Материал: А27137 Проверить Рогов Б.А. Пищевая инженерия производства жировой про

10.4. Взаимопревращения жиров, аминокислот и углеводов

В период изобилия пищи, поступающий в организм излишек углеводов живой организм превращает в жир. Этот жир откладывается в различных частях тела (обычно в подкожной области) с тем, чтобы быть использованным, когда настанут менее удачные дни. Тогда организм мобилизует свои жировые запасы: жир транспортируется в печень, где он окисляется, выделяя требуемую для поддержания нормального существования энергию. Некоторое количество поступающего с пищей жира непрерывно расщепляется и в организме сытого животного. Значительным вкладчиком в общий энергетический баланс тела жир становится лишь тогда, когда животное получает недостаточное количество углеводов, т. е. голодает, или в случаях, когда нарушены обменные процессы и организм оказывается не в состоянии эффективно использовать глюкозу, например при диабете.

Глюкоза подвергается превращениям во всех клетках живого организма. Жирные кислоты и аминокислоты утилизируются, в основном, в клетках печени, хотя некоторые аминокислоты видоизменяются в клетках других тканей, например в клетках мозга или почек.

В случае голодания печень может полностью обеспечить себя необходимой энергией за счет окисления жиров, в то время как клеткам других органов и тканей необходимо доставить источник энергии – глюкозу. Поэтому печень приобрела способность превращать поступающие в нее питательные вещества в глюкозу, необходимую для поддержания нормальных условий существования наиболее чувствительных к энергетическому голоданию тканей. Клетки печени снабжены системой, которая перестраивает в обратном порядке последовательность реакций, превращающих глюкозу в ацетил-КоА, так как и жиры и аминокислоты образуют при окислении именно этот продукт. Для этого используются те же ферменты, которые принимали участие в окислении продуктов, ведь почти все реакции окисления глюкозы являются обратимыми. Все ферменты, осуществляющие расщепление глюкозы вплоть до образования пировиноградной кислоты, могут в надлежащих условиях катализировать обратные процессы. В клетках печени имеются ферменты (фосфатазы), которые гидролизуют гексозофосфаты с образованием свободной гексозы и дают вместо АТФ неорганический фосфат.

Есть основания утверждать и обратное: сама глюкоза может быть использована в качестве исходного субстрата для синтеза жирных кислот, аминокислот, жиров и белков.

10.5. Биосинтез в процессах метаболизма

10.5.1. Синтез гликогена

Гликоген является полимером глюкозы в животном организме, синтезирующийся главным образом в клетках печени и мышц. Исходным мате-риалом для синтеза гликогена является любой избыток глюкозы, в данный момент не используемый клеткой в энергетических целях. Синтез гликогена можно рассматривать как связывание в цепочки глюкозных остатков, предварительно активированных АТФ.

Ранее мы рассматривали, как гликоген расщепляется при участии фермента фосфорилазы при наличии остатков глюкозы и неорганического фосфата. При этом может отщепляться от конца цепи по одному глюкозному звену в виде глюкозо-1-фосфата. Можно предположить, что в связи с тем, что фосфорилазная реакция обратима, фермент в присутствии глюкозофосфата и затравки, состоящей хотя бы из двух остатков глюкозы, будет присоединять молекулы глюкозы к затравочной цепи и освобождать при этом неорганический фосфат. Однако равновесие фосфорилазной реакции значительно смещено в сторону расщепления гликогена. Для ее осуществления необходимы очень высокие концентрации глюкозофосфата.

