Biosyntéza mastných kyselin je biochemická cesta pro syntézu mastných kyselin buňkou z prekurzorů acetyl-CoA a NADPH působením enzymů nazývaných syntáza mastných kyselin . Tento proces probíhá v cytoplazmě buňky . Většina acetyl-CoA, který se přeměňuje na mastné kyseliny, se získává ze sacharidů během glykolýzy . Glycerol se také tvoří v glykolytické dráze, ke které mohou být spojeny tři zbytky mastných kyselin (prostřednictvím esterových vazeb ) za vzniku triglyceridů (také známých jako "triacylglyceroly" - nebo jednoduše "tuk", pojmenované pro jejich odlišení od "mastných kyselin") , konečný produkt procesu lipogeneze . Pokud se pouze dva zbytky mastných kyselin spojí s glycerolem a třetí alkoholová skupina se fosforyluje, například fosfatidylcholinem , vytvoří se fosfolipidy . Fosfolipidy tvoří lipidové dvojvrstvy , které tvoří většinu buněčných membrán a membrán intracelulárních organel (např. buněčné jádro , mitochondrie , endoplazmatické retikulum , Golgiho aparát atd.)
Existují dva typy nerozvětvených mastných kyselin: nasycené a nenasycené.
Podobně jako u β-oxidace dochází k syntéze mastných kyselin s přímým řetězcem pomocí šesti níže uvedených iterativních reakcí, dokud nevznikne kyselina palmitová C16 [1] [2] . Po sedmi cyklech kondenzace-redukce vzniká palmitát, působením thioesterázy se odštěpuje od proteinu nesoucího acyl a opouští cyklus.
Celkovou reakci lze napsat takto:
8 Acetyl-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H + → palmitát + 8 CoA + 7 ADP + 7 P n + 14 NADP + + 6 H 2 OPrezentované diagramy ukazují, jak probíhá biosyntéza mastných kyselin v mikroorganismech a seznam enzymů nalezených v Escherichia coli [1] . Tyto reakce jsou prováděny syntázou mastných kyselin II (FAS II), což je obvykle multienzymový komplex . FAS II se nachází v prokaryotech , rostlinách, parazitických organismech a také v mitochondriích obratlovců [3] . Meziprodukty biosyntézy se mohou podílet na dalších reakcích buněčného metabolismu, například při syntéze kyseliny lipoové. Na rozdíl od FAS I tvoří FAS II nenasycené rozvětvené mastné kyseliny a hydroxykyseliny.
U zvířat, stejně jako u některých hub, jako jsou kvasinky, jsou stejné reakce katalyzovány syntázou mastných kyselin I (FAS I), velkým proteinem se dvěma podjednotkami, který má všechny enzymatické aktivity potřebné pro syntézu mastných kyselin. Při syntéze mastných kyselin dochází k tvorbě jediného produktu bez uvolňování meziproduktů. Meziprodukty jsou kovalentně vázány thioetherovou vazbou na enzymatický komplex až do konečného stupně. FAS I je méně účinný než FAS II; umožňuje však tvorbu více molekul, včetně mastných kyselin se „středním řetězcem“, ukončením prodlužování řetězce v rané fázi syntézy [3] .
Po vzniku mastné kyseliny - palmitové (16:0) dochází k řadě jejích modifikací vedoucích k desaturaci a/nebo elongaci. Elongace, počínaje stearátem (18:0), se provádí především v endoplazmatickém retikulu pomocí membránově vázaných enzymů. Enzymatické reakce během procesu prodlužování jsou obecně stejné jako u FAS, ale čtyři hlavní postupné kroky prodlužování jsou prováděny jednotlivými proteiny, které mohou být navzájem fyzicky spojeny [4] [5] .
