Syntéza mastných kyselín, je proces, pri ktorom (mastné kyseliny) sú vyrobené základné zložky z najdôležitejších lipidov v bunkách, ktoré sa zúčastňujú v mnohých veľmi dôležitých bunkových funkcií.
Mastné kyseliny sú alifatické molekuly, to znamená, že sú v podstate zložené z atómov uhlíka a vodíka viazaných viac-menej lineárne. Majú na jednom konci metylovú skupinu a na druhom kyslú karboxylovú skupinu, pre ktorú sa nazývajú mastné kyseliny.
Súhrn syntézy mastných kyselín (Zdroj: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)
Lipidy sú molekuly používané rôznymi bunkovými biosyntetickými systémami na tvorbu ďalších komplexnejších molekúl, ako napríklad:
- membránové fosfolipidy
- triglyceridy na skladovanie energie a
- kotvy niektorých špeciálnych molekúl nachádzajúcich sa na povrchu mnohých typov buniek (eukaryotické a prokaryotické)
Tieto zlúčeniny môžu existovať ako lineárne molekuly (so všetkými atómami uhlíka nasýtenými vodíkovými molekulami), ale môžu byť pozorované aj zlúčeniny s priamym reťazcom a niektoré nasýtenia, to znamená s dvojitou väzbou medzi ich atómami uhlíka.
Nasýtené mastné kyseliny možno nájsť aj s rozvetvenými reťazcami, ktorých štruktúra je o niečo zložitejšia.
Molekulové vlastnosti mastných kyselín sú rozhodujúce pre ich funkciu, pretože veľa fyzikálno-chemických vlastností molekúl, ktoré tvoria, závisí od nich, najmä od ich teploty topenia, stupňa balenia a ich schopnosti tvoriť dvojvrstvy.
Syntéza mastných kyselín je teda vysoko regulovanou látkou, pretože je to rad postupných udalostí kritických pre bunku z mnohých hľadísk.
Kde dochádza k syntéze mastných kyselín?
Vo väčšine živých organizmov dochádza k syntéze mastných kyselín v cytosolovom kompartmente, zatiaľ čo k ich degradácii dochádza hlavne medzi cytosolom a mitochondriami.
Tento proces závisí od energie obsiahnutej v ATP väzbách, od redukčnej sily NADPH (zvyčajne odvodenej od pentózofosfátovej dráhy), od biotínového kofaktora, od hydrogénuhličitanových iónov (HCO3-) a od iónov mangánu.
U cicavcov sú hlavnými orgánmi na syntézu mastných kyselín pečeň, obličky, mozog, pľúca, mliečne žľazy a tukové tkanivo.
Okamžitým substrátom pre de novo syntézu mastných kyselín je acetyl-CoA a konečným produktom je molekula palmitátu.
Acetyl-CoA pochádza priamo zo spracovania glykolytických medziproduktov, a preto strava s vysokým obsahom uhľohydrátov podporuje syntézu lipidov (lipogenéza) ergo, tiež mastných kyselín.
Zúčastnené enzýmy
Acetyl-CoA je blok syntézy dvoch uhlíkov, ktorý sa používa na tvorbu mastných kyselín, pretože niekoľko z týchto molekúl je naviazaných postupne na molekulu malonyl-CoA tvorenú karboxyláciou acetyl-CoA.
Prvý enzým na ceste a jeden z najdôležitejších z hľadiska jeho regulácie je ten, ktorý je zodpovedný za karboxyláciu acetyl-CoA, známy ako acetyl-CoA karboxyláza (ACC), čo je komplex. Enzymatická zlúčenina pozostávajúca zo 4 proteínov a za použitia biotínu ako kofaktora.
Napriek štrukturálnym rozdielom medzi rôznymi druhmi je však enzým syntázy mastných kyselín zodpovedný za hlavné biosyntetické reakcie.
Tento enzým je v skutočnosti enzýmový komplex zložený z monomérov, ktoré majú 7 rôznych enzymatických aktivít, ktoré sú potrebné na predĺženie mastnej kyseliny pri "narodení".
