Rasvahappojen synteesiä on prosessi, jossa perus- komponentit tärkeimmistä lipidien soluissa (rasvahapot) tuotetaan, jotka osallistuvat monissa hyvin tärkeä solun toimintoja.
Rasvahapot ovat alifaattisia molekyylejä, ts. Ne koostuvat olennaisesti hiili- ja vetyatomeista, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa enemmän tai vähemmän lineaarisella tavalla. Heillä on metyyliryhmä toisessa päässä ja hapan karboksyyliryhmä toisessa päässä, jota varten niitä kutsutaan "rasvahapoiksi".
Yhteenveto rasvahappojen synteesistä (Lähde: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) Wikimedia Commonsin kautta)
Lipidit ovat molekyylejä, joita erilaiset solujen biosynteesijärjestelmät käyttävät muiden monimutkaisempien molekyylien, kuten:
- kalvon fosfolipidit
- triglyseridit energian varastointiin ja
- joidenkin erityisten molekyylien ankkurit, joita löytyy monentyyppisten solujen (eukaryoottisten ja prokaryoottisten) pinnalta
Nämä yhdisteet voivat esiintyä lineaarisina molekyyleinä (joissa kaikki hiiliatomit ovat tyydyttyneitä vetymolekyyleillä), mutta voidaan havaita myös sellaisia, joilla on suora ketju ja jotkut tyydyttymiset, ts. Kaksoissidoksilla hiiliatomiensa välillä.
Tyydyttyneitä rasvahappoja löytyy myös haarautuneista ketjuista, joiden rakenne on vähän monimutkaisempi.
Rasvahappojen molekyylin ominaisuudet ovat ratkaisevan tärkeitä niiden toiminnalle, koska monet niiden muodostamien molekyylien fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksista riippuvat niistä, erityisesti niiden sulamispisteestä, pakkaamisasteesta ja kyvystään muodostaa kaksikerroksia.
Siksi rasvahappojen synteesi on erittäin säännelty asia, koska se on sarja peräkkäisiä tapahtumia, jotka ovat kriittisiä solulle monesta näkökulmasta.
Missä rasvahappojen synteesi tapahtuu?
Useimmissa elävissä organismeissa rasvahappojen synteesi tapahtuu sytosoliosastossa, kun taas niiden hajoaminen tapahtuu pääasiassa sytosolin ja mitokondrioiden välillä.
Prosessi riippuu ATP-sidosten sisältämästä energiasta, NADPH: n pelkistävästä voimasta (joka yleensä johdetaan pentoosifosfaattireitistä), biotiini-kofaktorista, bikarbonaatti-ioneista (HCO3-) ja mangaani-ioneista.
Nisäkäseläimissä rasvahappojen synteesin pääelimet ovat maksa, munuaiset, aivot, keuhkot, rintarauhaset ja rasvakudos.
Rasvahappojen de novo -synteesin välitön substraatti on asetyyli-CoA ja lopputuote on palmitaatin molekyyli.
Asetyyli-CoA johdetaan suoraan glykolyyttisten välituotteiden prosessoinnista, minkä vuoksi runsaasti hiilihydraatteja sisältävä ruokavalio edistää lipidien (lipogeneesi) ergon, myös rasvahappojen, synteesiä.
Entsyymit mukana
Asetyyli-CoA on kahden hiilen synteesilohko, jota käytetään rasvahappojen muodostumiseen, koska useita näistä molekyyleistä on kytketty peräkkäin malonyyli-CoA-molekyyliin, joka muodostuu asetyyli-CoA: n karboksyloinnista.
Reitin ensimmäinen entsyymi ja yksi sen säätelyn kannalta tärkeimmistä on entsyymi, joka vastaa asetyyli-CoA: n, joka tunnetaan nimellä asetyyli-CoA-karboksylaasi (ACC), karboksylaatiosta, joka on kompleksi. Entsymaattinen yhdiste, joka koostuu 4 proteiinista ja jossa käytetään biotiinia kofaktorina.
Huolimatta eri lajien välisistä rakenteellisista eroista rasvahapposyntaasientsyymi on kuitenkin vastuussa tärkeimmistä biosynteesireaktioista.
Tämä entsyymi on todellisuudessa entsyymikompleksi, joka koostuu monomeereistä, joilla on 7 erilaista entsymaattista aktiivisuutta, jotka ovat välttämättömiä rasvahapon pidentymiselle syntymän yhteydessä.
