Фитановая кислота — природная насыщенная жирная кислота с разветвлённой углеродной цепью; систематическое название — 3,7,11,15-тетраметилгексадекановая кислота. Молекула содержит 20 атомов углерода и относится к длинноцепочечным метил-разветвлённым жирным кислотам. Природная фитановая кислота представляет собой смесь двух диастереомеров — (3R,7R,11R)- и (3S,7R,11R)-форм.
Для человека основным источником служит пища: жир и мясо жвачных животных, молочные продукты и некоторые виды рыбы. В этих пищевых цепях соединение образуется из фитола — спиртовой боковой цепи хлорофилла. Сам связанный с хлорофиллом фитол в пищеварительном тракте человека высвобождается плохо, поэтому зелёные растения обычно не являются сопоставимым непосредственным источником фитановой кислоты.
Метильная группа при третьем атоме углерода препятствует непосредственному β-окислению. Поэтому распад начинается с α-окисления в пероксисомах: цепь укорачивается на один атом углерода и образуется C19-пристановая кислота, которая затем подвергается β-окислению. Нарушение этого пути приводит к накоплению фитановой кислоты, наиболее характерному для болезни Рефсума взрослых. Её концентрацию в плазме используют как биохимический маркер этого и ряда других пероксисомных заболеваний.
Строение и свойства Углеродный скелет фитановой кислоты можно представить как цепь гексадекановой кислоты с четырьмя метильными заместителями в положениях 3, 7, 11 и 15. Соединение имеет брутто-формулу C20H40O2 и среднюю молярную массу 312,538 г/моль. В молекуле три стереогенных центра — C3, C7 и C11; атом C15 не является стереогенным, поскольку связан с двумя одинаковыми метильными группами. Конфигурации C7 и C11 у природного вещества фиксированы как R, тогда как восстановление предшественника с двойной связью приводит к обеим конфигурациям при C3.
При комнатной температуре фитановая кислота представляет собой жидкость. Для вещества с регистрационным номером CAS 14721-66-5 приводятся плотность 0,8879 г/см³ при 0 °C, температура плавления ниже −10 °C и температура кипения 169-170 °C при пониженном давлении 0,5 мм рт. ст..
Разветвлённая гидрофобная цепь и карбоксильная группа позволяют фитановой кислоте включаться в состав распространённых классов липидов. В организме она обнаруживается как в свободной форме, так и в составе триацилглицеринов, фосфолипидов и эфиров холестерина; значительная часть запаса может находиться в жировой ткани.
Происхождение и пищевые источники Фитол присоединён к хлорофиллиновому макроциклу сложноэфирной связью и закрепляет молекулу хлорофилла в мембране. Микроорганизмы рубца жвачных способны расщеплять эту связь и преобразовывать высвободившийся фитол; после всасывания и дальнейшего обмена фитановая кислота включается в липиды мяса и молока. Поэтому её содержание зависит не только от вида продукта и доли жира, но и от корма и особенностей метаболизма животного.
В исследованиях пищевых продуктов фитановую кислоту находили прежде всего в молочном жире, говядине, баранине и жире других жвачных, а также в некоторых морских и пресноводных рыбах. Концентрации сильно различаются, поэтому простое деление продуктов на «содержащие» и «не содержащие» не даёт количественной оценки поступления. В поперечном исследовании 96 женщин средняя геометрическая концентрация в плазме у употреблявших мясо была в 6,7 раза выше, чем у веганов (5,77 и 0,86 мкмоль/л соответственно), а наиболее сильная корреляция наблюдалась с потреблением молочного жира. Такой дизайн показывает связь с рационом, но сам по себе не устанавливает влияние концентрации на здоровье.
Человек способен превращать свободный фитол в фитановую кислоту, однако обычно неэффективно высвобождает фитол из неповреждённого хлорофилла. Вместе с тем в отдельных овощах обнаружены свободный фитол и его эфиры с жирными кислотами, которые потенциально могут стать доступными после пищеварения. Это уточняет прежнее представление о полном отсутствии значимых растительных предшественников и особенно важно при составлении лечебного рациона для пациентов с болезнью Рефсума; клиническую значимость конкретных растительных продуктов оценивают индивидуально, а не только по содержанию хлорофилла.