Sedem aktivít tohto enzýmu možno uviesť takto:
- ACP : nosičový proteín acylovej skupiny
- acetyl-CoA-ACP transacetyláza (AT)
- β-ketoacyl-ACP syntáza (KS)
- Malonyl-CoA-ACP transferáza (MT)
- β-ketoacyl-ACP reduktáza (KR)
- β-hydroxyacyl-ACP dehydratáza (HD)
- Enoyl-ACP reduktáza (ER)
V niektorých organizmoch, ako sú napríklad baktérie, je komplex syntázy mastných kyselín tvorený nezávislými proteínmi, ktoré sa navzájom asociujú, ale sú kódované rôznymi génmi (systém syntázy mastných kyselín typu II).
Enzým enzýmu syntázy mastných kyselín v kvasinkách (zdroj: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / public domain, prostredníctvom Wikimedia Commons)
Avšak v mnohých eukaryotoch a niektorých baktériách obsahuje multienzým niekoľko katalytických aktivít, ktoré sú rozdelené do rôznych funkčných domén v jednom alebo viacerých polypeptidoch, ale ktoré môžu byť kódované rovnakým génom (systém syntázy mastných kyselín typu I).
Fázy a reakcie
Väčšina štúdií uskutočňovaných v súvislosti so syntézou mastných kyselín zahŕňa zistenia získané v bakteriálnom modeli, avšak do istej hĺbky sa študovali aj mechanizmy syntézy eukaryotických organizmov.
Je dôležité spomenúť, že systém syntázy mastných kyselín typu II je charakterizovaný tým, že všetky mastné acylové medziprodukty sú kovalentne spojené s malým kyslým proteínom známym ako acyl-transportérový proteín (ACP), ktorý ich transportuje z jedného enzýmu na druhý.
Naopak, v eukaryotoch je aktivita AKT súčasťou tej istej molekuly, je zrejmé, že ten istý enzým má špeciálne miesto na väzbu medziproduktov a ich transport cez rôzne katalytické domény.
Spojenie medzi proteínom alebo časťou ACP a mastnými acylovými skupinami nastáva prostredníctvom tioesterových väzieb medzi týmito molekulami a protetickou skupinou 4'-fosfopantetetínom (kyselina pantoténová) z AKT, ktorá je kondenzovaná s karboxylovou skupinou mastného acylu.
- Na začiatku je enzým acetyl-CoA karboxyláza (ACC) zodpovedný za katalyzovanie prvého kroku "záväzku" v syntéze mastných kyselín, ktorý, ako je uvedené, zahŕňa karboxyláciu molekuly acetyl-CoA za vzniku medziproduktu 3 atómy uhlíka známe ako malonyl-CoA.
Komplex syntázy mastných kyselín prijíma acetylové a malonylové skupiny, ktoré musia správne „vyplniť“ jeho tiolové miesta.
K tomu dochádza spočiatku prenosom acetyl-CoA na skupinu SH cysteínu v enzýme p-ketoacyl-ACP syntázy, čo je reakcia katalyzovaná acetyl-CoA-ACP transacetylázou.
Malonylová skupina sa prenáša z malonyl-CoA do SH skupiny proteínu ACP, čo je udalosť sprostredkovaná enzýmom malonyl-CoA-ACP transferázy, čím sa vytvorí malonyl-ACP.
- Krok iniciácie predĺženia mastnej kyseliny pri narodení spočíva v kondenzácii malonyl-ACP s molekulou acetyl-CoA, reakciou riadenou enzýmom s aktivitou p-ketoacyl-ACP syntázy. Pri tejto reakcii sa potom vytvorí acetoacetyl-ACP a uvoľní sa molekula CO2.
- Elongačné reakcie sa vyskytujú v cykloch, v ktorých sa súčasne pridávajú 2 atómy uhlíka, pričom každý cyklus pozostáva z kondenzácie, redukcie, dehydratácie a druhej redukčnej udalosti:
- Kondenzácia: acetylové a malonylové skupiny kondenzujú za vzniku acetoacetyl-ACP
- Redukcia karbonylovej skupiny: karbonylová skupina uhlíka 3 acetoacetyl-ACP sa zníži, čím sa vytvorí D-β-hydroxybutyryl-ACP, reakcia katalyzovaná β-ketoacyl-ACP-reduktázou, ktorá využíva NADPH ako donor elektrónov.
