Синтез и распад липидов

Промежуточные продукты процесса дыхания служат источником углеродных скелетов для синтеза липидов, которые выступают и как запасные вещества, и как компоненты мембран, окружающих цитоплазму и все клеточные органеллы. Молекулы липидов, таких, как жиры и масла, состоят из трех жирных кислот (рис. 5.13), соединенных эфирными связями с трехуглеродным спиртом глицерином. Жиры отличаются от масел главным образом тем, что они при комнатной температуре бывают твердыми, а масла - жидкими. Различие это определяется длиной углеродных цепей жирных кислот и степенью их ненасыщенности (числом двойных связей). У масел углеродные цепи жирных кислот короче, чем у жиров, и степень ненасыщенности выше.

Рис. 5.13. Формулы двух жирных кислот с длинной цепью; обе эти кислоты обычно присутствуют в растительных мембранах

Липиды являются иногда главной формой запасных питательных веществ. Очень богаты липидами, в частности, семена сои, подсолнечника, рапса, кунжута и хлопчатника. Выше мы уже отмечали, что в липидах содержится меньше кислорода, чем в сахарах, а это значит, что энергия запасена в них в более концентрированной форме, поскольку больше кислорода требуется для того, чтобы превратить их в CO₂ и H₂O. При сгорании одного грамма сахара выделяется четыре калории, а при сгорании грамма жира - девять. Очень важную роль играют липиды и в поддержании структуры клетки, потому что все клеточные мембраны состоят главным образом из фосфолипидов и белка. Липиды мембран отличаются от обычных жиров тем, что у них в молекуле одна из трех жирных кислот заменена на фосфорилированный серин, холин или этаноламин (рис. 5.14). Молекулы такого строения растворимы частично в жирах и частично в воде, поэтому они могут располагаться на границе раздела масло - вода и регулировать поступление жиро- или водорастворимых веществ. Другую важную группу составляют липиды, соединенные с углеводами, так называемые гликолипиды; они обеспечивают восприятие раздражения при взаимодействии между клетками.

В качестве запасных веществ липиды присутствуют в цитоплазме в виде капелек масла. Сами по себе липиды по растению не транспортируются, но их углеродные скелеты могут транспортироваться после превращения липидов в сахарозу. Затем в другой части растения липиды вновь синтезируются из поступившей сюда сахарозы. Для синтеза липидов необходимы глицерин и жирные кислоты. Эти соединения образуются, как известно, из промежуточных продуктов процесса дыхания, и потому превращение сахарозы в липиды совершается легко.

Глицерин, входящий в состав молекулы жира, образуется в форме а-глицерофосфата из диоксиацетонфосфата, трехуглеродного соединения, являющегося одним из промежуточных продуктов гликолиза. Жирные кислоты, вступающие в соединение с глицерином, образуются из ацетил-CoA непрямым путем (рис. 5.15). Сначала ацетил-CoA при участии АТР реагирует с СО₂. Продуктом этой реакции является малонил-CoA, в котором к CoA присоединен уже не двууглеродный, а трехуглеродный фрагмент. Малонил-CoA теряет затем CO₂ и передает оставшуюся двууглеродную ацетильную группу другой молекуле ацетил-CoA, так что к СоА оказывается теперь присоединенным уже четырехуглеродный фрагмент, т. е. образуется бутирил-CoA. Процесс повторяется до тех пор, пока цепь синтезируемой жирной кислоты не достигнет полной своей длины. Поскольку на каждом таком этапе к синтезируемой углеродной цепи добавляется двууглеродный фрагмент от малонил-CoA, в природных жирных кислотах содержится всегда четное число атомов углерода. Из насыщенных жирных кислот в растениях больше всего распространены пальмитиновая [CH₃(CH₂)₁₆COOH] и стеариновая [CH₃(CH₂)₁₆COOH], из ненасыщенных - олеиновая [CH₃(CH₂)₇CH =

Рис. 5.14. Фосфатидилхолин - типичный фосфолипид клеточных мембран растений

= CH(CH₂)₇COOH], линолевая, [CH₃(CH₂)₃(CH₂CH=CH₂)₂(CH₂)₇COOH] и линоленовая [CH₃(CH₂CH=CH)₃(CH₂)₇COOH], у которых в цепи, состоящей из 18 атомов углерода, содержатся соответственно одна, две и три двойные связи.

Во время всего описанного процесса синтеза CoA-производные жирных кислот остаются присоединенными к особому белку, представляющему собой мультиферментный комплекс, который называется ацилпереносящим белком (АПБ). При синтезе фосфолипидов с глицерофосфатом реагируют только два CoA-производных жирных кислот; к третьему углеродному атому глицерофосфата присоединяется какое-либо азотсодержащее соединение (холин, этаноламин или серин), связанное с гидрофильной фосфатной группой.

При распаде липидов (вновь образуются глицерин и жирные кислоты. Эти жирные кислоты активируются, соединяясь с CoA, а затем постепенно расщепляются на двууглеродные фрагменты ферментами, находящимися с наружной стороны мембраны глиоксисом - органелл, окруженных однослойной мембраной. В глиоксилатный цикл (рис. 5.16) эти двууглеродные фрагменты включаются в виде ацетил-CoA. Одним из продуктов, образующихся внутри глиоксисом, является четырехуглеродное соединение - янтарная кислота. Выйдя из глиоксисом, она поступает в митохондрии и вовлекается здесь в цикл Кребса, в котором из нее в конечном счете образуется щавелевоуксусная кислота (оксалоацетат). Позже в цитоплазме оксалоацетат превращается в фосфоенолпируват и вновь включается в гексозофосфаты в результате процесса, представляющего собой обращение гликолиза; источником энергии служит для этого глиоксилатный цикл. Глицериновая часть молекулы жира реокисляется до глицеральдегидфосфата. Последний также может превращаться в гексозофосфаты, из которых затем синтезируется сахароза или некоторые другие метаболиты.

Рис. 5.16. Распад липидов, поставляющий углеродные скелеты для синтеза сахарозы и прочих метаболитов. Обратите внимание на то обстоятельство, что одни реакции протекают в глиоксисомах, а другие - в митохондриях и цитоплазме

Такими различными путями углерод, фиксированный в процессе фотосинтеза, переходит в конце концов во все органические компоненты растения. Благодаря своим специфическим ферментам растение действует как искусный химик; в нем синтезируются даже такие сложные структуры, которые человек пока еще создавать не научился.