Fedtsyrebiosyntese er en biokemisk vej til cellens syntese af fedtsyrer fra forstadierne til acetyl-CoA og NADPH ved påvirkning af enzymer kaldet fedtsyresyntase . Denne proces finder sted i cellens cytoplasma . Hovedparten af acetyl-CoA, der omdannes til fedtsyrer, opnås fra kulhydrater under glykolysen . Glycerol dannes også i den glykolytiske vej, hvortil tre fedtsyrerester kan kombineres (via esterbindinger ) for at danne triglycerider (også kendt som "triacylglyceroler" - eller blot "fedt", opkaldt for at skelne dem fra "fedtsyrer") , slutproduktet af lipogeneseprocessen . Hvis kun to fedtsyrerester kombineres med glycerol, og den tredje alkoholgruppe phosphoryleres, for eksempel af phosphatidylcholin , dannes phospholipider . Fosfolipider danner lipid - dobbeltlag , der udgør hovedparten af cellemembraner og membraner af intracellulære organeller (fx cellekerne , mitokondrier , endoplasmatisk reticulum , Golgi-apparat osv.)
Der er to typer uforgrenede fedtsyrer: mættede og umættede.
I lighed med β-oxidation sker syntesen af ligekædede fedtsyrer ved hjælp af de seks iterative reaktioner vist nedenfor, indtil der dannes C16 palmitinsyre [1] [2] . Efter syv cyklusser med kondensationsreduktion dannes palmitat, under påvirkning af thioesterase spaltes det fra det acylbærende protein og forlader cyklussen.
Den overordnede reaktion kan skrives som:
8 Acetyl-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H + → palmitat + 8 CoA + 7 ADP + 7 P n + 14 NADP + + 6 H 2 ODe præsenterede diagrammer viser, hvordan biosyntesen af fedtsyrer foregår i mikroorganismer og en liste over enzymer fundet i Escherichia coli [1] . Disse reaktioner udføres af fedtsyresyntase II (FAS II), som normalt er et multienzymkompleks . FAS II findes i prokaryoter , planter, parasitære organismer og også i hvirveldyrs mitokondrier [3] . Biosyntesemellemprodukter kan være involveret i andre reaktioner af cellulær metabolisme, for eksempel i syntesen af liponsyre. I modsætning til FAS I danner FAS II umættede forgrenede fedtsyrer og hydroxysyrer.
Hos dyr, såvel som i nogle svampe såsom gær, katalyseres de samme reaktioner af fedtsyresyntase I (FAS I), et stort protein med to underenheder, der har alle de enzymatiske aktiviteter, der kræves til fedtsyresyntese. Ved syntesen af fedtsyrer sker dannelsen af et enkelt produkt uden frigivelse af mellemprodukter. Mellemprodukterne er kovalent forbundet med en thioetherbinding til det enzymatiske kompleks op til slutstadiet. FAS I er mindre effektiv end FAS II; det tillader dog dannelsen af flere molekyler, inklusive "mellemkædede" fedtsyrer, ved at afslutte kædeforlængelsen tidligt i syntesen [3] .
Efter dannelsen af fedtsyre - palmitinsyre (16:0) forekommer en række af dens modifikationer, hvilket fører til desaturation og / eller forlængelse. Forlængelse, startende med stearat (18:0), udføres hovedsageligt i det endoplasmatiske retikulum ved hjælp af membranbundne enzymer. De enzymatiske reaktioner under forlængelsesprocessen er generelt de samme som for FAS, men de fire store sekventielle forlængelsestrin udføres af individuelle proteiner, der fysisk kan kobles til hinanden [4] [5] .
