Вещества природного происхождения, построенные из фрагментов
молекул уксусной кислоты

В помощь абитуриентам вузов с химическим,
биологическим и медицинским профилем

Образование углеводов из воды и углекислого газа называется фотосинтезом и происходит за счет энергии Солнца, которая как бы «запасается впрок» в данном веществе. Фотосинтез протекает в присутствии зеленого пигмента растений – хлорофилла – и выражается уравнением:

Важнейший углевод – глюкоза – используется клетками живого организма как источник энергии. Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту, а затем в молочную кислоту называется гликолизом и сопровождается выделением значительного количества энергии:

Большинство биохимических реакций протекает при рН ~7. При таких рН карбоновые кислоты в основном находятся в форме солей (анионы RCOO^–), а не собственно кислот RCOOH. Говоря точнее, гликолиз глюкозы происходит через промежуточное образование пирувата СН₃С(О)СОО^– и приводит к лактату СН₃СН(ОН)СОО^–.

Одним направлением метаболизма пирувата в живом организме является превращение его в более простые вещества (например, вода, углекислый газ) с одновременным выделением или образованием запаса энергии; другим – превращение в ацетильное производное с целью использования в качестве исходного вещества при биосинтезе более сложных соединений. Такие природные продукты, составленные из ацетильных фрагментов, играют ключевую роль в химии жизни.

Ацетильный коэнзим А

Ацетильная группа участвует в большинстве важнейших биохимических реакций в форме ацетилкоэнзима А.

Ацетилкоэнзим А является тиоэфиром. Его образование из пирувата протекает в несколько стадий, что можно записать общим уравнением:

Боковая цепь коэнзима А оканчивается сульфгидрильной группой –SН. Ацетилированием тиольного коэнзима А по группе –SН получаем ацетилкоэнзим А. Соединения типа RС(O)SR' более подходящие переносчики ацильной группы чем кислородные аналоги RС(O)ОR' (связь ацил-сера менее прочная). Кроме того, у тиоэфиров RС(O)SR' выше содержание енола в равновесной смеси эфир L енол по сравнению с эфирами RС(O)ОR'. Каждое из этих свойств наблюдается у ацетилкоэнзима А. В одних случаях он действует как агент-переносчик ацетильной группы, в других выступает как нуклеофильный субстрат, тогда реакционным центром служит a-углеродный атом ацетильной группы:

Жиры и жирные кислоты

К веществам, синтезируемым в организме из структурных ацетатных единиц, относятся жиры. Они выполняют разнообразные функции в живых существах, в том числе являются источником энергии. Если углеводы быстро восполняют потребности организма в энергии, то жиры «сгорают» сравнительно медленно. Зато жиры освобождают в два раза больше энергии, чем углеводы такой же массы. Организму выгодно запасать и сохранять энергию в форме жиров. При этом меньшей массой вещества обеспечивается получение большей энергии.

Жиры представляют собой природные смеси триацилглицеринов или, что то же, глицеридов жирных кислот. Ацильные группы¹ в триацилглицерине могут быть одинаковые или разные. Например:

В результате гидролиза жиров получают длинноцепочечные жирные кислоты и глицерин. Большинство жирных кислот природного происхождения содержат 12–20 атомов углерода в виде неразветвленной углеродной цепи.

Жирные кислоты входят в состав жиров растений и животных, где они образуются биосинтезом из ацетатных звеньев при участии ацетилкоэнзима А.

Биосинтез жирных кислот

Особенности биосинтеза жирных кислот хорошо видны на примере образования бутановой кислоты из двух молекул ацетилкоэнзима А. Проводником этого превращения служит комплекс энзимов, известный как синтетаза жирных кислот. Часть комплекса, называемая ацильный переносчик белка (АПБ), содержит боковую цепь, похожую по строению на коэнзим А. Важной начальной стадией биосинтеза жирной кислоты является перенос ацетильной группы от молекулы ацетилкоэнзима А к сульфгидрильной группе –SH ацильного переносчика белка:

Другая молекула ацетилкоэнзима А реагирует с диоксидом углерода (в действительности с гидрокарбонат-ионом при рН~7), образуя малонилкоэнзим А²:

Затем путем нуклеофильного ацильного замещения (вместо –SKoA становится –SАПБ) происходит перенос малонильной группы к ацильному переносчику белка:

После того как структурный блок, содержащий три атома углерода, присоединяется к АПБ, происходит образование углерод-углеродной связи между a-углеродом малонильной группы и карбонильным углеродом ацетильной группы
S-ацетилацильного переносчика белка. Возникновение новой связи С–С сопровождается декарбоксилированием и приводит к четырехуглеродному фрагменту ацетоацетильной группы, связанной с АПБ.

