SH-групи АПП приєднується нова малонільна група і розпочинається наступний цикл із чотирьох реакцій, внаслідок якого ланцюг подовжиться на два вуглецевих атоми (рис. 21-6). Бутирильна група, так само, як ацетильна група у першому циклі, зв’язується з двовуглецевим фрагментом у складі малоніл-АПБ, після чого відбувається реакція конденсації з одночасним відщепленням СО₂. Продуктом конденсації є шестивуглецева ацильна група, ковалентно зв’язана з фосфопантетеїновою ‑SH-групою. Три наступні етапи синтазного циклу, що є точно такими ж, як і у першому циклі реакцій, забезпечують відновлення -кетогрупи та утворення шестивуглецевого продукту.

Після сімох циклів конденсації та відновлення утворюється 16-вуглецева насичена пальмітоїльна група, все ще зв’язана з молекулою АПП. З поки що незрозумілих причин подовження синтазним комплексом жирнокислотного ланцюга на цьому етапі, як правило, припиняється. Вільний пальмітат від’єднується від молекули АПП завдяки гідролітичній активності комплексу. Утворюються також незначні кількості жирних кислот з довшим данцюгом, наприклад, стеарат ( 18:0). У клітинах деяких рослин ( наприклад, кокосової пальми) нарощування ланцюга жирної кислоти припиняється на більш ранньому етапі; тому приблизно 90% усіх жирних кислот у складі олії цих рослин мають ланцюги завдовжки від 8 до 14 вуглецевих атомів.

Сумарна реакція синтезу пальмітату з ацетил-CoA складається з двох частин. Спочатку утворюються сім молекул малоніл-CoA:

7 Ацетил-CoA + 7СО₂ +7АТP 7 малоніл-CoA + 7АDP + 7Р_і ( 21-1)

а потім відбувається сім циклів конденсації та відновлення:

Ацетил-CoA + 7 малоніл-CoA + 14 NADPН + 14 Н⁺  пальмітат + 7СО₂ + 8 CoA + 14 NADP⁺ + 6 Н₂О ( 21-2)

Сумарний процес ( сума рівнянь 21-1та 21-2) матиме вигляд:

8 Ацетил-CoA + 7 АТP + 14 NADPН + 14 Н⁺ - пальмітат + 8CoA + 7АDP + 7Р_і + 14 NADP ⁺ + 6 Н₂О ( 21-3)

Отже, біосинтез жирної кислоти, наприклад, пальмітату, потребує наявності ацетил-CoA та витрат хімічної енергії двох видів: потенціальної енергії перенесення фосфатної групи АТР та відновлювального потенціалу NADPН. АТР необхідний для приєднання СО₂ до ацетил-CoA з утворенням малоніл-CoA, а NADPН - для відновлення подвійних зв’язків. Нижче ми повернемось до питання про джерела надходження ацетил-CoA та NADPН, але спочатку розглянемо структуру унікального ензиматичного комплексу, що каталізує синтез жирних кислот.

До складу синтази жирних кислот деяких організмів входять мультифункціональні протеїни

У E. сoli та у деяких рослин сім активних центрів, задіяних у синтезі жирних кислот (шість з них належать ензимам, а сьомий - АПП), містяться у сімох окремих поліпептидах (Рис. 21-7, зверху). Кожен ензим у такому комплексі розташований так, що його активний центр перебуває поблизу активних центрів ензимів, які каталізують попередню та наступну реакцію циклу. Гнучкий пантетеїновий важіль (інша назва - «рука») АПП дотягується до усіх активних центрів і переносить нарощуваний ланцюг жирної кислоти від одного центру до іншого; утворювані проміжні продукти залишаються зв’язаними з ензиматичним комплексом доти, доки не утвориться кінцевий продукт. Як ми бачили у попередніх розділах, таке каналування проміжних продуктів від одного активного центру до іншого підвищує ефективність процесу у цілому.

Синтази жирних кислот дріжджів та хребетних тварин – це також мультиензимні комплекси, їхня структурна організація навіть досконаліша, ніж у E. сoli і рослин. У дріжджів сім різних активних центрів розташовані у двох великих мультифункціональних поліпептидах - субодиницях  та ; три активні центри знаходяться в -субодиниці, чотири – в -субодиниці. У хребетних усі сім активностей властиві єдиному великому поліпептидові (М_r 240000), так само, як і гідролітична активність, відповідальна за від'єднання синтезованої жирної кислоти від подібної до АПП частини ензимного комплексу. Синтаза хребетних функціонує у вигляді димера (М_r 480000), дві ідентичні субодиниці якого розташовані “голова до хвоста”. Очевидно, що субодиниці функціонують незалежно одна від одної. Навіть якщо внаслідок мутації усі активні центри однієї з субодиниць інактивовані, то швидкість синтезу пальмітату зменшується не суттєво.

