Липиды представляют собой обширный класс природных соединений, включающих жирные кислоты, триглицериды, фосфолипиды, сфинголипиды, стеролы и изопреноидные соединения. Их биосинтез является одной из ключевых метаболических систем живых организмов, обеспечивающих структурную целостность клеточных мембран, энергетический запас и участие в регуляторных процессах.
Основой большинства липидов служат жирные кислоты, синтез которых начинается с ацетил-КоА. Процесс осуществляется в цитоплазме и протекает с участием многофункционального ферментного комплекса — синтазы жирных кислот (СЖК). Энергетическое обеспечение синтеза происходит за счёт АТФ, а восстановительные эквиваленты поставляются в форме НАДФН, образующегося в пентозофосфатном пути и при действии малик-энзима.
Ключевым механизмом биосинтеза липидов является поэтапное удлинение углеродной цепи, начиная с двухуглеродного фрагмента ацетил-КоА, который конденсируется с малонил-КоА в циклическом процессе, включающем реакции конденсации, восстановления, дегидратации и повторного восстановления.
Первым этапом является карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА под действием фермента ацетил-КоА-карбоксилазы, требующего биотин в качестве кофермента. Эта реакция — скоростной и регулирующий этап синтеза жирных кислот.
Далее ацетильная и малонильная группы переносятся на ацилпереносящий белок (АПБ), образуя ацетил-АПБ и малонил-АПБ. Конденсация этих двух соединений приводит к образованию ацетоацетил-АПБ, который затем проходит последовательные стадии:
Цикл повторяется, каждый раз удлиняя углеродную цепь на два атома до тех пор, пока не образуется пальмитиновая кислота (C16:0) — основной продукт синтеза.
Удлинение жирных кислот происходит в эндоплазматическом ретикулуме или митохондриях с участием специфических элонгаз, добавляющих двухуглеродные фрагменты за счёт малонил-КоА.
Десатурация (введение двойных связей) осуществляется ферментами десатуразами, локализованными в ЭПР. У человека и животных наиболее активны Δ9-, Δ6- и Δ5-десатаразы, тогда как синтез полиненасыщенных кислот, содержащих двойные связи в положении выше Δ9 (например, линолевая и линоленовая кислоты), невозможен — такие кислоты поступают с пищей и называются эссенциальными.
Триацилглицеролы (ТАГ) образуются путём этерификации глицерол-3-фосфата тремя молекулами ацил-КоА. Процесс начинается с образования фосфатидной кислоты, которая затем подвергается дефосфорилированию до диацилглицерола и последующему присоединению третьего остатка жирной кислоты.
Формирование ТАГ преимущественно происходит в эндоплазматическом ретикулуме печени и жировой ткани, откуда они транспортируются в виде липопротеинов или накапливаются в виде жировых капель.
Фосфолипиды — основные структурные компоненты биомембран. Их синтез начинается с фосфатидной кислоты, к которой присоединяется полярная группа. Различают два механизма:
Эти реакции протекают при участии ферментов цитидилтрансфераз и фосфотрансфераз, требующих значительного количества энергии.
Биосинтез сфинголипидов начинается с конденсации серина и пальмитоил-КоА, катализируемой серино-пальмитоилтрансферазой, что приводит к образованию 3-кетосфинганина, впоследствии восстановленного до сфинганина. После ациляции и дегидрирования образуется церамид — ключевой предшественник сфингомиелинов и гликосфинголипидов.
Фосфорилирование церамида или присоединение сахарных остатков осуществляется в аппарате Гольджи, где формируются сфингомиелин и гликолипиды (цереброзиды, ганглиозиды), играющие важную роль в сигнальных и межклеточных взаимодействиях.
Изопреноидные соединения (терпены, каротиноиды, стеролы, убихиноны) синтезируются из изопентенилпирофосфата (ИПФ), образующегося по мевалонатному пути из трёх молекул ацетил-КоА. Ключевые стадии включают:
Изопреноидные звенья подвергаются полиомеризации и циклизации, образуя сложные соединения. Из них формируются стеролы, включая холестерин, служащий предшественником стероидных гормонов, желчных кислот и витамина D.
Регуляция осуществляется на уровнях ферментативной активности, экспрессии генов и гормонального контроля. Инсулин стимулирует липогенез, активируя ацетил-КоА-карбоксилазу и синтазу жирных кислот, тогда как глюкагон и адреналин подавляют процесс.
Концентрация малонил-КоА играет двойную роль: она не только определяет скорость синтеза жирных кислот, но и ингибирует транспорт жирных кислот в митохондрии, тем самым предотвращая одновременное протекание синтеза и β-окисления.
Биосинтез липидов требует значительных энергетических затрат: образование одной молекулы пальмитиновой кислоты потребляет 14 молекул НАДФН и 7 молекул АТФ. Несмотря на это, энергетическая плотность липидов делает их основным запасным материалом: окисление 1 г жира высвобождает около 38 кДж энергии.
Липиды также выполняют сигнальные функции: производные арахидоновой кислоты (простагландины, тромбоксаны, лейкотриены) участвуют в регуляции воспалительных реакций, сосудистого тонуса и агрегации тромбоцитов.
Синтез липидов пространственно распределён между различными клеточными компартментами:
Согласованная работа этих систем обеспечивает динамическое равновесие между анаболизмом и катаболизмом липидов, необходимое для поддержания гомеостаза клетки.