Syntéza mastných kyselin, je proces, při kterém (mastné kyseliny) jsou vyrobeny základní složky z nejdůležitějších lipidů v buňkách, které se účastní v mnoha velmi důležitých buněčných funkcí.
Mastné kyseliny jsou alifatické molekuly, to znamená, že jsou v podstatě složeny z atomů uhlíku a vodíku navázaných na sebe více či méně lineárním způsobem. Mají na jednom konci methylovou skupinu a na druhé kyselé karboxylové skupině, pro které se nazývají mastné kyseliny.
Shrnutí syntézy mastných kyselin (Zdroj: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) přes Wikimedia Commons)
Lipidy jsou molekuly používané různými buněčnými biosyntetickými systémy pro tvorbu dalších složitějších molekul, jako například:
- membránové fosfolipidy
- triglyceridy pro skladování energie a
- kotvy některých speciálních molekul nalezených na povrchu mnoha typů buněk (eukaryotické a prokaryotické)
Tyto sloučeniny mohou existovat jako lineární molekuly (se všemi atomy uhlíku nasycenými vodíkovými molekulami), ale lze pozorovat také sloučeniny s přímým řetězcem as některými saturacemi, tj. S dvojnými vazbami mezi jejich atomy uhlíku.
Nasycené mastné kyseliny lze nalézt také s rozvětvenými řetězci, jejichž struktura je o něco složitější.
Molekulární vlastnosti mastných kyselin jsou rozhodující pro jejich funkci, protože mnoho fyzikálně-chemických vlastností molekul, které tvoří, závisí na nich, zejména na jejich teplotě tání, stupni balení a na jejich schopnosti tvořit dvojvrstvy.
Syntéza mastných kyselin je tedy vysoce regulovanou záležitostí, protože je to řada sekvenčních událostí kritických pro buňku z mnoha hledisek.
Kde dochází k syntéze mastných kyselin?
Ve většině živých organismů dochází k syntéze mastných kyselin v cytosolovém kompartmentu, zatímco k jejich degradaci dochází hlavně mezi cytosolem a mitochondriemi.
Proces závisí na energii obsažené v ATP vazbách, redukční síle NADPH (obvykle odvozené od pentózofosfátové dráhy), biotinovém kofaktoru, hydrogenuhličitanových iontech (HCO3-) a manganových iontech.
U savců jsou hlavními orgány pro syntézu mastných kyselin játra, ledviny, mozek, plíce, mléčné žlázy a tuková tkáň.
Bezprostředním substrátem pro de novo syntézu mastných kyselin je acetyl-CoA a konečným produktem je molekula palmitátu.
Acetyl-CoA pochází přímo ze zpracování glykolytických meziproduktů, a proto strava s vysokým obsahem uhlohydrátů podporuje syntézu lipidů (lipogeneze) ergo, také mastných kyselin.
Enzymy zapojeny
Acetyl-CoA je blok syntézy dvou uhlíků, který se používá k tvorbě mastných kyselin, protože několik z těchto molekul je spojeno postupně s molekulou malonyl-CoA vytvořenou karboxylací acetyl-CoA.
První enzym v cestě a jeden z nejdůležitějších z hlediska jeho regulace je ten, kdo má na starosti karboxylaci acetyl-CoA, známou jako acetyl-CoA karboxyláza (ACC), což je komplex Enzymatická sloučenina tvořená 4 proteiny a využívající biotin jako kofaktor.
Avšak přes strukturální rozdíly mezi různými druhy je za hlavní biosyntetické reakce zodpovědný enzym syntázy mastných kyselin.
Tento enzym je ve skutečnosti enzymový komplex složený z monomerů, které mají 7 různých enzymatických aktivit, které jsou nezbytné pro prodloužení mastné kyseliny při „narození“.
7 aktivit tohoto enzymu lze uvést takto:
- ACP: nosičový protein acylové 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)
U některých organismů, jako jsou například bakterie, je komplex syntázy mastných kyselin tvořen nezávislými proteiny, které se vzájemně sdružují, ale jsou kódovány různými geny (systém syntázy mastných kyselin typu II).
Enzym syntázy mastných kyselin kvasinek (Zdroj: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / Public Domain, přes Wikimedia Commons)
U mnoha eukaryot a některých bakterií však multienzym obsahuje několik katalytických aktivit, které jsou rozděleny do různých funkčních domén v jednom nebo více polypeptidech, ale které mohou být kódovány stejným genem (systém syntázy mastných kyselin typu I).
Fáze a reakce
Většina studií prováděných ohledně syntézy mastných kyselin zahrnuje poznatky získané v bakteriálním modelu, avšak do určité hloubky byly také studovány mechanismy syntézy eukaryotických organismů.
Je důležité zmínit, že systém syntázy mastných kyselin typu II je charakterizován tím, že všechny mastné acylové meziprodukty jsou kovalentně spojeny s malým kyselým proteinem známým jako acyl transportní protein (ACP), který je transportuje z jednoho enzymu do následujícího.
Naopak v eukaryotech je aktivita AKT součástí stejné molekuly, přičemž se rozumí, že stejný enzym má zvláštní místo pro vazbu meziproduktů a jejich transport různými katalytickými doménami.