Оказалось, что в живой клетке синтез гликогена протекает другим, более сложным путем, причем равновесие реакции сильно сдвигается в сторону образования полимерной цепи. При этом был обнаружен новый фермент – производное пиримидина урацила – уридинтрифосфат (УТФ), который химически сходен с АТФ, и кроме того, его концевая фосфатная связь также богата энергией. УТФ может реагировать с глюкозо-1-фосфатом, образуя уридиндифосфатглюкозу (УДФГ):

УТФ + Глюкозо-1-фосфат → УДФГ + Неорганический фосфат

После того, как глюкозо-1-фосфат соединился с УТФ и образовал УДФГ, он получил высокую реакционную способность. Поэтому глюкоза, присоединенная к УДФ-коферменту, может подвергаться множеству таких превращений, которые совершенно неосуществимы при любых иных условиях, например легко превращаться в другие изомерные гексозы, такие, как галактоза. Фермент трансгликозидаза осуществляет реакцию, трудную для фосфорилазы, переносит глюкозу с УДФ на затравку, начиная тем самым строить цепь гликогена:

УДФГ + глю-глю → УДФ + глю-глю-глю,

(затравка)

УДФГ + глю-глю-глю → УДФ + глю-глю-глю-глю.

Эта реакция повторяется неопределенно долго, пока, наконец, цепь не достигнет требуемой длины. Тем временем освобождающийся УДФ превращается в УТФ за счет расходования АТФ:

УДФ + АТФ ↔ УТФ + АДФ

Следовательно, на каждый остаток глюкозы, присоединяющийся к цепи гликогена, расходуется две богатые энергией связи АТФ, а не одна, как это было бы в том случае, если бы синтез катализировала фосфорилаза.

Синтез гликогена на этом не завершается, поскольку его молекула имеет разветвленную форму. И фосфорилаза и УДФГ могут полимеризовать глюкозу только в прямые, неразветвленные цепи, образуя связи между первым и четвертым атомами углерода двух молекул глюкозы. Связь между первым и шестым атомами углерода осуществляют так называемые «разветвляющие ферменты». Они «приклеивают» их к соответствующему месту на другой ранее синтезируемой цепи так, чтобы образовалась 1,6-связь между соответствующими углеродными атомами обеих цепей.

Таким образом, трансгликозилаза и разветвляющий фермент сообща строят молекулу гликогена, которые содержат около 200–300 остатков глюкозы. В таком виде гликоген и откладывается в клетках печени и мышц в качестве кратковременных пищевых запасов.

10.5.2. Синтез жирных кислот

Синтез жирных кислот, подобно синтезу гликогена не осуществляется путем простого изменения в направлении реакций окислительного распада.

Известно, что окисление жирных кислот протекает при участии определенной ферментной системы благодаря чередованию реакций гидратации и отнятию водорода от КоА-производного соответствующей кислоты. В результате повторяющихся реакций от конца углеродной цепи отщепляются двууглеродные фрагменты, которые переходят в раствор в виде ацетил-КоА. Все реакции этой системы обратимы.

Однако обнаружены некоторые существенные различия в механизмах окислительного распада и синтеза жирных кислот. Установлено, что реакции синтезирующей системы – это фактически те же реакции окислительной системы, но протекающие в обратном направлении причем в решающей стадии восстановления вместо НАД участвует НАДФ:

Окисление

при участии НАД

RСН₂СН–СН₂–СО~S·КоА RСН₂С–СН₂СО~S·КоА

|

ОН Восстановление

при участии НАДФ-Н₂

Оказалось, что замена НАД на НАДФ – лишь первый шаг в целой серии изменений, необходимы для эффективного синтеза жирных кислот.

Выявлено каталитическое действие диоксида углерода при синтезе жирных кислот. Установлено, что клетка превращает за счет расходования АТФ ацетил-КоА в другое более реакционноспособное вещество – малонил-КоА. Малоновая кислота образуется путем присоединения диоксида углерода к уксусной кислоте:

СООН

|

СН₃СООН + СО₂ → СН₂

|

СООН

Малоновая кислота менее стабильна и поэтому более реакционноспособна, чем уксусная кислота. Энергия в виде АТФ требуется клетке для связывания диоксида углерода. Фермент, ответственный за эту реакцию, называется ацетил-КоА-карбоксилазой. Его активность зависит от присутствия иона двухвалентного марганца и биотина.