У багатьох організмів синтез жирних кислот відбувається у цитозолі, а в рослин – у хлоропластах

Синтаза жирних кислот у більшості вищих еукаріотів локалізована виключно у цитозолі ( Рис. 21-8), так само, як і ензими біосинтезу нуклеотидів, амінокислот та глюкози. Завдяки цьому процеси синтезу відокремлені від реакцій розщеплення, багато з яких протікають у мітохондріальному матриксі. Так відокремлюються і кофактори, що переносять електрони в анаболічних (здебільшого відновлювальних) та катаболічних (здебільшого окиснювальних) реакціях.

Як правило, переносником електронів в анаболічних реакціях є NADPН, а у катаболічних – NAD⁺. Відношення [NADРН]/[NADР⁺] у цитозолі гепатоцитів утримується на дуже високому рівні (близько 75), завдяки чому створюються сприятливі умови для протікання відновлювальних реакцій синтезу жирних кислот та інших біомолекул. Величина відношення [NADН]/[NAD⁺] у цитозолі є значно нижчою (приблизно 8 х 10^-4). Отже, в одному і тому ж клітинному компартменті в один і той же час можуть відбуватися два процеси - NAD⁺-залежний окисний катаболізм глюкози та синтез жирних кислот. Величина відношення [NADН]/[NAD⁺] всередині мітохондрій набагато вища, ніж у цитозолі, тому що NAD⁺ отримує електрони від таких окиснюваних субстратів, як жирні кислоти, амінокислоти, піруват та ацетил-CoA. Високе відношення [NADН]/[ NAD⁺] у мітохондріях сприяє відновленню кисню у дихальному ланцюзі.

NADРН утворюється у цитозолі гепатоцитів та адипоцитів переважно двома шляхами - у пентозофосфатному циклі ( див. Рис. 14-21) та за участі малік-ензиму ( Рис. 21-9а). Зв’язаний з NADР малік-ензим, що функціонує на шляху асиміляції вуглецю у С₄-рослин ( див. рис. 20-23), не бере участі у синтезі жирних кислот. Піруват, який утворюється в реакції, наведеній на рис. 21-9а, знову поступає у мітохондрії. У гепатоцитах та у клітинах молочних залоз тварин у період лактації необхідний для біосинтезу жирних кислот NADРН постачається у першу чергу реакціями пентозофосфатного шляху ( Рис. 21-9б)

У фотосинтезуючих клітинах рослин синтез жирних кислот відбувається не у цитозолі, а у стромі хлоропластів ( Рис. 21-8). Це пов’язано з тим, що саме у хлоропластах упродовж світлових реакцій фотосинтезу синтезується NADРН :

світло

Н₂О + NADР⁺ → 1/2 О₂ + NADРН + Н⁺

Знову ж таки, завдяки високому відношенню [NADРН]/[NADР⁺] у стромі хлоропластів створюється відновлювальне середовище, яке сприяє протіканню відновлювальних анаболічних процесів, зокрема і синтезу жирних кислот.

Ацетат переміщається з мітохондрій у вигляді цитрату за човниковим механізмом

У нефотосинтезуючих еукаріотичних організмів майже весь ацетил-CoA, що використовується для синтезу жирних кислот, утворюється у мітохондріях внаслідок окиснення пірувату або катаболізму вуглецевого скелету амінокислот. Ацетил-CoA, який утворюється внаслідок окиснення жирних кислот, у тваринних клітинах не може слугувати основним джерелом для біосинтезу жирних кислот, оскільки ці два метаболічні шляхи регулюються реципрокно, що буде описано нижче.

Внутрішня мембрана мітохондрій непроникна для ацетил-CoA, тому перенесення еквівалентів ацетильних груп через неї відбувається за допомогою непрямого човникового механізму ( Рис. 21–10). Внутрішньомітохондріальний ацетил-CoA спочатку взаємодіє з оксалоацетатом з утворенням цитрату. Цю реакцію циклу лимонної кислоти каталізує цитратсинтаза ( див. рис. 16-7). Потім цитрат за допомогою транспортера цитрату проникає через внутрішню мітохондріальну мембрану у цитозоль, де під дією цитратліази розщеплюється в АТР-залежній реакції, внаслідок чого відбувається регенерація ацетил-CoA. Для оксалоацетату у клітині не існує транпортера, тому він не може прямо повернутися у мітохондріальний матрикс. Натомість спочатку цитозольна малатдегідрогеназа відновлює оксалоацетат до малату, який за допомогою малат--кетоглутаратного транспортера повертається у мітохондріальний матрикс в обмін на цитрат. У матриксі малат знову окиснюється до оксалоацетату і човниковий цикл завершується. Існує також альтернативний варіант перетворення малату у цитозолі, який здійснюється малік-ензимом і використовується для утворення цитозольного NADРН ( Рис. 21-9а).