| Etapa | Enzym | Reakce | Popis |
|---|---|---|---|
| (A) | Acetyl-CoA: protein-transacyláza nesoucí acyl | Aktivace acetyl-CoA k reakci s malonyl-ACP | |
| (b) | Malonyl-CoA: acyl-nesoucí protein transacetyláza | Aktivace malonyl-CoA k reakci s acetyl-ACP | |
| (C) | 3-ketoacyl-acyl-transportní protein syntáza | Reakce acylové skupiny vázané na ACP s malonyl-ACP prodlužujícím řetězec | |
| (d) | 3-ketoacyl-acyl-nesoucí protein reduktáza | Obnovuje ketoskupinu 3. atomu uhlíku na hydroxylovou skupinu | |
| (E) | 3-hydroxyacyl-acyl-nesoucí protein dehydratáza | Eliminace vody | |
| (F) | Enoyl acyl transfer protein reduktáza | Obnova dvojné vazby mezi atomy C2-C3. | |
| Označení: ACP - Acyl-nosný protein , CoA - Koenzym A , NADP - Nikotinamid adenindinukleotid fosfát . | |||
Všimněte si, že NADPH je redukční činidlo během syntézy mastných kyselin , zatímco NAD je oxidační činidlo v beta-oxidačních reakcích (rozklad mastných kyselin na acetyl-CoA). Tento rozdíl ilustruje obecný princip, že NADPH se spotřebovává během biosyntetických reakcí, zatímco NADH vzniká při oxidačních reakcích uvolňujících energii. [6] . Podobně je NADPH nutný pro syntézu cholesterolu z acetyl-CoA; zatímco NADH vzniká při oxidaci glukózy .) Existují dva hlavní zdroje NADPH. První je, když je malát oxidativně dekarboxylován „jablečným enzymem závislým na NADP + “ za vzniku pyruvátu , CO2 a NADPH . NADPH se také tvoří v pentózofosfátové dráze, která přeměňuje glukózu na ribózu, která může být použita při syntéze nukleotidů a nukleových kyselin nebo může být katabolizována na pyruvát [6] .
U lidí se mastné kyseliny tvoří ze sacharidů převážně v játrech a tukové tkáni a také v mléčných žlázách během laktace.
Pyruvát, vznikající při glykolýze, je důležitým meziproduktem při přeměně sacharidů na mastné kyseliny a cholesterol [6] . Počáteční fáze přeměny pyruvátu na acetyl-CoA probíhá v mitochondriích. Tento acetyl-CoA však musí být transportován do cytosolu, kde probíhají reakce syntézy mastných kyselin a cholesterolu. To se nemůže stát přímo, protože vnitřní mitochondriální membrána je pro acetyl-CoA nepropustná. Pro transport do cytosolu reaguje acetyl-CoA s oxaloacetátem za vzniku citrátu. Takto vzniklý citrát v Krebsově cyklu opouští cyklus a je transportován membránovým nosičem přes mitochondriální membránu do cytosolu [6] . Tam je štěpen ATP-citrátlyázouna acetyl-CoA a oxaloacetát. Oxalacetát může být použit pro glukoneogenezi (v játrech), nebo může být vrácen do mitochondrií jako malát [7] . Cytosolický acetyl-CoA je karboxylován acetyl-CoA karboxylázou na malonyl-CoA , což je první kritický krok v biosyntéze mastných kyselin [7] [8] .
Hlavním zdrojem energie a rezervní látkou u zvířat je tuk. Průměrný tuk u mladého dospělého člověka je asi 15-20 kg, ale to silně závisí na věku. Pohlaví a individuální charakteristiky [9] . Naproti tomu lidské tělo uchovává pouze asi 400 g glykogenu , z toho 300 g je uloženo v kosterním svalstvu a není tělu jako celku k dispozici. Zbývajících přibližně 100 g glykogenu uloženého v játrech se vyčerpá během jednoho dne hladovění [10] . Poté musí být glukóza, která se dostala do krve z jater pro všeobecné využití tělesnými tkáněmi, syntetizována z glukogenních aminokyselin a některých dalších glukogenních substrátů , mezi které nepatří mastné kyseliny [11] .
K rozkladu mastných kyselin na acetyl-CoA během beta-oxidace dochází uvnitř mitochondrií, zatímco k jejich syntéze z acetyl-CoA dochází v cytosolu. Tyto dvě dráhy se liší nejen místem své lokalizace, ale také probíhajícími reakcemi a použitými substráty a koenzymy. Tyto dvě dráhy se vzájemně inhibují a brání acetyl-CoA generovanému beta-oxidací ve vstupu do syntézní dráhy prostřednictvím reakce prováděné acetyl-CoA karboxylázou [11] . Také nemůže být přeměněn na pyruvát , protože dekarboxylační reakce pyruvátu je nevratná [10] . Místo toho kondenzuje s oxaloacetátem za vzniku citrátu, který vstupuje do cyklu trikarboxylové kyseliny . S každým otočením cyklu dva atomy uhlíku opouštějí cyklus jako CO 2 v dekarboxylačních reakcích katalyzovaných isocitrát dehydrogenázou a alfa-ketoglutarát dehydrogenázou . Každá otáčka cyklu kyseliny citrónové tedy oxiduje jednotku acetyl-CoA a současně regeneruje molekulu oxaloacetátu, se kterou se acetyl-CoA původně spojil za vzniku kyseliny citrónové . Před vznikem malátu v cyklu dochází k dekarboxylačním reakcím . Malát je jedinou látkou, která je schopna opustit mitochondrie, aby vstoupila do dráhy glukoneogeneze s tvorbou glukózy nebo glykogenu v játrech nebo jakékoli jiné tkáni [11] . Proto nemůže dojít k přeměně mastných kyselin na glukózu.