| Scene | Enzym | Reaktion | Beskrivelse |
|---|---|---|---|
| (en) | Acetyl-CoA: acyl-bærende protein-transacylase | Aktivering af acetyl-CoA til at reagere med malonyl-ACP | |
| (b) | Malonyl-CoA: acyl-bærende protein transacetylase | Aktivering af malonyl-CoA til at reagere med acetyl-ACP | |
| (c) | 3-ketoacyl-acyl-transportproteinsyntase | Reaktion af en ACP-bundet acylgruppe med kædeforlængende malonyl-ACP | |
| (d) | 3-ketoacyl-acyl-bærende proteinreduktase | Gendanner ketogruppen i det 3. carbonatom til en hydroxylgruppe | |
| (e) | 3-hydroxyacyl-acyl-bærende proteindehydratase | Vand eliminering | |
| (f) | Enoylacyltransferproteinreduktase | Gendannelse af dobbeltbindingen mellem C2-C3 atomer. | |
| Betegnelser: ACP - Acyl-bærende protein , CoA - Coenzym A , NADP - Nikotinamid adenindinukleotidphosphat . | |||
Bemærk, at NADPH er reduktionsmidlet under fedtsyresyntese , mens NAD er oxidationsmidlet i beta-oxidationsreaktioner ( nedbrydningen af fedtsyrer til acetyl-CoA). Denne forskel illustrerer det generelle princip, at NADPH forbruges under biosyntetiske reaktioner, mens NADH genereres i energifrigivende oxidationsreaktioner. [6] . Tilsvarende kræves NADPH til syntesen af kolesterol fra acetyl-CoA; mens NADH dannes under oxidationen af glucose .) Der er to hovedkilder til NADPH. Den første er, når malat decarboxyleres oxidativt af det "NADP + afhængige æblesyreenzym" til dannelse af pyruvat , CO2 og NADPH . NADPH dannes også i pentosephosphatvejen, som omdanner glucose til ribose, som kan bruges i syntesen af nukleotider og nukleinsyrer , eller kan kataboliseres til pyruvat [6] .
Hos mennesker dannes fedtsyrer fra kulhydrater overvejende i leveren og fedtvævet samt i mælkekirtlerne under amning.
Pyruvat, dannet under glykolyse, er et vigtigt mellemprodukt i omdannelsen af kulhydrater til fedtsyrer og kolesterol [6] . Den indledende fase af omdannelsen af pyruvat til acetyl-CoA finder sted i mitokondrier. Dette acetyl-CoA skal dog transporteres til cytosolen, hvor fedtsyre- og kolesterolsyntesereaktioner finder sted. Dette kan ikke ske direkte, da den indre mitokondriemembran er uigennemtrængelig for acetyl-CoA. Til transport til cytosolen reagerer acetyl-CoA med oxaloacetat og danner citrat. Citratet, der produceres på denne måde i Krebs-cyklussen, forlader cyklussen og transporteres af en membranbærer gennem mitokondriemembranen ind i cytosolen [6] . Der spaltes det af ATP-citratlyasetil acetyl-CoA og oxaloacetat. Oxaloacetat kan bruges til glukoneogenese (i leveren), eller det kan returneres til mitokondrierne som malat [7] . Cytosolisk acetyl-CoA carboxyleres af acetyl-CoA-carboxylase til malonyl-CoA , det første kritiske trin i fedtsyrebiosyntesen [7] [8] .
Den vigtigste energikilde og reservestof hos dyr er fedt. Fedt hos en ung voksen er i gennemsnit omkring 15-20 kg, men det er meget afhængig af alder. Køn og individuelle karakteristika [9] . I modsætning hertil lagrer den menneskelige krop kun omkring 400 g glykogen , hvoraf 300 g er lagret i skeletmuskulaturen og ikke er tilgængelig for kroppen som helhed. De resterende ca. 100 g glykogen, der er lagret i leveren, bliver opbrugt i løbet af en fastedag [10] . Derefter skal glucose, som er kommet ind i blodet fra leveren til generel brug af kropsvæv, syntetiseres fra glucogene aminosyrer og nogle andre glucogene substrater , som ikke inkluderer fedtsyrer [11] .