Процес біосинтезу жирних кислот підлягає чіткій регуляції

Якщо запаси метаболічного «палива» у клітині перевищують кількість, необхідну для задоволення енергетичних потреб, то цей надлишок, як правило, перетворюється на жирні кислоти і запасається у формі ліпідів, зокрема триацилгліцеролів. Швидкість синтезу жирних кислот залежить від швидкості реакції, яку каталізує ацетил-CoA-карбоксилаза, тому цей ензим відіграє важливу регуляторну роль на шляху біосинтезу жирних кислот. У хребетних активність ацетил-CoA-карбоксилази інгібується за принципом зворотного зв'язку основним кінцевим продуктом синтезу жирних кислот - пальмітоїл-CoA; алостеричним активатором ацетил-CoA-карбоксилаза, який підвищує V_max реакції, слугує цитрат ( Рис. 21-11а). Він відіграє центральну роль у переведенні метаболізму зі шляху споживання (окиснення) метаболічного «палива» на шлях його запасання у вигляді жирних кислот. Якщо у мітохондріях підвищується концентрація ацетил-CoA і АТР, то цитрат виводиться з мітохондрій у цитозоль, де виконує подвійну функцію - попередника в утворенні цитозольного ацетил-CoA та алостеричного сигнала для активації ацетил-CoA-карбоксилази. Водночас цитрат пригнічує активність фосфофруктокінази-1 ( див. Рис. 15-18) і тим самим послаблюює потік вуглецевих атомів через гліколіз.

Активність ацетил-CoA-карбоксилази регулюється також шляхом ковалентної модифікації. Фосфорилювання ацетил-CoA-карбоксилази у відповідь на дію гормонів глюкагону та епінефрину призводить до її інактивування та знижує чутливість до цитрату, внаслідок чого синтез жирних кислот уповільнюється. У своїй активній (дефосфорильованій) формі ацетил-CoA-карбоксилаза полімеризується у довгі філаменти ( Рис. 21-11б); фосфорилювання ензиму супроводжується дисоціацією на мономерні субодиниці та втратою активності.

Активність ацетил-CoA-карбоксилази у клітинах рослин та бактерій не регулюється ні цитратом, ні шляхом фосфорилювання/дефосфорилювання. У рослинних клітинах ензим активується тоді, коли у стромі хлоропластів підвищуються рН та концентрація Mg²⁺, а це відбувається у разі освітлення рослини ( див. Рис. 20-18). Бактеріальні клітини не використовують триацилгліцероли як джерело енергії. Основне призначення синтезу жирних кислот у Е.coli полягає у постачанні попередників для синтезу мембранних ліпідів. Регуляція цього процесу є досить складною, вона здійснюється за участі гуанінових нуклеотидів (наприклад, ррGрр), які беруть участь у координації клітинного росту та формування мембран ( див. Рис. 8-42, 28-24).

Синтез жирних кислот регулюється не лише шляхом швидкої зміни активності ензимів, але й на рівні експресії генів. Наприклад, якщо тваринний організм отримує надлишок певних поліненасичених жирних кислот, то у печінці пригнічується експресія генів, що кодують цілу низку ензимів ліпогенезу. Детальний механізм регуляції активності цих генів залишається нез'ясованим.

Якби процеси синтезу та -окиснення жирних кислот відбувалися одночасно, то вони утворили б марний (інша назва – холостий) цикл, у якому енергія витрачається даремно. Як ми зазначали вище (див. Рис. 17-12), процес -окиснення блокується за наявності малоніл-CoA, який інгібує активність карнітинацилтрансферази І. Тому як тільки у клітині починається синтез жирних кислот, то перший утворюваний проміжний продукт, малоніл-CoA, блокує -окиснення жирних кислот, пригнічуючи їх транспортування через внутрішню мембрану мітохондрій. Такий механізм контролю є ще одним свідченням того, наскільки важливим є відокремлення процесів синтезу і процесів деградації у різних клітинних компартментах

Довголанцюгові насичені жирні кислоти синтезуються з пальмітату

Пальмітат - основний продукт, що утворюється синтазою жирних кислот у тваринних клітинах, є попередником інших довголанцюгових жирних кислот ( Рис. 21-12). Він може подовжуватися шляхом подальшого приєднання ацетильних груп з утворенням стеарату ( 18:0) чи навіть довших насичених жирних кислот. Цей процес здійснюється наявними у гладкому ендоплазматичному ретикулумі та у мітохондріях системами елонгації жирних кислот. Більш активною є система елонгації ендоплазматичного ретикулуму, яка подовжує 16-вуглецевий ланцюг пальмітоїл-CoA ще на два атоми з утворенням стеароїл-CoA. Процес подовження ланцюга жирної кислоти в ЕР відрізняється від процесу синтезу пальмітату у цитозолі, оскільки здійснюється іншою ензиматичною системою, а роль переносника ацильних груп виконує не АПП, а коензим А. Однак загалом обидва процеси здійснюються за однаковим механізмом: приєднання двох атомів вуглецю, донором яких є малоніл-CoA, потім відновлення, дегідратація і знову відновлення з утворенням насиченого 18-вуглецевого продукту стеароїл-CoA.

‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑

Додаток 21-1. Біохімічні дослідження