- Dehydratácia: vodíky medzi atómami uhlíka 2 a 3 predchádzajúcej molekuly sa odstránia, čím sa vytvorí dvojitá väzba, ktorá končí produkciou trans-2-butenoyl-ACP. Reakcia je katalyzovaná p-hydroxyacyl-ACP dehydratázou.
- Redukcia dvojitej väzby: dvojitá väzba trans-2-butenoyl-ACP sa redukuje na butyryl-ACP pôsobením enoyl-ACP reduktázy, ktorá tiež používa NADPH ako redukčné činidlo.
Aby sa pokračovalo v predlžovaní, nová molekula malonylu sa musí znova viazať na AKT časť komplexu syntázy mastných kyselín a začína jeho kondenzáciou s butyrylovou skupinou vytvorenou v prvom syntéznom cykle.
Štruktúra palmitátu (zdroj: Edgar181 / public domain, prostredníctvom Wikimedia Commons)
V každom predlžovacom kroku sa používa nová molekula malonyl-CoA na rast reťazca na 2 atómy uhlíka a tieto reakcie sa opakujú, až kým sa nedosiahne správna dĺžka (16 atómov uhlíka), potom sa uvoľní enzým tioesterázy. hydratáciou celá mastná kyselina.
Palmitát možno ďalej spracovať rôznymi typmi enzýmov, ktoré modifikujú jeho chemické vlastnosti, to znamená, že môžu zavádzať nenasýtenia, predlžovať ich dĺžku atď.
predpis
Podobne ako mnoho biosyntetických alebo degradačných ciest je syntéza mastných kyselín regulovaná rôznymi faktormi:
- Závisí to od prítomnosti hydrogénuhličitanových iónov (HCO3-), vitamínu B (biotín) a acetyl-CoA (počas počiatočného kroku dráhy, ktorý zahŕňa karboxyláciu molekuly acetyl-CoA pomocou karboxylovaného medziproduktu biotínu za vzniku malonyl-CoA).
- Je to cesta, ktorá sa vyskytuje v reakcii na charakteristiky bunkovej energie, pretože keď existuje dostatočné množstvo „metabolického paliva“, prebytok sa premení na mastné kyseliny, ktoré sa ukladajú na následnú oxidáciu v časoch energetického deficitu.
Pokiaľ ide o reguláciu enzýmu acetyl-CoA karboxylázy, ktorý predstavuje obmedzujúci krok celej cesty, je inhibovaný palmitoyl-CoA, hlavným produktom syntézy.
Na druhej strane je jeho alosterickým aktivátorom citrát, ktorý usmerňuje metabolizmus z oxidácie na syntézu na uskladnenie.
Keď sa koncentrácie mitochondriálnej acetyl-CoA a ATP zvyšujú, citrát sa transportuje do cytosolu, kde je jednak prekurzorom syntézy cytosolickej acetyl-CoA a alosterickým aktivačným signálom pre acetyl-CoA karboxylázu.
Tento enzým sa dá regulovať aj fosforyláciou, čo je udalosť vyvolaná hormonálnym pôsobením glukagónu a epinefrínu.
Referencie
- McGenity, T., Van Der Meer, JR, a de Lorenzo, V. (2010). Príručka mikrobiológie uhľovodíkov a lipidov (s. 4716). KN Timmis (ed.). Berlín: Springer.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA a Rodwell, VW (2014). Harperova ilustrovaná biochémia. McGraw-Hill.
- Nelson, DL, a Cox, MM (2009). Lehningerove princípy biochémie (s. 71 - 85). New York: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Metabolizmus mastných kyselín a jeho regulácia. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Biochémia - medzinárodné vydanie. North Carolina: Neil Patterson Publishers, 5.