Pouze rostliny mají enzymy pro přeměnu acetyl-CoA na oxaloacetát, ze kterého může vzniknout malát, který se nakonec přemění na glukózu [11] .
Nařízení
Acetyl-CoA je konvertován na malonyl-CoA acetyl-CoA karboxylázou , odkud je malonyl-CoA předurčen k zahrnutí do dráhy syntézy mastných kyselin. Acetyl-CoA karboxyláza je místem regulace pro syntézu nasycených mastných kyselin s přímým řetězcem a podléhá jak fosforylaci , tak alosterické regulaci . K fosforylaci dochází hlavně u savců, zatímco alosterická regulace se vyskytuje u jiných organismů. Allosterická kontrola se provádí zpětnovazební inhibicí palmitoyl-CoA a aktivací citrátem. Při vysokých hladinách palmitoyl-CoA, konečného produktu syntézy nasycených mastných kyselin, allostericky inaktivuje acetyl-CoA karboxylázu, která zabraňuje hromadění mastných kyselin v buňkách. Citrát působí jako aktivátor acetyl-CoA karboxylázy ve vysokých koncentracích, protože vysoké hladiny naznačují, že je zde dostatek acetyl-CoA, aby vstoupil do cyklu kyseliny citrónové a uložil energii [12]
Vysoká hladina inzulinu v krevní plazmě (například po jídle) způsobuje defosforylaci acetyl-CoA karboxylázy, čímž přispívá k tvorbě malonyl-CoA z acetyl-CoA, a tím k přeměně sacharidů na mastné kyseliny, a adrenalin a glukagon (uvolňované do krve během půstu a cvičení) způsobují fosforylaci tohoto enzymu, inhibují lipogenezi a stimulují beta-oxidaci mastných kyselin [6] [8] .
Mnoho bakterií využívá anaerobní cestu k syntéze nenasycených mastných kyselin. Reakce v této dráze nevyužívají kyslík a využívají enzymy vkládající dvojnou vazbu před prodloužením uhlíkového skeletu mastné kyseliny, jinak využívají normální mechanismus syntézy mastných kyselin. U Escherichia coli je tato cesta dobře známa.
Většina bakterií, které provádějí anaerobní desaturační reakce, obsahuje homology FabA a FabB [15] . Klostridie jsou hlavní výjimkou. Mají nový enzym, který katalyzuje tvorbu dvojné cis vazby, který dosud nebyl identifikován [14] .
NařízeníTato dráha podléhá transkripční regulaci pomocí FadRa FabR. FadR je více studovaný protein, kterému jsou přisuzovány dvě funkce najednou. Působí jako transkripční aktivátor fabA a fabB a jako regulonový represor . a jsou zodpovědné za β-oxidaci. Naproti tomu FabR působí jako transkripční represor fabA a fabB [13] .
Aerobní desaturaceAerobní desaturace je nejběžnější cestou syntézy nenasycených mastných kyselin. Používají ho všechna eukaryota a některá prokaryota. Desaturázy se používají v reakcích pro syntézu nenasycených mastných kyselin z nasycených mastných kyselin v plné délce v této cestě .[16] . Všechny desaturázy vyžadují kyslík a nakonec spotřebovávají NADH, ačkoli desaturace je oxidační proces. Desaturázy specificky zavádějí dvojnou vazbu na specifické místo v substrátu. U Bacillus subtilis je desaturáza, Δ 5 -Des, specifická pro vložení cis-dvojné vazby na pozici Δ 5 [7] [16] . Saccharomyces cerevisiae obsahuje jednu desaturázu, Ole1p, která zavádí cis dvojnou vazbu na Δ 9 . [7] .
