SYNTEZA KWASÓW TŁUSZCZOWYCH: GDZIE ZACHODZI, ENZYMY, ETAPY I REAKCJE - BIOLOGIA - 2026

Syntezy kwasów tłuszczowych, jest procesem, w którym podstawowe elementy najważniejszych lipidów w komórkach (kwasów tłuszczowych) są wytwarzane, które biorą udział w wielu ważnych funkcji komórkowych.

Kwasy tłuszczowe są cząsteczkami alifatycznymi, to znaczy zasadniczo składają się z atomów węgla i wodoru połączonych ze sobą w sposób mniej lub bardziej liniowy. Mają grupę metylową na jednym końcu i kwasową grupę karboksylową na drugim, przez co nazywane są „kwasami tłuszczowymi”.

Podsumowanie syntezy kwasów tłuszczowych (źródło: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

Lipidy to cząsteczki wykorzystywane przez różne biosyntetyczne systemy komórkowe do tworzenia innych, bardziej złożonych cząsteczek, takich jak:

• fosfolipidy błonowe
• trójglicerydy do magazynowania energii i
• kotwice niektórych specjalnych cząsteczek występujących na powierzchni wielu typów komórek (eukariotycznych i prokariotycznych)

Związki te mogą istnieć jako cząsteczki liniowe (ze wszystkimi atomami węgla nasyconymi cząsteczkami wodoru), ale można również zaobserwować te z prostym łańcuchem i pewnym nasyceniem, to znaczy z podwójnymi wiązaniami między atomami węgla.

Nasycone kwasy tłuszczowe występują również w łańcuchach rozgałęzionych, których budowa jest nieco bardziej złożona.

Charakterystyka molekularna kwasów tłuszczowych ma kluczowe znaczenie dla ich funkcji, ponieważ zależy od nich wiele właściwości fizykochemicznych cząsteczek, które są przez nie tworzone, zwłaszcza ich temperatura topnienia, stopień upakowania i zdolność do tworzenia dwuwarstw.

Zatem synteza kwasów tłuszczowych jest sprawą silnie regulowaną, ponieważ jest to szereg kolejnych zdarzeń krytycznych dla komórki z wielu punktów widzenia.

Gdzie zachodzi synteza kwasów tłuszczowych?

W większości organizmów żywych synteza kwasów tłuszczowych zachodzi w przedziale cytozolowym, natomiast ich degradacja następuje głównie między cytozolem a mitochondriami.

Proces ten zależy od energii zawartej w wiązaniach ATP, mocy redukcyjnej NADPH (zwykle pochodzącej ze szlaku pentozofosforanowego), kofaktora biotyny, jonów wodorowęglanowych (HCO3-) i jonów manganu.

U ssaków głównymi narządami syntezy kwasów tłuszczowych są wątroba, nerki, mózg, płuca, gruczoły sutkowe i tkanka tłuszczowa.

Bezpośrednim substratem do syntezy kwasów tłuszczowych de novo jest acetylo-CoA, a produktem końcowym jest cząsteczka palmitynianu.

Acetylo-CoA pochodzi bezpośrednio z przetwarzania glikolitycznych półproduktów, dlatego dieta bogata w węglowodany sprzyja syntezie lipidów (lipogenezie) ergo, także kwasów tłuszczowych.

Zaangażowane enzymy

Acetylo-CoA to dwuwęglowy blok syntezy, który jest używany do tworzenia kwasów tłuszczowych, ponieważ kilka z tych cząsteczek jest połączonych kolejno z cząsteczką malonylo-CoA, utworzoną przez karboksylację acetylo-CoA.

Pierwszym enzymem na tej drodze i jednym z najważniejszych z punktu widzenia jego regulacji jest ten, który odpowiada za karboksylację acetylo-CoA, zwaną karboksylazą acetylo-CoA (ACC), która jest kompleksem Związek enzymatyczny składający się z 4 białek i wykorzystujący biotynę jako kofaktor.

Jednak pomimo różnic strukturalnych między różnymi gatunkami, enzym syntaza kwasów tłuszczowych jest odpowiedzialny za główne reakcje biosyntezy.

