Die Synthese von Fettsäuren ist der Prozess, durch den die grundlegenden Komponenten der wichtigsten Lipide in Zellen (Fettsäuren) hergestellt werden, die an vielen sehr wichtigen Zellfunktionen beteiligt sind.
Fettsäuren sind aliphatische Moleküle, dh sie bestehen im wesentlichen aus mehr oder weniger linear aneinander gebundenen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen. Sie haben an einem Ende eine Methylgruppe und am anderen eine saure Carbonsäuregruppe, für die sie "Fettsäuren" genannt werden.
Zusammenfassung der Fettsäuresynthese (Quelle: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) über Wikimedia Commons)
Lipide sind Moleküle, die von verschiedenen zellulären Biosynthesesystemen zur Bildung anderer komplexerer Moleküle verwendet werden, wie z.
- Membranphospholipide
- Triglyceride zur Energiespeicherung und
- die Anker einiger spezieller Moleküle, die sich auf der Oberfläche vieler Zelltypen befinden (eukaryotisch und prokaryotisch)
Diese Verbindungen können als lineare Moleküle existieren (wobei alle Kohlenstoffatome mit Wasserstoffmolekülen gesättigt sind), aber auch solche mit einer geraden Kette und einigen Sättigungen können beobachtet werden, dh mit Doppelbindungen zwischen ihren Kohlenstoffatomen.
Gesättigte Fettsäuren finden sich auch mit verzweigten Ketten, deren Struktur etwas komplexer ist.
Die molekularen Eigenschaften von Fettsäuren sind für ihre Funktion entscheidend, da viele der physikochemischen Eigenschaften der von ihnen gebildeten Moleküle von ihnen abhängen, insbesondere von ihrem Schmelzpunkt, ihrem Verpackungsgrad und ihrer Fähigkeit zur Bildung von Doppelschichten.
Daher ist die Synthese von Fettsäuren eine stark regulierte Angelegenheit, da es sich um eine Reihe von aufeinanderfolgenden Ereignissen handelt, die aus vielen Gesichtspunkten für die Zelle kritisch sind.
Wo findet die Fettsäuresynthese statt?
In den meisten lebenden Organismen findet die Synthese von Fettsäuren im cytosolischen Kompartiment statt, während ihr Abbau hauptsächlich zwischen dem Cytosol und den Mitochondrien stattfindet.
Der Prozess hängt von der in den ATP-Bindungen enthaltenen Energie, der Reduktionskraft von NADPH (normalerweise aus dem Pentosephosphatweg abgeleitet), dem Biotin-Cofaktor, Bicarbonationen (HCO3-) und Manganionen ab.
Bei Säugetieren sind die Hauptorgane für die Synthese von Fettsäuren Leber, Nieren, Gehirn, Lunge, Brustdrüsen und Fettgewebe.
Das unmittelbare Substrat für die De-novo-Synthese von Fettsäuren ist Acetyl-CoA und das Endprodukt ist ein Palmitatmolekül.
Acetyl-CoA stammt direkt aus der Verarbeitung von glykolytischen Zwischenprodukten, weshalb eine kohlenhydratreiche Ernährung die Synthese von Lipiden (Lipogenese) ergo, auch von Fettsäuren, fördert.
Beteiligte Enzyme
Acetyl-CoA ist der Zwei-Kohlenstoff-Syntheseblock, der zur Bildung von Fettsäuren verwendet wird, da mehrere dieser Moleküle nacheinander mit einem Malonyl-CoA-Molekül verbunden sind, das durch Carboxylierung eines Acetyl-CoA gebildet wird.
Das erste Enzym auf dem Weg und eines der wichtigsten im Hinblick auf seine Regulation ist dasjenige, das für die Carboxylierung von Acetyl-CoA verantwortlich ist, bekannt als Acetyl-CoA-Carboxylase (ACC), die ein Komplex ist Eine enzymatische Verbindung, die aus 4 Proteinen besteht und Biotin als Cofaktor verwendet.
Trotz der strukturellen Unterschiede zwischen den verschiedenen Spezies ist das Enzym Fettsäuresynthase für die wichtigsten Biosynthesereaktionen verantwortlich.
Dieses Enzym ist in Wirklichkeit ein Enzymkomplex, der aus Monomeren besteht, die die 7 verschiedenen enzymatischen Aktivitäten aufweisen, die für die Verlängerung der Fettsäure bei "Geburt" notwendig sind.