Образовавшийся таким способом малонил-КоА соединяется с другой молекулой ацетил-КоА и образует КоА-производное β-кетокислоты – уже упоминавшейся ацетоуксусной кислоты:

СООН

|

СН₃СО–S–КоА + СН₂ → СН₃СОСН₂СО–S–КоА + СО₂ + НS–КоА

|

СО–S–КоА

При этом одновременно освобождается молекула диоксида углерода и молекула КоА. Таким образом, диоксид углерода сначала связывается в реакции, а затем освобождается. Следовательно, СО₂ действует каталитически.

Суммарный результат реакций выражается в связывании двух молекул ацетил-КоА с образованием одной молекулы ацетоацетил-КоА. Поскольку равновесие этих реакций благоприятствует синтезу, можно сказать, что клетка предотвратила реакцию, проводимую β-катотилазой. И вновь мы сталкиваемся с тем, что смещение равновесия в обратном направлении осуществляется клеткой при участии одной молекулы АТФ.

Таким образом, считают, что некоторую часть жирных кислот клетка получает путем простого сдвига реакций окисления в обратном направлении. Все же большая часть жирных кислот синтезируется при участии системы ферментов, которые применяют в качестве кофермента НАДФ вместо НАД и обходят реакцию тиолиза, используя новое промежуточное вещество – малонил-КоА и расходуя для этого дополнительно одну молекулу АТФ. Эти факты позволяют предположить, что ферменты синтеза жирных кислот связаны в клетке в один большой многоферментный комплекс, который последовательно одну за другой выполняет все синтезирующие реакции.

10.5.3. Превращение жирных кислот в жиры

Известно, что жиры превращаются в жирные кислоты путем гидролиза при участии ферментов эстераз. Несмотря на то, что реакции эстеразной системы легко обратимы, пути синтеза жиров более сложны и требуют притока энергии в виде АТФ и кофермента А. В настоящее время известны по крайней мере два пути синтеза жиров-триглицеридов.

Согласно одной из них, на первой стадии глицерин активируется фосфолированием до α-глицерофосфата (обозначение фосфат-иона р):

СН₂ОН СН₂ОН

| |

СНОН + АТФ → СНОН + АДФ.

| |

СН₂ОН СН₂О– p

Активированный глицерин может теперь реагировать сначала с одной, а затем со второй молекулой пальмитил-, стерил- или олеил-КоА (обозначенные, как R):

СН₂ОН СН₂ООСR

| |

СНОН + RСО–S–КоА → СНОН + КоА–SН

| |

СН₂О– p СН₂О– p

СН₂ООСR СН₂ООСR

| |

СНОН + R´СО–S–КоА → СНООСR´ + КоА–SН

| |

СН₂О– p СН₂О– p

фосфатидиловая кислота

Продукт реакции – фосфатидиловая кислота сама по себе является важным веществом и отправной точкой в синтезе фосфатидов и близких к ним триглицеридов. Превращение фосфатидиловой кислоты в триглицерид требует на первом этапе удаления фосфата, что осуществляется путем гидролиза при участии фермента фосфатазы. А диглицерид уже может реагировать с КоА-производным жирной кислоты, образуя триглицерид:

СН₂ООСR СН₂ООСR

| |

СНООСR´ + Н₂О → СНООСR´ + p

| |

СН₂О– p СН₂ОН

фосфатидиловая кислота диглицерид

СН₂ООСR СН₂ООСR

| |

СНООСR´ + R"СО–S–КоА → СНООСR´ + КоА–SН

| |

СН₂ОН СН₂ООСR"

диглицерид триглицерид

В синтезе жиров по этому пути используется четыре богатые энергией связи: одна – для синтеза глицерофосфата и три другие – для образования соединений КоА с жирными кислотами. Этот путь биосинтеза характерен для жировой ткани, где откладываются запасы жира для всего организма в целом.

В клетках ряда других органов, таких, как стенка кишечника, почки и печень, существует другой, несколько более экономичный путь биосинтеза жира. В клетках моноглицерид моноолеин может непосредственно реагиро-вать сначала с одной, а затем и со второй молекулой ацил-КоА жирных кис-лот с образованием триглицерида без предварительного фосфорилирования глицерина. Эти реакции осуществляет фермент трансацилаза моноглицерида, использующий для синтеза триглицерида только три молекулы АТФ.