Spojení mezi proteinem nebo částí AKT a mastnými acylovými skupinami probíhá prostřednictvím thioesterových vazeb mezi těmito molekulami a protetickou skupinou 4'-fosfhopantethein (kyselina pantothenová) AKT, která je fúzována s karboxylovou skupinou mastného acylu.
- Enzym acetyl-CoA karboxyláza (ACC) je zpočátku zodpovědný za katalyzování prvního kroku „závazku“ v syntéze mastných kyselin, který, jak bylo uvedeno, zahrnuje karboxylaci molekuly acetyl-CoA za vzniku meziproduktu 3 atomy uhlíku známé jako malonyl-CoA.
Komplex syntázy mastných kyselin přijímá acetylové a malonylové skupiny, které musí správně "vyplnit" jeho "thiolová" místa.
K tomu dochází zpočátku přenosem acetyl-CoA na skupinu SH cysteinu v enzymu β-ketoacyl-ACP syntáza, což je reakce katalyzovaná acetyl-CoA-ACP transacetylázou.
Malonylová skupina je přenesena z malonyl-CoA do SH skupiny proteinu ACP, což je událost zprostředkovaná enzymem malonyl-CoA-ACP transferázy, čímž se vytvoří malonyl-ACP.
- Krok iniciace prodloužení mastné kyseliny při narození spočívá v kondenzaci malonyl-ACP s molekulou acetyl-CoA, což je reakce řízená enzymem s aktivitou p-ketoacyl-ACP syntázy. Při této reakci se vytvoří acetoacetyl-ACP a uvolní se molekula CO2.
- K prodlužovacím reakcím dochází v cyklech, kdy se přidávají 2 atomy uhlíku najednou, přičemž každý cyklus sestává z kondenzace, redukce, dehydratace a druhé redukční události:
- Kondenzace: acetylové a malonylové skupiny kondenzují za vzniku acetoacetyl-ACP
- Redukce karbonylové skupiny: karbonylová skupina uhlíku 3 acetoacetyl-ACP je snížena, čímž se vytvoří D-β-hydroxybutyryl-ACP, což je reakce katalyzovaná β-ketoacyl-ACP-reduktázou, která používá NADPH jako donor elektronů.
- Dehydratace: vodíky mezi uhlíky 2 a 3 předchozí molekuly jsou odstraněny, čímž se vytvoří dvojná vazba, která končí produkcí trans-2-butenoyl-ACP. Reakce je katalyzována p-hydroxyacyl-ACP dehydratázou.
- Redukce dvojné vazby: trans-del2-butenoyl-ACP dvojná vazba je redukována na butyryl-ACP působením enoyl-ACP reduktázy, která také používá NADPH jako redukční činidlo.
Aby se pokračovalo v prodloužení, musí se nová molekula malonylu znovu vázat na část ACP komplexu syntázy mastných kyselin a začíná svou kondenzací s butyrylovou skupinou vytvořenou v prvním syntézním cyklu.
Struktura palmitátu (Zdroj: Edgar181 / Public Domain, přes Wikimedia Commons)
V každém prodloužení se použije nová molekula malonyl-CoA pro růst řetězce na 2 atomy uhlíku a tyto reakce se opakují, dokud se nedosáhne správné délky (16 atomů uhlíku), po které se uvolní enzym thioesterázy. hydratací celé mastné kyseliny.
Palmitát může být dále zpracováván různými typy enzymů, které modifikují jeho chemické vlastnosti, to znamená, že mohou zavést nenasycení, prodloužit jeho délku atd.
Nařízení
Podobně jako mnoho biosyntetických nebo degradačních cest je syntéza mastných kyselin regulována různými faktory:
- Závisí na přítomnosti hydrogenuhličitanových iontů (HCO3-), vitaminu B (biotin) a acetyl-CoA (během počátečního kroku dráhy, který zahrnuje karboxylaci molekuly acetyl-CoA pomocí karboxylovaného meziproduktu biotinu za vzniku malonyl-CoA).
- Je to cesta, která se objevuje v reakci na charakteristiky buněčné energie, protože když existuje dostatečné množství „metabolického paliva“, převádí se přebytek na mastné kyseliny, které se ukládají pro následnou oxidaci v době energetického deficitu.
Pokud jde o regulaci enzymu acetyl-CoA karboxylázy, která představuje omezující krok celé cesty, je inhibována palmitoyl-CoA, hlavním produktem syntézy.
Jeho alosterickým aktivátorem je naopak citrát, který řídí metabolismus z oxidace na syntézu pro skladování.
Když se koncentrace mitochondriálních acetyl-CoA a ATP zvyšují, citrát je transportován do cytosolu, kde je předchůdcem pro syntézu cytosolické acetyl-CoA a alosterickým aktivačním signálem pro acetyl-CoA karboxylázu.
Tento enzym lze také regulovat fosforylací, což je událost vyvolaná hormonálním působením glukagonu a epinefrinu.
Reference
- McGenity, T., Van Der Meer, JR, a de Lorenzo, V. (2010). Příručka mikrobiologie uhlovodíků a lipidů (str. 4716). KN Timmis (Ed.). Berlín: Springer.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA a Rodwell, VW (2014). Harperova ilustrovaná biochemie. Mcgraw-hill.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerovy principy biochemie (str. 71-85). New York: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Metabolismus mastných kyselin a jeho regulace. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Biochemie - mezinárodní vydání. Severní Karolína: Neil Patterson Publishers, 5.