Nedbrydningen af fedtsyrer til acetyl-CoA under beta-oxidation sker inde i mitokondrierne, mens deres syntese fra acetyl-CoA sker i cytosolen. Disse to veje adskiller sig ikke kun i stedet for deres lokalisering, men også i de reaktioner, der finder sted, og de anvendte substrater og coenzymer. Disse to veje hæmmer hinanden gensidigt, hvilket forhindrer acetyl-CoA genereret ved beta-oxidation i at komme ind i syntesevejen gennem reaktionen udført af acetyl-CoA carboxylase [11] . Det kan heller ikke omdannes til pyruvat , da pyruvat-decarboxyleringsreaktionen er irreversibel [10] . I stedet kondenserer det med oxaloacetat for at danne citrat for at komme ind i tricarboxylsyrecyklussen . For hver omgang i cyklussen forlader to carbonatomer cyklussen som CO 2 i decarboxyleringsreaktioner katalyseret af isocitratdehydrogenase og alfa-ketoglutaratdehydrogenase . Således oxiderer hver omgang i citronsyrecyklussen acetyl-CoA-enheden, mens den samtidig regenererer oxaloacetat-molekylet, som acetyl-CoA'et oprindeligt kombinerede med til at danne citronsyre . Decarboxyleringsreaktioner forekommer før malat dannes i cyklussen . Malat er det eneste stof, der er i stand til at forlade mitokondrierne for at komme ind i glukoneogenesens vej med dannelsen af glucose eller glykogen i leveren eller ethvert andet væv [11] . Derfor kan der ikke ske omdannelse af fedtsyrer til glukose.
Kun planter besidder enzymerne til at omdanne acetyl-CoA til oxaloacetat , hvorfra der kan dannes malat, som til sidst omdannes til glucose [11] .
Regulering
Acetyl-CoA omdannes til malonyl-CoA af acetyl-CoA-carboxylase , hvorfra malonyl-CoA er bestemt til inklusion i fedtsyresyntesevejen. Acetyl-CoA-carboxylase er reguleringspunktet for syntesen af ligekædede mættede fedtsyrer og er underlagt både phosphorylering og allosterisk regulering . Fosforylering forekommer hovedsageligt hos pattedyr, mens allosterisk regulering forekommer i andre organismer. Allosterisk kontrol udføres ved feedback-hæmning af palmitoyl-CoA og aktivering med citrat. Ved høje niveauer af palmitoyl-CoA, slutproduktet af mættet fedtsyresyntese, inaktiverer det allosterisk acetyl-CoA-carboxylase, som forhindrer ophobning af fedtsyrer i celler. Citrat fungerer som en acetyl-CoA-carboxylaseaktivator i høje koncentrationer, fordi høje niveauer indikerer, at der er nok acetyl-CoA til at komme ind i citronsyrecyklussen og lagre energi [12]
Et højt niveau af insulin i blodplasmaet (for eksempel efter et måltid) forårsager dephosphorylering af acetyl-CoA-carboxylase og bidrager derved til dannelsen af malonyl-CoA fra acetyl-CoA og derfor omdannelsen af kulhydrater til fedtsyrer, og adrenalin og glukagon (frigivet til blodet under faste og træning) forårsager fosforylering af dette enzym, hæmmer lipogenese og stimulerer beta-oxidation af fedtsyrer [6] [8] .
Mange bakterier bruger den anaerobe vej til at syntetisere umættede fedtsyrer. Reaktionerne i denne vej bruger ikke ilt og bruger enzymer, der indsætter en dobbeltbinding, før de udvider fedtsyrekulstofrygraden, ellers bruger den normale fedtsyresyntesemekanisme. I Escherichia coli er denne vej godt forstået.
De fleste bakterier, der udfører anaerobe desaturationsreaktioner, indeholder FabA- og FabB-homologer [15] . Clostridia er den største undtagelse. De har et nyt enzym, der katalyserer dannelsen af en dobbelt cis-binding, som endnu ikke er identificeret [14] .
ForordningDenne vej er underlagt transkriptionel regulering af FadRog FabR. FadR er et mere undersøgt protein, som tilskrives to funktioner på én gang. Det virker som en transkriptionel aktivator af fabA og fabB og som en regulon - repressor . og ansvarlig for β-oxidation. I modsætning hertil fungerer FabR som en transkriptionel repressor af fabA og fabB [13] .