Метаболизм Образование из фитола После высвобождения фитол последовательно окисляется до альдегида фитеналя и фитеновой кислоты. Фитеновая кислота активируется с образованием фитеноил-КоА, после чего её двойная связь восстанавливается НАДФН-зависимой транс-2-еноил-КоА-редуктазой; продуктом служит фитаноил-КоА. Часть этих реакций связана с эндоплазматическим ретикулумом, а дальнейшее α-окисление происходит в пероксисомах. У человека этот путь имеет значение главным образом для уже свободного или высвобождаемого фитола и не означает эффективного образования фитановой кислоты непосредственно из всего пищевого хлорофилла.
Пероксисомное α-окисление
Прямому вступлению фитановой кислоты в обычный цикл β-окисления мешает метильный заместитель при β-углероде C3. Обходной путь удаляет карбоксильный атом углерода и тем самым перемещает ближайшую метильную группу в положение C2, совместимое с дальнейшим β-окислением.
Сначала кислота в АТФ-зависимой реакции активируется коферментом A с образованием фитаноил-КоА. Активация возможна в нескольких клеточных компартментах; для продолжения распада субстрат должен попасть через мембрану пероксисомы. В этом транспорте участвует пероксисомный ABC-транспортёр ABCD3. Криоэлектронно-микроскопические структуры человеческого ABCD3, связанного с фитаноил-КоА и АТФ, опубликованные в 2024 году, подтвердили непосредственное распознавание этого субстрата, хотя детали высвобождения ацильной части и кофермента внутри органеллы продолжают изучаться.
В матриксе пероксисомы фитаноил-КоА-диоксигеназа (фитаноил-КоА-2-гидроксилаза, белок PHYH) гидроксилирует C2 фитаноил-КоА. Это Fe2+- и 2-оксоглутарат-зависимая реакция с участием молекулярного кислорода; одновременно образуются сукцинат и CO2. Для сохранения активности фермента in vitro требуется также аскорбат. Белок PHYH несёт пероксисомный адресующий сигнал типа 2 и импортируется в органеллу с участием рецептора PEX7.
Полученный 2-гидроксифитаноил-КоА расщепляется тиаминпирофосфат-зависимой 2-гидроксиацил-КоА-лиазой HACL1 между атомами C1 и C2. Реакция даёт C19-альдегид пристаналь и формил-КоА; последний гидролизуется до формиата и в дальнейшем может окисляться до CO2. Пристаналь окисляется альдегиддегидрогеназой до пристановой кислоты, после чего вновь активируется до пристаноил-КоА. Таким образом, углерод карбоксильной группы не превращается в CO2 непосредственно в реакции лиазы: первым одноуглеродным продуктом является формил-КоА.
β-окисление пристановой кислоты α-Окисление обеих природных форм фитановой кислоты не обладает строгой стереоспецифичностью и образует (2R)- и (2S)-пристановую кислоту. Ферменты пероксисомного β-окисления используют (2S)-пристаноил-КоА; (2R)-форму переводит в неё альфа-метилацил-КоА-рацемаза (AMACR).
После трёх циклов пероксисомного β-окисления из пристаноил-КоА последовательно образуются 4,8,12-триметилтридеканоил-КоА, 2,6,10-триметилундеканоил-КоА и 4,8-диметилнонаноил-КоА. При этих циклах отделяются две молекулы пропионил-КоА и одна молекула ацетил-КоА. Укороченный ацильный остаток и другие продукты выводятся из пероксисомы в свободной форме либо в составе эфиров и поступают преимущественно в митохондрии, где их окисление завершается.
Альтернативное ω-окисление Небольшая доля фитановой кислоты окисляется с противоположного, ω-конца цепи. В эндоплазматическом ретикулуме ферменты семейства цитохрома P450 — прежде всего CYP4F3A, CYP4F3B, CYP4F2 и CYP4A11 — гидроксилируют терминальную метильную группу. Последующее окисление спирта и альдегида образует дикарбоновую фитандиовую кислоту, которая укорачивается циклами β-окисления.