NařízeníU B. subtilis je tato dráha regulována dvousložkovým systémem : membránově vázanou kinázou DesK a transkripčním regulátorem DesR odpovědným za expresi genu des [7] [16] . Výraz je závislý na teplotě. Při poklesu teploty se tento gen aktivuje. Nenasycené mastné kyseliny zvyšují fluiditu membrány a stabilizují ji při nižších teplotách. DesK je senzorový protein, který autofosforyluje při snížení teploty. DesK-P poté přenese fosforylovou skupinu na DesR. Dvě molekuly proteinu DesR-P dimerizují a vážou se na promotory DNA genu des a podporují vazbu RNA polymerázy k zahájení transkripce [7] [16] .
Anaerobní a aerobní syntéza nenasycených mastných kyselin zpravidla neprobíhá současně ve stejném organismu, nicméně Pseudomonas aeruginosa a Vibrio ABE-1 slouží jako výjimky z pravidla [17] [18] [19] . Přestože P. aeruginosa primárně využívá anaerobní desaturační reakce, má také dvě aerobní dráhy. Jedna cesta využívá A 9 -desaturázu (DesA), která katalyzuje tvorbu dvojné vazby v membránových lipidech. Další cesta využívá dva proteiny, DesC a DesB, které společně působí jako A 9 -desaturáza, která vkládá dvojnou vazbu do zbytku nasycené kyseliny v molekule acyl-CoA. Tato druhá dráha je regulována represorovým proteinem DesT. DesT také snižuje expresi fabAB během anaerobní desaturace v přítomnosti exogenních nenasycených mastných kyselin. Tato funkce zajišťuje koordinaci exprese dvou drah v buňce [18] [20] . U savců je aerobní desaturace katalyzována komplexem tří membránově vázaných enzymů ( NADH-cytochrom b 5 reduktáza, cytochrom b 5 a desaturáza ). Tyto enzymy umožňují molekulárnímu kyslíku, O 2 , interagovat se zbytkem nasycené mastné kyseliny v molekule acyl-CoA za vzniku dvojné vazby a dvou molekul vody, H 2 O. Dva elektrony dodává NADH + H + a dva jsou odebírány z jednoduché vazby mastného řetězce.kyseliny [6] . Desaturázy savců však nejsou schopny vytvořit dvojné vazby na uhlíku za C9 v řetězci mastných kyselin [nb 1] .) Z tohoto důvodu savci nemohou syntetizovat ani linoleát , ani linolenát (který má dvojnou vazbu v poloze C-12 (= ∆ 12 ) nebo C-12 a C-15 (= A 12 a A 15 ), v daném pořadí, stejně jako v poloze A9 ) , ani polynenasycená 20-uhlíková kyselina arachidonová , derivát linoleátu. Všechny se nazývají esenciální mastné kyseliny , což znamená, že je tělo vyžaduje, ale mohou pocházet pouze z potravy. Kyselina arachidonová je prekurzorem prostaglandinů , které mají širokou škálu funkcí jako lokální hormony[6] .
Mastné kyseliny s lichým řetězcem(OCFA) jsou ty mastné kyseliny , které obsahují ve své molekule lichý počet atomů uhlíku. Nejběžnějšími OCFA jsou nasycené deriváty C15 a C17, respektive kyselina pentadekanová a kyselina margarová [21] . Syntéza mastných kyselin se sudým řetězcem se provádí sestavením z dvouuhlíkových jednotek acetyl-CoA. Při použití jako primer pro biosyntézu propionyl-CoAmísto acetyl-CoA se získávají mastné kyseliny s dlouhým řetězcem s lichým počtem atomů uhlíku [22] .
Mastné kyseliny s rozvětveným řetězcem jsou obecně nasycené a jsou klasifikovány do dvou odlišných rodin: iso a anteiso rodiny. Bylo zjištěno , že aktinomycetaly mají jedinečné mechanismy pro syntézu mastných kyselin s rozvětveným řetězcem, včetně těch, které tvoří mykolové kyseliny .