Aerob desaturationAerob desaturation er den mest almindelige vej til syntese af umættede fedtsyrer. Det bruges af alle eukaryoter og nogle prokaryoter. Desaturaser bruges i reaktioner til syntese af umættede fedtsyrer fra mættede fedtsyrer i fuld længde i denne vej .[16] . Alle desaturaser kræver oxygen og forbruger i sidste ende NADH, selvom desaturation er en oxidativ proces. Desaturaser introducerer specifikt en dobbeltbinding på et specifikt sted i substratet. I Bacillus subtilis er en desaturase, Δ5 - Des, specifik til at indsætte en cis-dobbeltbinding i Δ5- positionen [7] [16] . Saccharomyces cerevisiae indeholder en desaturase, Ole1p, som introducerer en cis-dobbeltbinding ved Δ9 . [7] .
ForordningI B. subtilis er denne vej reguleret af et to-komponent system : den membranbundne kinase DesK og den transkriptionelle regulator DesR ansvarlig for ekspressionen af des genet [7] [16] . Udtrykket er temperaturafhængigt. Når temperaturen falder, aktiveres dette gen. Umættede fedtsyrer øger membranfluiditeten og stabiliserer den ved lavere temperaturer. DesK er et sensorprotein, der autofosforylerer, når temperaturen sænkes. DesK-P overfører derefter phosphorylgruppen til DesR. To molekyler af DesR-P-proteinet dimeriserer og binder til DNA-promotorerne af des -genet og fremmer binding af RNA-polymerase for at starte transkription [7] [16] .
Som regel forekommer anaerob og aerob syntese af umættede fedtsyrer ikke samtidigt i den samme organisme, dog fungerer Pseudomonas aeruginosa og Vibrio ABE-1 som undtagelser fra reglen [17] [18] [19] . Selvom P. aeruginosa primært bruger anaerobe desaturationsreaktioner, har den også to aerobe veje. En vej anvender Δ9-desaturase ( DesA ), som katalyserer dannelsen af en dobbeltbinding i membranlipider. En anden vej bruger to proteiner, DesC og DesB, som sammen fungerer som en Δ9 -desaturase, der indsætter en dobbeltbinding i en mættet syrerest i acyl-CoA-molekylet. Denne anden vej er reguleret af DesT-repressorproteinet. DesT nedregulerer også fabAB- ekspression under anaerob desaturation i nærvær af eksogene umættede fedtsyrer. Denne funktion sikrer koordineringen af ekspressionen af to veje i cellen [18] [20] . Hos pattedyr katalyseres aerob desaturation af et kompleks af tre membranbundne enzymer ( NADH-cytochrom b 5 reduktase, cytochrom b 5 og desaturase ). Disse enzymer tillader molekylær oxygen, O 2 , at interagere med en mættet fedtsyrerest i acyl-CoA-molekylet for at danne en dobbeltbinding og to vandmolekyler, H 2 O. To elektroner forsynes af NADH + H + og to tages fra fedtkædens enkeltbinding.syrer [6] . Pattedyrdesaturaser er dog ude af stand til at skabe dobbeltbindinger ved carboner ud over C9 i fedtsyrekæden [nb 1] .) Pattedyr kan derfor ikke syntetisere hverken linoleat eller linolenat (som har en dobbeltbinding i position C-12 (= ∆ 12 ) eller C-12 og C-15 (= henholdsvis Δ12 og Δ15 ) , såvel som i position Δ9 ) , eller polyumættet, 20-carbon arachidonsyre , et derivat af linoleat. De kaldes alle essentielle fedtsyrer , hvilket betyder, at de kræves af kroppen, men kun kan komme fra mad. Arachidonsyre er en forløber for prostaglandiner , som har en lang række funktioner som lokale hormoner[6] .
Ulige kæde fedtsyrer(OCFA'er) er de fedtsyrer, der indeholder et ulige antal kulstofatomer i deres molekyle. De mest almindelige OCFA'er er de mættede derivater af C15 og C17, henholdsvis pentadecansyre og margarinsyre [21] . Syntesen af ligekædede fedtsyrer udføres ved at samle fra to-carbonenheder af acetyl-CoA. Når det bruges som en primer til propionyl-CoA- biosyntesei stedet for acetyl-CoA opnås langkædede fedtsyrer med et ulige antal carbonatomer [22] .