ω-Окисление имеет ограниченную пропускную способность, но становится компенсаторным путём при дефекте α-окисления. Среди его конечных и промежуточных продуктов в моче пациентов с болезнью Рефсума обнаруживают 3-метиладипиновую и 2,6-диметилоктандиовую кислоты. Выделение 3-метиладипиновой кислоты возрастает вместе с концентрацией фитановой кислоты, однако клиническое значение и пределы этой компенсации остаются не полностью определёнными.
Биологическая активность и токсичность Помимо роли метаболического субстрата, фитановая кислота способна действовать как сигнальная молекула. В клеточных системах она и пристановая кислота связывались с ядерным рецептором PPARα и активировали зависимую от него транскрипцию. В другом исследовании фитановая кислота связывалась с ретиноидным X-рецептором α (RXRα), вызывала изменение его конформации и активировала RXR-зависимый промотор. Эти результаты получены преимущественно in vitro и не означают, что изменение обычного пищевого поступления фитановой кислоты даёт предсказуемый лечебный эффект.
При патологическом накоплении свободная фитановая кислота оказывает липотоксическое действие. Эксперименты на изолированных митохондриях и культурах нервных клеток связывают его с разобщением окислительного фосфорилирования, торможением переноса электронов, образованием активных форм кислорода, нарушением кальциевого гомеостаза и повышением проницаемости митохондриальных мембран. Вклад каждого механизма в поражение нервной системы, сетчатки и сердца у человека окончательно не установлен; экспериментальные концентрации и условия нельзя прямо переносить на обычное пищевое воздействие.
Сигнальные свойства соединения стали основанием для исследований его возможной связи с воспалением, обменом веществ и канцерогенезом. Клеточные и животные модели дали разнонаправленные результаты, а данные исследований на людях о профилактике или риске рака остаются ограниченными и не позволяют установить причинную связь. Поэтому фитановую кислоту не рассматривают как доказанную пищевую добавку или средство профилактики рака.
Клиническое значение Болезнь Рефсума взрослых Наиболее избирательное накопление фитановой кислоты наблюдается при болезни Рефсума взрослых — аутосомно-рецессивном нарушении пероксисомного α-окисления. Более чем в 90 % случаев с установленной молекулярной причиной обнаруживают биаллельные патогенные варианты гена PHYH, кодирующего фитаноил-КоА-2-гидроксилазу; менее чем в 10 % случаев выявляют варианты PEX7, нарушающие импорт в пероксисому белков с адресующим сигналом PTS2, включая PHYH.
Фитановая кислота поступает с пищей и накапливается постепенно, поэтому заболевание обычно проявляется позже многих других врождённых нарушений обмена. К характерным признакам относятся пигментная дегенерация сетчатки с нарушением сумеречного зрения, аносмия, сенсомоторная полинейропатия, нейросенсорная тугоухость, мозжечковая атаксия и ихтиоз. Возможны укорочение пястных и плюсневых костей, нарушения сердечного ритма и кардиомиопатия; полный набор признаков у одного пациента встречается не всегда.
В GeneReviews для болезни Рефсума взрослых указана типичная концентрация фитановой кислоты в плазме более 200 мкмоль/л при значении менее 10 мкмоль/л у здоровых лиц. Эти числа не являются универсальными лабораторными референсными интервалами: результат зависит от метода, рациона и клинического контекста. Уровень пристановой кислоты и очень длинноцепочечных жирных кислот при изолированном дефекте PHYH обычно не повышен, что помогает отличать его от более широких нарушений функций пероксисом.
Основой долговременного лечения служит ограничение поступления фитановой кислоты под наблюдением специалистов по наследственным болезням обмена и питанию. Следует избегать голодания и резкого снижения массы тела, поскольку мобилизация жировой ткани повышает поступление накопленной кислоты в кровь. Снижение её концентрации может уменьшать ихтиоз, проявления полинейропатии и атаксии, но уже возникшее поражение сетчатки обычно не обращается полностью. Плазмаферез или липидный аферез не применяют рутинно; их используют при острых угрожающих состояниях, например тяжёлой аритмии или крайней мышечной слабости.
Другие пероксисомные нарушения