10. Синтез кетоновых тел
Ацетил-КоА включается в ЦТК в условиях, когда расщепление жиров и углеводов сбалансировано. Ускоренный катаболизм жирных кислот или сниженный уровень использования углеводов (как по отдельности, так и в сочетании) могут приводить к накоплению ацетил-КоА и синтезу из него кетоновых тел. Синтез кетоновых тел протекает в печени. Ферменты локализованы в матриксе митохондрий.
10.1. Использование кетоновых тел. В норме образуется небольшое количество кетоновых тел. Кетоновые тела являются водорастворимыми молекулами и транспортируются к различным органам. Ацетоацетат и β-гидроксибутират рассматриваются как важные источники энергии для скелетных мышц, сердечной мышцы и мозга. В тканях, где отсутствуют митохондрии (эритроциты) кетоновые тела не используются.
В печени ацетоацетат не может окисляться, поскольку отсутствует фермент тиофораза, необходимый для метаболизма кетоновых тел.
В периферических тканях β-гидроксибутират превращается в ацетоацетат, который активируется в ацетоацетил-КоА митохондриальным ферментом тиофоразой. Источником HS-КоА является сукцинил-КоА (промежуточный продукт ЦТК). Тиолаза расщепляет ацетоацетил-КоА до
2-х молекул ацетил-КоА.
Таким образом, одна молекула ацетил-КоА своеобразная плата за доставку энергии из печени к периферическим тканям: в печени на синтез кетоновых тел потребовалось три молекулы ацетил-КоА, а в периферических тканях освободились только 2 молекулы ацетил-КоА.
10.2. Регуляция кетогенеза
1. Биосинтез кетоновых тел активируется только при увеличении в крови свободных жирных кислот, т.е. для регуляции кетогенеза важны факторы, контролирующие стадию мобилизации свободных жирных кислот из жировой ткани.
2. Свободные жирные кислоты в печени используются для биосинтеза либо триацилглицеролов, либо включаются в процесс β-окисления. Расхождение путей метаболизма жирных кислот регулируется скоростью их транспорта через митохондриальную мембрану в матрикс, где и происходит β-окисление.
3. Ацетил-КоА в матриксе митохондрий может либо окисляться в ЦТК, либо метаболизироваться по пути кетогенеза, т.е. образовывать кетоновые тела.
4. Кетогенез регулируется гормонами: глюкагон – активирует, инсулин – ингибирует.
11. Синтез холестерола
Холестерол (холестерин) может поступать с пищей или синтезироваться de novo. Синтез холестерола осуществляется в клетках почти всех органов и тканей, однако в значительных количествах - в печени 80%, в пищеварительном тракте - 10% и коже - 5%. За сутки в организме взрослого синтезируется около 500 мг холестерола.
Функции холестерола:
Структурный компонент клеточных мембран.
Предшественник для синтеза всех других стероидов в организме (стероидных гормонов, витамина D и желчных кислот).
Структурный компонент липопротеинов, участвующих в транспорте липидов в организме.
Ферменты, участвующие в синтезе холестерола, локализованы в цитозоле и микросомальной фракции клеток. Синтез происходит из ацетил-КоА с затратой АТФ, Mg2+, НАДФН+Н+. В синтезе выделяют 5 стадий:
1. Синтез ГМГ-КоА (β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА). 2 молекулы ацетил-КоА под действием тиолазы конденсируются с образованием ацетоацетил-КоА, к которому затем присоединяется третья молекула ацетил-КоА и синтезируется ГМГ-КоА. Данные реакции аналогичны реакциям при синтезе кетоновых тел. Однако, эти пути различаются, поскольку кетоновые тела синтезируются в митохондриях, а синтез холестерола происходит в цитозоле. Таким образом, существует 2 пула ГМГ-КоА в клетках.
2. Синтез мевалоната. ГМГ-КоА-редуктаза катализирует восстановление ГМГ-КоА до мевалоновой кислоты с использованием НАДФН+Н+. ГМГ-КоА-редуктаза является интегральным белком гладкого эндоплазматического ретикулума и главным ферментом, регулирующим скорость синтеза холестерола.
3. Синтез изопреновых единиц. В результате 3-х реакций, катализируемых киназами с затратой 3 молекул АТФ, мевалонат превращается в 3-фосфо-5-пирофосфомевалонат, который декарбоксилируется с образованием изопентенилпирофосфата. Изопентенилпирофосфат изомеризуется в диметилаллилпирофосфат. Оба соединения являются 5-углеродными изопреновыми единицами.
4. Синтез сквалена. Три молекулы диметилаллилпирофосфата конденсируются (соединение «голова к хвосту») и образуется фарнезилпирофосфат (15С). Из двух единиц фарнезилпирофосфата соединением «хвост к хвосту» синтезируется сквален (30С).
5. Превращение сквалена в холестерол. Свален подвергается гидроксилированию и циклизации с использованием О2 и НАДФН+Н+ и превращается в ланостерол. Синтез холестерола из ланостерола является многоэтапным процессом, который включает:
а) удаление 3-х метильных групп;
б) насыщение двойной связи в боковой цепи;
в) перемещение двойной связи в кольце из положения 8,9 в положение 5,6.
Синтез холестерола является частью метаболического пути синтеза некоторых других изопреновых соединений, например, убихинона в митохондриальной цепи переноса электронов и долихола в гликопротеинах.
11.1. Регуляция синтеза холестерола. ГМГ-КоА редуктаза – необратимая реакция, которая определяет скорость синтеза холестерола.
1. Механизм обратной связи. Конечный продукт холестерол контролирует синтез по механизму обратной связи. Повышение внутриклеточной концентрации холестерола снижает синтез фермента ГМГ-КоА-редуктазы. Это происходит за счет снижения транскрипции гена, ответственного за синтез фермента. Активность ГМГ-редуктазы и скорость синтеза холестерола ускоряются при снижении содержания холестерола в печени, пище, при действии радиации.
2. Гормональная регуляция. ГМГ-редуктаза существует в двух формах. Дефосфорилированная форма фермента активна, фосфорилированная форма – неактивна. Этот фермент подобно ацетил-КоА-карбоксилазе (катализирует образование малонил-КоА в биосинтезе жирных кислот) контролируется АМФ-зависимой протеинкиназой. Синтез холестерола прекращается при низком уровне АТФ.
Гормоны глюкагон и глюкокортикоиды способствуют формированию неактивной ГМГ-КоА-редуктазы и, следовательно, снижают скорость синтеза холестерола. Инсулин и тироксин повышают продукцию холестерола, способствуя образованию активной ГМГ-КоА-редуктазы.
Все регуляторные механизмы реализуются через рецепторы, отслеживающие концентрацию холестерола в кровеносном русле.
11.2. Судьба синтезированного холестерола. Значительная часть холестерола синтезируется в печени. Небольшая фракция холестерола включается в мембраны гепатоцитов; основное количество холестерола экспортируется в виде одной из трех форм: холестерол желчи, желчные кислоты или эфиры холестерола.
Рис. 19.1. Синтез холестерола