Die 7 Aktivitäten dieses Enzyms können wie folgt aufgelistet werden:
- ACP : Acylgruppenträgerprotein
- Acetyl-CoA-ACP-Transacetylase (AT)
- β-Ketoacyl-ACP-Synthase (KS)
- Malonyl-CoA-ACP-Transferase (MT)
- β-Ketoacyl-ACP-Reduktase (KR)
- β-Hydroxyacyl-ACP-Dehydratase (HD)
- Enoyl-ACP-Reduktase (ER)
In einigen Organismen wie zum Beispiel Bakterien besteht der Fettsäuresynthasekomplex aus unabhängigen Proteinen, die miteinander assoziieren, aber von verschiedenen Genen codiert werden (Typ-II-Fettsäuresynthase-System).
Hefefettsäuresynthaseenzym (Quelle: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / gemeinfrei, über Wikimedia Commons)
In vielen Eukaryoten und einigen Bakterien enthält das Multienzym jedoch mehrere katalytische Aktivitäten, die in einem oder mehreren Polypeptiden in verschiedene funktionelle Domänen unterteilt sind, aber von demselben Gen (Typ I-Fettsäuresynthase-System) codiert werden können.
Stadien und Reaktionen
Die meisten Studien zur Synthese von Fettsäuren beziehen sich auf die Ergebnisse des Bakterienmodells. Die Synthesemechanismen eukaryotischer Organismen wurden jedoch auch eingehend untersucht.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass das Fettsäuresynthase-System vom Typ II dadurch gekennzeichnet ist, dass alle Fettacyl-Zwischenprodukte kovalent an ein kleines saures Protein gebunden sind, das als Acyltransporterprotein (ACP) bekannt ist und diese von einem Enzym zum nächsten transportiert.
Im Gegensatz dazu ist bei Eukaryoten die ACP-Aktivität Teil desselben Moleküls, wobei zu verstehen ist, dass dasselbe Enzym eine spezielle Stelle für die Bindung von Zwischenprodukten und deren Transport durch die verschiedenen katalytischen Domänen aufweist.
Die Vereinigung zwischen dem Protein oder dem ACP-Teil und den Fettacylgruppen erfolgt durch Thioesterbindungen zwischen diesen Molekülen und der prothetischen Gruppe 4'-Phosphopantethein (Pantothensäure) des ACP, die mit der Carboxylgruppe des Fettacyls fusioniert ist.
- Anfänglich ist das Enzym Acetyl-CoA-Carboxylase (ACC) für die Katalyse des ersten Schritts der "Bindung" bei der Synthese von Fettsäuren verantwortlich, bei dem, wie erwähnt, ein Acetyl-CoA-Molekül zur Bildung des Zwischenprodukts von 3 carboxyliert wird Kohlenstoffatome, bekannt als Malonyl-CoA.
Der Fettsäuresynthasekomplex erhält die Acetyl- und Malonylgruppen, die die "Thiol" -Stellen korrekt "ausfüllen" müssen.
Dies geschieht zunächst durch die Übertragung von Acetyl-CoA auf die SH-Gruppe von Cystein im Enzym β-Ketoacyl-ACP-Synthase, einer durch Acetyl-CoA-ACP-Transacetylase katalysierten Reaktion.
Die Malonylgruppe wird von der Malonyl-CoA auf die SH-Gruppe des ACP-Proteins übertragen, ein Ereignis, das durch das Malonyl-CoA-ACP-Transferaseenzym vermittelt wird und Malonyl-ACP bildet.
- Der Schritt der Initiierung der Verlängerung der Fettsäure bei der Geburt besteht in der Kondensation von Malonyl-ACP mit einem Acetyl-CoA-Molekül, einer Reaktion, die von einem Enzym mit β-Ketoacyl-ACP-Synthase-Aktivität gesteuert wird. Bei dieser Reaktion wird dann Acetoacetyl-ACP gebildet und ein CO2-Molekül freigesetzt.
