Субстраты и компартментализация синтеза жирных кислот
Синтез жирных кислот протекает в цитозоле и требует трёх основных субстратов: ацетил-КоА как источник углеродных атомов, НАДФН как восстановительный эквивалент и АТФ как источник энергии. Ацетил-КоА образуется в матриксе митохондрий в результате окислительного декарбоксилирования пирувата, тогда как сборка жирных кислот происходит вне митохондрий. НАДФН поставляется пентозофосфатным путём и реакцией, катализируемой малик-ферментом. АТФ синтезируется в митохондриях.
Цитратный челнок: транспорт ацетильных остатков в цитозоль
Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацетил-КоА, поэтому ацетильные остатки переносятся в цитозоль в составе цитрата.
- В матриксе цитратсинтаза конденсирует ацетил-КоА с оксалоацетатом, образуя цитрат.
- Цитрат специфическим переносчиком экспортируется в цитозоль.
- В цитозоле АТФ-цитратлиаза расщепляет цитрат на ацетил-КоА и оксалоацетат с расходом АТФ (образуются АДФ и Pi).
- Оксалоацетат восстанавливается малатдегидрогеназой до малата с окислением НАДН.
- Малат под действием малик-фермента декарбоксилируется до пирувата с образованием НАДФН и CO₂; пируват возвращается в митохондрию.
Таким образом, цитратный челнок одновременно поставляет ацетил-КоА для синтеза и часть необходимого НАДФН.
Регуляторная реакция: ацетил-КоА-карбоксилаза
Первой и ключевой регуляторной стадией является карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА. Реакцию катализирует ацетил-КоА-карбоксилаза — фермент класса лигаз, кофактором которого служит биотин. Реакция требует CO₂ и АТФ; продукты — малонил-КоА, АДФ и неорганический фосфат. Малонил-КоА является активированным двухуглеродным донором для дальнейшего удлинения цепи и одновременно ингибитором переноса жирных кислот в митохондрии (через подавление карнитин-ацилтрансферазы I), что разобщает синтез и β-окисление.
Синтаза жирных кислот и цикл удлинения
Синтаза жирных кислот (пальмитатсинтаза) — мультиферментный комплекс из двух идентичных полипептидных цепей, каждая из которых содержит ацилпереносящий белок (АПБ) с фосфопантетеиновой SH-группой и SH-группой остатка цистеина в активном центре конденсирующего домена.
- Ацетилтрансацилаза переносит ацетильный остаток на цистеиновую SH-группу.
- Малонилтрансацилаза переносит малонильный остаток на фосфопантетеиновую SH-группу.
- Конденсация: ацетил переходит на малонил с одновременным отщеплением CO₂, образуя ацетоацетил-АПБ.
- Первое восстановление кетогруппы за счёт НАДФН до β-гидроксибутирил-АПБ.
- Дегидратация с отщеплением H₂O.
- Второе восстановление двойной связи с участием НАДФН; образуется бутирил-АПБ.
Каждый последующий цикл удлиняет цепь на два углеродных атома за счёт нового малонил-КоА. После семи циклов образуется пальмитоил-АПБ (C16). Тиоэстераза гидролизует тиоэфирную связь, освобождая свободный пальмитат.
Дальнейшие модификации и эссенциальные кислоты
Из пальмитата путём элонгации и десатурации образуются другие жирные кислоты. В организме человека десатуразы способны вводить двойные связи только между карбоксильной группой и девятым углеродным атомом. Поэтому полиеновые жирные кислоты с двойными связями за пределами C9 (линолевая, линоленовая) являются эссенциальными и должны поступать с пищей преимущественно в составе растительных жиров (рекомендуемое суточное потребление — 80–100 г).
Регуляция ацетил-КоА-карбоксилазы
Активность регуляторного фермента контролируется двумя механизмами.
- Ковалентная модификация. Инсулин через фосфопротеинфосфатазу вызывает дефосфорилирование фермента, переводя его в активную форму. Глюкагон и адреналин через аденилатциклазу, цАМФ и протеинкиназу А фосфорилируют фермент, инактивируя его.
- Ассоциация/диссоциация протомеров. Цитрат (аллостерический активатор) вызывает ассоциацию протомеров в активный полимер. Пальмитоил-КоА (конечный продукт) по принципу обратной связи диссоциирует комплекс, инактивируя фермент.
Индукция ферментов липогенеза инсулином
При длительном поступлении углеводов повышенный уровень инсулина индуцирует транскрипцию ключевых ферментов липогенеза:
- глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа — поставляет НАДФН через пентозофосфатный путь;
- малик-фермент — дополнительный источник НАДФН;
- АТФ-цитратлиаза — поставляет цитозольный ацетил-КоА;
- ацетил-КоА-карбоксилаза — образует малонил-КоА;
- синтаза жирных кислот — собирает пальмитат.
Синтезированные жирные кислоты не накапливаются в свободном виде, а немедленно используются для образования триацилглицеролов.
Ключевые моменты
- Синтез жирных кислот протекает в цитозоле и требует ацетил-КоА, НАДФН и АТФ.
- Ацетильные остатки переносятся из митохондрий в цитозоль в форме цитрата; АТФ-цитратлиаза высвобождает ацетил-КоА.
- Малик-фермент и пентозофосфатный путь обеспечивают НАДФН для восстановительных реакций.
- Регуляторная реакция — карбоксилирование ацетил-КоА в малонил-КоА ферментом ацетил-КоА-карбоксилазой (биотин-зависимая лигаза).
- Синтаза жирных кислот за семь циклов удлиняет цепь до C16, продукт — пальмитат, отщепляемый тиоэстеразой.
- Цитрат активирует, а пальмитоил-КоА ингибирует ацетил-КоА-карбоксилазу через изменение полимерного состояния.
- Инсулин активирует фермент дефосфорилированием и индуцирует синтез ключевых ферментов липогенеза; глюкагон инактивирует фосфорилированием.
- Полиеновые жирные кислоты с двойными связями дальше C9 не синтезируются и являются эссенциальными.