Tämän entsyymin 7 aktiivisuutta voidaan luetella seuraavasti:
- ACP: asyyliryhmän kantajaproteiini
- asetyyli-CoA-ACP-transasetylaasi (AT)
- p-ketoasyyli-ACP-syntaasi (KS)
- Malonyyli-CoA-ACP-transferaasi (MT)
- β-ketoasyyli-ACP-reduktaasi (KR)
- β-hydroksiasyyli-ACP-dehydrataasi (HD)
- enoyyli-ACP-reduktaasi (ER)
Joissakin organismeissa, kuten esimerkiksi bakteereissa, rasvahapposyntaasikompleksi koostuu itsenäisistä proteiineista, jotka assosioituvat toisiinsa, mutta joita koodaavat eri geenit (tyypin II rasvahapposyntaasijärjestelmä).
Hiivarasvahapposyntaasientsyymi (Lähde: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / Public Domain, Wikimedia Commonsin kautta)
Monissa eukaryooteissa ja joissakin bakteereissa multientsyymi sisältää kuitenkin useita katalyyttisiä aktiivisuuksia, jotka on erotettu toisiinsa funktionaalisiin domeeneihin, yhdessä tai useammassa polypeptidissä, mutta joita voi koodata sama geeni (tyypin I rasvahappojen syntaasijärjestelmä).
Vaiheet ja reaktiot
Suurimpaan osaan rasvahappojen synteesiä koskevista tutkimuksista on bakteerimallin tuloksia, mutta eukaryoottisten organismien synteesimekanismeja on myös tutkittu perusteellisesti.
On tärkeätä mainita, että tyypin II rasvahapposyntaasijärjestelmälle on tunnusomaista, että kaikki rasva-asyylivälituotteet ovat kovalenttisesti sitoutuneet pieneen happamaan proteiiniin, jota kutsutaan asyylikuljetusproteiiniksi (ACP), joka kuljettaa ne yhdestä entsyymistä toiseen.
Eukaryooteissa päinvastoin, ACP-aktiivisuus on osa samaa molekyyliä, ymmärretään, että samalla entsyymillä on erityinen paikka välituotteiden sitoutumiseksi ja niiden kuljettamiseksi erilaisten katalyyttisten domeenien läpi.
Liitos proteiini- tai ACP-osan ja rasva-asyyliryhmien välillä tapahtuu tioesterisidoksilla näiden molekyylien ja proteesiryhmän 4'-fosfopanteteiini (pantoteenihappo) välillä, joka on fuusioitunut rasva-asyylin karboksyyliryhmän kanssa.
- Aluksi asetyyli-CoA-karboksylaasi (ACC) -entsyymi on vastuussa ensimmäisen sitoutumisvaiheen katalysoimisesta rasvahappojen synteesissä, johon, kuten mainittiin, sisältyy asetyyli-CoA-molekyylin karboksylointi, jolloin muodostuu välituote yhdisteestä 3 hiiliatomit, jotka tunnetaan nimellä malonyl-CoA.
Rasvahapposyntaasikompleksi vastaanottaa asetyyli- ja malonyyliryhmät, joiden on "täytettävä" sen "tioli" kohdat oikein.
Tämä tapahtuu aluksi siirtämällä asetyyli-CoA: ta kysteiinin SH-ryhmään entsyymissä P-ketoasyyli-ACP-syntaasi, reaktiota katalysoi asetyyli-CoA-ACP-transasetylaasi.
Malonyyliryhmä siirretään malonyyli-CoA: sta ACP-proteiinin SH-ryhmään, tapahtuma, jota välittää malonyyli-CoA-ACP-transferaasientsyymi, muodostaen malonyyli-ACP.
- Rasvahapon pidentymisen aloitusvaihe syntymän yhteydessä koostuu malonyyli-ACP: n kondensoinnista asetyyli-CoA-molekyylin kanssa, reaktiosta, jonka johtaa entsyymi, jolla on P-ketoasyyli-ACP-syntaasiaktiivisuutta. Tässä reaktiossa muodostuu sitten asetoasetyyli-ACP ja CO2-molekyyli vapautuu.