- Elongationsreaktionen treten in Zyklen auf, in denen jeweils 2 Kohlenstoffatome hinzugefügt werden, wobei jeder Zyklus aus einer Kondensation, einer Reduktion, einer Dehydratisierung und einem zweiten Reduktionsereignis besteht:
- Kondensation: Acetyl- und Malonylgruppen kondensieren unter Bildung von Acetoacetyl-ACP
- Reduktion der Carbonylgruppe: Die Carbonylgruppe von Kohlenstoff 3 von Acetoacetyl-ACP wird reduziert und bildet D-β-Hydroxybutyryl-ACP, eine durch β-Ketoacyl-ACP-Reduktase katalysierte Reaktion, die NADPH als Elektronendonor verwendet.
- Dehydratisierung: Die Wasserstoffatome zwischen den Kohlenstoffen 2 und 3 des vorherigen Moleküls werden entfernt und bilden eine Doppelbindung, die mit der Produktion von trans -∆2-Butenoyl-ACP endet. Die Reaktion wird durch β-Hydroxyacyl-ACP-Dehydratase katalysiert.
- Reduktion der Doppelbindung: Die trans-del2-Butenoyl-ACP-Doppelbindung wird durch die Wirkung der Enoyl-ACP-Reduktase, die auch NADPH als Reduktionsmittel verwendet, zu Butyryl-ACP reduziert.
Um die Verlängerung fortzusetzen, muss ein neues Malonylmolekül wieder an den ACP-Teil des Fettsäuresynthasekomplexes binden und beginnt mit dessen Kondensation mit der im ersten Synthesezyklus gebildeten Butyrylgruppe.
Struktur von Palmitat (Quelle: Edgar181 / Public Domain, über Wikimedia Commons)
Bei jedem Elongationsschritt wird ein neues Malonyl-CoA-Molekül verwendet, um die Kette auf 2 Kohlenstoffatome zu züchten, und diese Reaktionen werden wiederholt, bis die richtige Länge (16 Kohlenstoffatome) erreicht ist, wonach ein Thioesteraseenzym freigesetzt wird die komplette Fettsäure durch Hydratation.
Palmitat kann durch verschiedene Arten von Enzymen weiterverarbeitet werden, die seine chemischen Eigenschaften verändern, dh sie können Ungesättigtheiten verursachen, seine Länge verlängern usw.
Verordnung
Wie viele Biosynthese- oder Abbauwege wird die Fettsäuresynthese durch verschiedene Faktoren reguliert:
- Abhängig von der Anwesenheit von Bicarbonationen (HCO3-), Vitamin B (Biotin) und Acetyl-CoA (während des ersten Schritts des Weges, bei dem ein Acetyl-CoA-Molekül mittels eines carboxylierten Zwischenprodukts carboxyliert wird von Biotin zur Bildung von Malonyl-CoA).
- Es ist ein Weg, der als Reaktion auf zelluläre Energieeigenschaften auftritt, denn wenn eine ausreichende Menge an "Stoffwechselbrennstoff" vorhanden ist, wird der Überschuss in Fettsäuren umgewandelt, die für die nachfolgende Oxidation in Zeiten eines Energiedefizits gespeichert werden.
In Bezug auf die Regulation des Enzyms Acetyl-CoA-Carboxylase, das den limitierenden Schritt des gesamten Weges darstellt, wird es durch Palmitoyl-CoA, das Hauptprodukt der Synthese, inhibiert.
Sein allosterischer Aktivator ist dagegen Citrat, das den Stoffwechsel von der Oxidation zur Synthese zur Lagerung lenkt.
Wenn die mitochondrialen Acetyl-CoA- und ATP-Konzentrationen ansteigen, wird Citrat in das Cytosol transportiert, wo es sowohl ein Vorläufer für die cytosolische Acetyl-CoA-Synthese als auch ein allosterisches Aktivierungssignal für die Acetyl-CoA-Carboxylase ist.
Dieses Enzym kann auch durch Phosphorylierung reguliert werden, ein Ereignis, das durch die hormonelle Wirkung von Glucagon und Adrenalin ausgelöst wird.
Verweise
- McGenity, T., Van Der Meer, JR & de Lorenzo, V. (2010). Handbuch der Kohlenwasserstoff- und Lipidmikrobiologie (S. 4716). KN Timmis (Hrsg.). Berlin: Springer.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA und Rodwell, VW (2014). Harpers illustrierte Biochemie. Mcgraw-Hügel.
- Nelson, DL & Cox, MM (2009). Lehninger-Prinzipien der Biochemie (S. 71-85). New York: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Fettsäurestoffwechsel und seine Regulation. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Biochemistry-International Edition. North Carolina: Neil Patterson Publishers, 5.