Этот процесс представлен ниже как стадия 1.

Затем ацетоацетильная группа превращается в бутаноильную группу в результате последовательных реакций, что изображено стадиями 2–4.

Стадия 1. Ацетильная группа переходит к a-углеродному атому малонильной группы с выделением СО₂:

 

Стадия 2. Кетонный карбонил ацетоацетильной группы восстанавливается до спиртовой группы. Такое восстановление протекает при участии фосфатного эфира – никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН):

Стадия 3. Дегидратация b-гидроксиацильной группы:

Стадия 4. Восстановление двойной связи a,b-ненасыщенной ацильной группы. Эта стадия требует присутствия коэнзима НАДФН:

Четыре углеродных атома бутаноильной группы перешли от двух молекул ацетилкоэнзима А; гидрокарбонат-ион, участвующий в реакции, не входит в состав конечного продукта (молекула СО₂, что используется для превращения ацетилкоэнзима А в малонилкоэнзим А, регенерируется на стадии 1 при декарбоксилировании, сопровождающемся образованием углерод-углеродной связи).

Многократное повторение четырехстадийного цикла, приведенного выше, дает неразветвленные ацильные группы с 6, 8, 10, 12, 14 и 16 атомами углерода. В каждом случае удлинение цепи происходит за счет реакции с малонильной группой, соединенной с ацильным переносчиком белка.

Так, биосинтез 16-углеродной ацильной группы гексадекановой (пальмитиновой) кислоты записывается уравнением:

Наращивание в результате биосинтеза углеродной цепи жирной кислоты прерывается в случае переноса ацильной группы от ацильного переносчика белка к коэнзиму А. Образующийся ацилкоэнзим А готов участвовать в новых биологических превращениях, одним из которых может быть:

а) удлинение цепи, приводящее к образованию ацильной группы с более чем 16 атомами углерода;
б) введение одной или нескольких двойных связей С=С;
в) ацильный перенос от серы к кислороду с образованием эфиров, например триацилглицеринов. Процесс, в котором молекулы ацилкоэнзима А превращаются в триацилглицерины, происходит с участием промежуточных соединений – фосфолипидов.

Фосфолипиды

Триацилглицерины (классические жиры) получают не путем ацильного переноса непосредственно к глицерину, а в результате последовательных превращений, первым среди которых является ацильный перенос к L-глицеро-3-фосфату.

Продукт реакции переноса двух ацильных групп к L-глицеро-3-фосфату называется фосфатидиловой кислотой:

В результате гидролиза фосфатидной кислоты по фосфоэфирной связи получают диацилглицерин, который, взаимодействуя с третьей молекулой ацилкоэнзима А, превращается в триацилглицерин:

Фосфатидная кислота является не только интермедиатом (промежуточное соединение) в биосинтезе триацилглицеринов, но и биопредшественником других представителей класса соединений, называемых глицерофосфатами. Фосфорсодержащие производные жиров, к которым относятся и глицерофосфаты, принадлежат к одному типу соединений – фосфолипидам.

Важнейшим фосфолипидом является фосфатидилхолин, называемый также лецитин:

Это смесь диэфиров фосфорной кислоты. Одна эфирная функция образована диацилглицерином, другая – холином [^–ОCH₂CH₂N⁺(CH₃)₃].

________________________________________________________________________
¹Ацильной группой называется группа атомов где R – углеводородный радикал.
Этот радикал может быть насыщенным, ненасыщенным, ароматическим, содержать заместители, в том числе и гетероатомы Cl, O, S и т. д.
²Малонил – ацильный остаток малоновой кислоты HOOCCH₂COOH.