Enzym ten jest w rzeczywistości kompleksem enzymatycznym złożonym z monomerów, które mają 7 różnych aktywności enzymatycznych, które są niezbędne do wydłużenia kwasu tłuszczowego przy „urodzeniu”.

Siedem aktywności tego enzymu można wymienić w następujący sposób:

- ACP : białko nośnikowe grupy acylowej

- transacetylaza acetylo-CoA-ACP (AT)

- syntaza β-ketoacylo-ACP (KS)

- transferaza malonylo-CoA-ACP (MT)

- reduktaza β-ketoacylo-ACP (KR)

- dehydrataza β-hydroksyacylo-ACP (HD)

- reduktaza enoilo-ACP (ER)

W niektórych organizmach, takich jak na przykład bakterie, kompleks syntazy kwasów tłuszczowych składa się z niezależnych białek, które łączą się ze sobą, ale są kodowane przez różne geny (układ syntazy kwasów tłuszczowych typu II).

Enzym syntazy drożdżowych kwasów tłuszczowych (źródło: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / domena publiczna, za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Jednak u wielu eukariontów i niektórych bakterii multienzym zawiera kilka aktywności katalitycznych, które są rozdzielone na różne domeny funkcjonalne, w jednym lub większej liczbie polipeptydów, ale które mogą być kodowane przez ten sam gen (system syntazy kwasów tłuszczowych typu I).

Etapy i reakcje

Większość przeprowadzonych badań dotyczących syntezy kwasów tłuszczowych dotyczy ustaleń dokonanych na modelu bakteryjnym, jednak dogłębnie zbadano również mechanizmy syntezy organizmów eukariotycznych.

Należy wspomnieć, że układ syntazy kwasów tłuszczowych typu II charakteryzuje się tym, że wszystkie tłuszczowe acylowe półprodukty są kowalencyjnie związane z małym kwasowym białkiem znanym jako białko transportera acylu (ACP), które przenosi je z jednego enzymu do drugiego.

Z drugiej strony, u eukariontów aktywność ACP jest częścią tej samej cząsteczki, należy rozumieć, że ten sam enzym ma specjalne miejsce wiązania związków pośrednich i ich transportu przez różne domeny katalityczne.

Połączenie między białkiem lub częścią ACP a tłuszczowymi grupami acylowymi zachodzi poprzez wiązania tioestrowe między tymi cząsteczkami a grupą prostetyczną 4'-fosfopantetheinę (kwas pantotenowy) ACP, która jest połączona z grupą karboksylową tłuszczowego acylu.

1. Początkowo enzym karboksylaza acetylo-CoA (ACC) jest odpowiedzialny za katalizowanie pierwszego etapu „zaangażowania” w syntezie kwasów tłuszczowych, który, jak wspomniano, obejmuje karboksylację cząsteczki acetylo-CoA z wytworzeniem związku pośredniego 3 atomy węgla znane jako malonylo-CoA.

Kompleks syntazy kwasów tłuszczowych otrzymuje grupy acetylowe i malonylowe, które muszą prawidłowo „wypełniać” znajdujące się w nim miejsca „tiolowe”.

Dzieje się to początkowo w wyniku przeniesienia acetylo-CoA do grupy SH cysteiny w enzymie syntazy β-ketoacylo-ACP, reakcji katalizowanej przez transacetylazę acetylo-CoA-ACP.

Grupa malonylowa jest przenoszona z malonylo-CoA do grupy SH białka ACP, co jest zdarzeniem, w którym pośredniczy enzym transferazy malonylo-CoA-ACP, tworząc malonylo-ACP.

1. Etap inicjacji elongacji kwasu tłuszczowego przy urodzeniu polega na kondensacji malonylo-ACP z cząsteczką acetylo-CoA, reakcji kierowanej przez enzym o aktywności syntazy β-ketoacylo-ACP. W tej reakcji powstaje acetoacetylo-ACP i uwalnia się cząsteczka CO2.
2. Reakcje wydłużania zachodzą w cyklach, w których dodawane są jednocześnie 2 atomy węgla, w których każdy cykl składa się z kondensacji, redukcji, odwodnienia i drugiego zdarzenia redukcji:

- Kondensacja: grupy acetylowe i malonylowe ulegają kondensacji, tworząc acetoacetylo-ACP

- Redukcja grupy karbonylowej: grupa karbonylowa węgla 3 acetoacetylo-ACP jest redukowana, tworząc D-β-hydroksybutyryl-ACP, reakcję katalizowaną przez β-ketoacylo-ACP-reduktazę, która wykorzystuje NADPH jako donor elektronów.