- Pidentymisreaktiot tapahtuvat jaksoissa, joissa lisätään 2 hiiliatomia kerrallaan, jokainen sykli koostuu kondensoitumisesta, pelkistyksestä, dehydraatiosta ja toisesta pelkistystapahtumasta:
- Kondensaatio: asetyyli- ja malonyyliryhmät tiivistyvät asetyyliasetyyli-ACP: ksi
- Karbonyyliryhmän pelkistys: asetoasetyyli-ACP-hiilen 3 karbonyyliryhmä pelkistetään, jolloin muodostuu D-β-hydroksibutyryyli-ACP, reaktio, jota katalysoi β-ketoasyyli-ACP-reduktaasi, joka käyttää NADPH: ta elektronidonorina.
- Dehydraatio: edellisen molekyylin hiilivetyjen 2 ja 3 väliset vedyt poistetaan muodostaen kaksoissidoksen, joka päättyy trans-2-butenoyyli-ACP: n tuottamiseen. Reaktiota katalysoi p-hydroksiasyyli-ACP-dehydrataasi.
- Tuplaissidoksen pelkistys: trans-del2-butenoyyli-ACP-kaksoissidos pelkistetään butyryyli-ACP: ksi enoyyli-ACP-reduktaasin vaikutuksella, joka käyttää myös NADPH: ta pelkistävänä aineena.
Pidentämisen jatkamiseksi uuden malonyyylimolekyylin on sitoutuva uudelleen rasvahapposyntaasikompleksin ACP-osaan ja alkaa sen kondensoitumisesta butyryyliryhmän kanssa, joka muodostuu ensimmäisessä synteesisyklissä.
Palmitaatin rakenne (Lähde: Edgar181 / Public domain, Wikimedia Commonsin kautta)
Jokaisessa pidennysvaiheessa ketjua kasvatetaan kahdella hiiliatomilla uutta malonyyli-CoA-molekyyliä ja näitä reaktioita toistetaan, kunnes oikea pituus (16 hiiliatomia) on saavutettu, minkä jälkeen tioesteraasientsyymi vapauttaa täydellinen rasvahappo hydratoimalla.
Palmitaattia voidaan edelleen prosessoida erityyppisillä entsyymeillä, jotka muuttavat sen kemiallisia ominaisuuksia, ts. Ne voivat tuottaa tyydyttymättömyyttä, pidentää sen pituutta jne.
Säätö
Kuten monet biosynteesi- tai hajoamisreitit, myös rasvahappojen synteesiä säätelevät eri tekijät:
- Se riippuu bikarbonaatti-ionien (HCO3-), B-vitamiinin (biotiini) ja asetyyli-CoA: sta (polun alkuvaiheessa, johon sisältyy asetyyli-CoA-molekyylin karboksylointi karboksyloidun välituotteen avulla) biotiinin muodostamiseksi malonyyli-CoA).
- Se on polku, joka tapahtuu vastauksena solun energiaominaisuuksiin, koska kun "aineenvaihduntapolttoainetta" on riittävä määrä, ylimäärä muuttuu rasvahapoiksi, jotka varastoidaan myöhempää hapettumista varten energiavajeaikoina.
Asetyyli-CoA-karboksylaasi-entsyymin säätelyn kannalta, joka edustaa koko reitin rajoittavaa vaihetta, palmitoyyli-CoA estää sitä, synteesin päätuote.
Sen allosteerinen aktivaattori puolestaan on sitraatti, joka ohjaa metabolian hapettumisesta synteesiin varastointia varten.
Kun mitokondriaaliset asetyyli-CoA- ja ATP-pitoisuudet kasvavat, sitraatti kuljetetaan sytosoliin, missä se on sekä sytosolisen asetyyli-CoA-synteesin edeltäjä että allosteerinen aktivointisignaali asetyyli-CoA-karboksylaasille.
Tätä entsyymiä voidaan säädellä myös fosforylaatiolla, tapahtuman, jonka laukaisee glukagonin ja epinefriinin hormonaalinen vaikutus.
Viitteet
- McGenity, T., Van Der Meer, JR, ja de Lorenzo, V. (2010). Hiilivety- ja lipidimikrobiologian käsikirja (s. 4716). KN Timmis (toim.). Berliini: Springer.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA, ja Rodwell, VW (2014). Harperin havainnollistettu biokemia. McGraw-Hill.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Biokemian Lehninger-periaatteet (s. 71-85). New York: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Rasvahappojen metabolia ja sen säätely. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Biokemian kansainvälinen painos. Pohjois-Carolina: Neil Patterson Publishers, 5.