Forgrenede fedtsyrer er generelt mættede og er klassificeret i to adskilte familier: iso- og anteiso-familierne. Actinomycetales har vist sig at have unikke mekanismer til at syntetisere forgrenede fedtsyrer, herunder dem, der danner mycolsyrer .
Anvendelsen af en α-ketosyre som frø er i modsætning til veje til syntese af forgrenede fedtsyrer, hvor syntetasen anvender kortkædede Acetyl-CoA-estere som frø [23] . Primere af α-ketosyrer er afledt af transaminering og decarboxylering af valin , leucin , isoleucin til henholdsvis 2-methylpropanyl-CoA, 3-methylbutyryl-CoA og 2-methylbutyryl-CoA [24] . 2-methylpropanyl-CoA-primeren dannet af valin ved forlængelse giver anledning til iso-serie fedtsyrer med et lige antal carbonatomer, såsom 14-methyl-pentadecansyre (isopalmitinsyre). 3-methylbutyryl-CoA-primeren fra leucin kan bruges til at generere isosyrer med ulige numre, såsom 13-methyltetradecansyre. Udvidelse af 2-methylbutyryl-CoA frø fra isoleucin producerer anteiso-serie fedtsyrer med et ulige antal carbonatomer, såsom 12-methyltetradecansyre [25] . Decarboxylering af primerprecursorer medieres af det forgrenede α-ketosyredecarboxylyseenzym .(BCKA). Forlængelse af fedtsyreskelettet i Escherichia coli sker på samme måde som ved syntesen af ligekædede fedtsyrer, når malonyl-CoA anvendes som det indledende led i biosyntesen [26] . De vigtigste slutprodukter er forgrenede fedtsyrer, bestående af 12-17 kulstofatomer, og deres sammensætning er konstant og karakteristisk for mange bakteriearter [25] .
Forgrenet kæde af α-ketosyredecarboxylyse (BCKA) og dens substratspecificitet for α-ketosyrer
Enzymet BCKA decarboxylase består af to underenheder, der danner en tetramer (A 2 B 2 ) og er essentiel for syntesen af forgrenede fedtsyrer. Det er ansvarligt for decarboxyleringen af α-ketosyrer produceret ved deaminering af valin, leucin og isoleucin og producerer frømolekyler, der bruges til syntese af forgrenede fedtsyrer. Aktiviteten af dette enzym er meget højere over for forgrenede end ligekædede α-ketosyresubstrater, og i Bacillus -arter opnås den højeste specificitet over for isoleucinderivatet α-keto-β-methylvalerianesyre, efterfulgt af α-ketoisocaproat .og α-ketoisovalerat [25] [26] . Enzymets høje affinitet for forgrenede α-ketosyrer gør det muligt at fungere som en frømolekyleleverandør til syntese af forgrenede fedtsyrer [26] .
| substrat | BCKA decarboxylase aktivitet | Udledt CO 2 (nmol/min mg) | km (μM) | Vmax (nmol/min mg) |
|---|---|---|---|---|
| L-a-keto-β-methylvaleriat | 100 % | 19.7 | <1 | 17.8 |
| α-ketoisovalerat | 63 % | 12.4 | <1 | 13.3 |
| a-ketoisocaproat | 38 % | 7.4 | <1 | 5.6 |
| Pyruvat | 25 % | 4.9 | 51,1 | 15.2 |
Faktorer, der påvirker kædelængde og forgrening
Primere af α-ketosyrer bruges til biosyntese af forgrenede fedtsyrer, som typisk har 12 til 17 carbonatomer. Forholdet mellem syrer med forgrenet kæde er konstant og artsspecifikt, men de kan ændre sig med ændringer i malonyl-CoA-koncentration, temperatur eller tilstedeværelsen af varmestabilitetsfaktorer (HSF'er) [25] . Alle disse faktorer kan påvirke kædelængden, og HSF'er har vist sig at ændre specificiteten af BCKA-decarboxylase for visse α-ketosyrer og dermed ændre forholdet mellem producerede forgrenede fedtsyrer [25] . Det har vist sig, at en stigning i koncentrationen af malonyl-CoA fører til en stigning i produktionen af C17 fedtsyrer, indtil den optimale koncentration (≈20μM) af malonyl-CoA er nået. Sænkning af temperaturen flytter også en smule fedtsyreforholdet mod C17-syrer i Bacillus -arter [23] [25] .