- Odwodnienie: wodory między atomami węgla 2 i 3 poprzedniej cząsteczki są usuwane, tworząc podwójne wiązanie, które kończy się wytwarzaniem trans -Δ2-butenoilo-ACP. Reakcja jest katalizowana przez dehydratazę β-hydroksyacylo-ACP.

- Redukcja podwójnych wiązań: podwójne wiązanie trans-del2-butenoilo-ACP jest redukowane do butyryl-ACP przez działanie reduktazy enoilo-ACP, która również wykorzystuje NADPH jako środek redukujący.

Aby kontynuować wydłużanie, nowa cząsteczka malonylu musi ponownie związać się z częścią ACP kompleksu syntazy kwasów tłuszczowych i rozpocząć się od jej kondensacji z grupą butyrylową utworzoną w pierwszym cyklu syntezy.

Struktura palmitynianu (źródło: Edgar181 / domena publiczna, za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Na każdym etapie wydłużania nowa cząsteczka malonylo-CoA jest używana do rozrostu łańcucha na 2 atomy węgla i te reakcje są powtarzane do osiągnięcia odpowiedniej długości (16 atomów węgla), po czym uwalnia się enzym tioesterazowy. kompletny kwas tłuszczowy poprzez uwodnienie.

Palmitynian może być dalej przetwarzany przez różne typy enzymów, które modyfikują jego właściwości chemiczne, to znaczy mogą wprowadzać nienasycenia, wydłużać jego długość itp.

Rozporządzenie

Podobnie jak wiele szlaków biosyntezy lub degradacji, synteza kwasów tłuszczowych jest regulowana przez różne czynniki:

- Zależy od obecności jonów wodorowęglanowych (HCO3-), witaminy B (biotyny) i acetylo-CoA (na początkowym etapie szlaku, który polega na karboksylacji cząsteczki acetylo-CoA za pomocą karboksylowanego związku pośredniego biotyny tworząc malonylo-CoA).

- Jest to ścieżka, która pojawia się w odpowiedzi na charakterystykę energetyczną komórki, ponieważ gdy jest dostateczna ilość „paliwa metabolicznego”, jego nadmiar przekształca się w kwasy tłuszczowe, które są magazynowane do późniejszego utleniania w okresach deficytu energetycznego.

Pod względem regulacji enzymu karboksylazy acetylo-CoA, który stanowi ograniczający etap całego szlaku, jest hamowany przez palmitoilo-CoA, główny produkt syntezy.

Z drugiej strony jego allosterycznym aktywatorem jest cytrynian, który kieruje metabolizm od utleniania do syntezy w celu przechowywania.

Gdy mitochondrialne stężenia acetylo-CoA i ATP wzrastają, cytrynian jest transportowany do cytozolu, gdzie jest zarówno prekursorem cytozolowej syntezy acetylo-CoA, jak i allosterycznym sygnałem aktywującym karboksylazę acetylo-CoA.

Enzym ten może być również regulowany przez fosforylację, zdarzenie wyzwalane przez hormonalne działanie glukagonu i adrenaliny.

Bibliografia

1. McGenity, T., Van Der Meer, JR, & de Lorenzo, V. (2010). Podręcznik mikrobiologii węglowodorów i lipidów (str. 4716). KN Timmis (red.). Berlin: Springer.
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA i Rodwell, VW (2014). Ilustrowana biochemia Harpera. Mcgraw-hill.
3. Nelson, DL i Cox, MM (2009). Zasady Lehningera biochemii (str. 71–85). Nowy Jork: WH Freeman.
4. Numa, S. (1984). Metabolizm kwasów tłuszczowych i jego regulacja. Elsevier.
5. Rawn, JD (1989). Biochemistry-wydanie międzynarodowe. Karolina Północna: Neil Patterson Publishers, 5.