Forgrenet fedtsyresyntesesystem ved hjælp af KoA-estereDette system fungerer på samme måde som BCFA-syntesesystemet ved hjælp af alfa-ketosyrer som frø, men det bruger i stedet kortkædede carboxylsyreestere med CoA som frø. Denne vej bruges af bakterier, der ikke er i stand til at bruge alfa-ketosyrer. Typiske primere er isovalerat, isobutyrat og 2-methyl-butyrat. Typisk kommer de syrer, der er nødvendige til disse frø, fra miljøet; dette findes ofte i bakterier, der lever i vommen [27] .
Total reaktion:
Isobutyryl-CoA + 6 malonyl-CoA + 12 NADPH + 12H + → Isopalmitinsyre + 6 CO 2 + 12 NADP + 5 H 2 O + 7 CoA [23]Forskellen mellem lineære og forgrenede fedtsyresyntaser ligger i substratspecificiteten af det enzym, der katalyserer reaktionen af acyl-CoA med acyl-ACP [23] .
Omega-alicykliske fedtsyrer indeholder normalt en omega-terminal propyl- eller butyrylcyklisk gruppe og er blandt de vigtigste membranfedtsyrer, der findes i flere bakteriearter. Fedtsyresyntetase, der bruges til at producere omega-alicykliske fedtsyrer, bruges også til at producere forgrenede membranfedtsyrer. Bakterier med membraner, der primært består af omega-alicykliske fedtsyrer, har meget flere estere af cykliske carboxylsyrer og CoA end forgrenede primere [23] . Syntesen af cykliske primere er ikke godt forstået, men det er blevet foreslået, at mekanismen involverer omdannelsen af sukker til shikiminsyre , som derefter omdannes til cyclohexylcarboxylsyreestere med CoA, som tjener som primere til syntesen af omega-alicyklisk fedt. syrer [27] .
Tuberkulostearinsyre (10-methylstearinsyre) er en mættet fedtsyre, der vides at blive produceret af Mycobacterium spp. og to arter af Streptomyces . Det er dannet ud fra en forløber, oliesyre (en monoumættet fedtsyre [28] . Efter esterificeringen af oliesyre til et fosfolipid, tjener S-adenosyl-methionin som en methylgruppedonor for dobbeltbindingen af oliesyre [29] . Denne methyleringsreaktion danner mellemproduktet 10-methylen-Octadecanoal Sekventiel reduktion af dets NADPH som et coenzym fører til 10-methylstearinsyre [24]
Således kan positionerne af dobbeltbindinger i fedtsyrekæden angives på to måder ved at bruge notationen Cn eller ω-n. I en 18-carbon fedtsyre rapporteres dobbeltbindingen mellem C-12 (eller ω-7) og C-13 (eller ω-6) som enten Δ 12 , hvis den tælles fra –COOH-enden (kun " begyndelse" er rapporteret). dobbeltbinding), eller som ω-6 (eller omega-6), når det tælles fra -CH3- enden . "Δ" er det græske bogstav "delta", som oversættes som "D" (engelsk dobbeltbinding , dobbeltbinding) i det latinske alfabet. Omega (ω) er det sidste bogstav i det græske alfabet og bruges derfor til at referere til det "sidste" kulstofatom i kulstofskelettet af en fedtsyre. Fordi ω-n-notationen næsten udelukkende bruges til at angive positionen af dobbeltbindinger tæt på -CH3- terminalen i essentielle fedtsyrer, er der ikke behov for en ækvivalent "Δ"-lignende nomenklatur