Použití α-ketokyseliny jako zárodku je v kontrastu s cestami pro syntézu rozvětvených mastných kyselin, kde syntetáza používá jako zárodek estery acetyl-CoA s krátkým řetězcem [23] . Primery α-ketokyselin jsou odvozeny z transaminace a dekarboxylace valinu , leucinu , isoleucinu na 2-methylpropanyl-CoA, 3-methylbutyryl-CoA, respektive 2-methylbutyryl-CoA [24] . 2-methylpropanyl-CoA primer vytvořený z valinu po prodloužení dává vzniknout mastným kyselinám řady iso se sudým počtem atomů uhlíku, jako je kyselina 14-methylpentadekanová (isopalmitová). 3-methylbutyryl-CoA primer z leucinu může být použit ke generování isokyselin s lichým číslem, jako je kyselina 13-methyltetradekanová. Rozšířením semene 2-methylbutyryl-CoA z isoleucinu vznikají mastné kyseliny řady anteiso s lichým počtem atomů uhlíku, jako je kyselina 12-methyltetradekanová [25] . Dekarboxylace prekurzorů primerů je zprostředkována enzymem dekarboxylýzy α-ketokyseliny s rozvětveným řetězcem .(BCKA). K prodlužování skeletu mastných kyselin u Escherichia coli dochází stejným způsobem jako při syntéze mastných kyselin s přímým řetězcem, kdy je jako výchozí článek biosyntézy použit malonyl-CoA [26] . Hlavními konečnými produkty jsou mastné kyseliny s rozvětveným řetězcem, skládající se z 12–17 atomů uhlíku a jejich složení je konstantní a charakteristické pro mnoho druhů bakterií [25] .
Dekarboxylýza α-ketokyselin s rozvětveným řetězcem (BCKA) a její substrátová specifita pro α-ketokyseliny
Enzym BCKA dekarboxyláza se skládá ze dvou podjednotek tvořících tetramer (A 2 B 2 ) a je nezbytný pro syntézu mastných kyselin s rozvětveným řetězcem. Je zodpovědný za dekarboxylaci α-ketokyselin produkovaných deaminací valinu, leucinu a isoleucinu a produkuje molekuly semen používaných pro syntézu mastných kyselin s rozvětveným řetězcem. Aktivita tohoto enzymu je mnohem vyšší vůči α-ketokyselinovým substrátům s rozvětveným řetězcem než s přímým řetězcem a u druhů Bacillus je nejvyšší specificity dosaženo vůči isoleucinovému derivátu α-keto-β-methylvalerové kyselině, následované α-ketoisokaproátem. .a a-ketoisovalerát [25] [26] . Vysoká afinita enzymu k α-ketokyselinám s rozvětveným řetězcem mu umožňuje fungovat jako dodavatel molekul semen pro syntézu mastných kyselin s rozvětveným řetězcem [26] .
| Podklad | Aktivita dekarboxylázy BCKA | Emitovaný CO 2 (nmol/min mg) | km (μM) | Vmax (nmol/min mg) |
|---|---|---|---|---|
| L-a-keto-p-methyl-valeriát | 100 % | 19.7 | <1 | 17.8 |
| a-ketoizovalerát | 63 % | 12.4 | <1 | 13.3 |
| a-ketoisokaproát | 38 % | 7.4 | <1 | 5.6 |
| Pyruvát | 25 % | 4.9 | 51.1 | 15.2 |
Faktory ovlivňující délku a větvení řetězce
Primery a-ketokyselin se používají pro biosyntézu mastných kyselin s rozvětveným řetězcem, které mají typicky 12 až 17 atomů uhlíku. Poměr kyselin s rozvětveným řetězcem je konstantní a druhově specifický, ale může se měnit se změnami koncentrace malonyl-CoA, teploty nebo přítomnosti faktorů tepelné stability (HSF) [25] . Všechny tyto faktory mohou ovlivnit délku řetězce a bylo prokázáno, že HSF mění specificitu BCKA dekarboxylázy pro určité α-ketokyseliny, a tak mění poměr produkovaných mastných kyselin s rozvětveným řetězcem [25] . Bylo prokázáno, že zvýšení koncentrace malonyl-CoA vede ke zvýšení produkce C17 mastných kyselin, dokud není dosaženo optimální koncentrace (≈20μM) malonyl-CoA. Snížení teploty také mírně posouvá poměr mastných kyselin směrem ke kyselinám C17 u Bacillus species [23] [25] .
Systém syntézy mastných kyselin s rozvětveným řetězcem využívající estery KoATento systém funguje podobně jako systém syntézy BCFA využívající jako semena alfa-ketokyseliny, ale místo toho používá estery karboxylových kyselin s krátkým řetězcem s CoA jako semena. Tuto cestu využívají bakterie, které nejsou schopny využívat alfa-ketokyseliny. Typickými primery jsou izovalerát, isobutyrát a 2-methylbutyrát. Typicky, kyseliny potřebné pro tato semena pocházejí z prostředí; toto se často vyskytuje u bakterií žijících v bachoru [27] .
Celková reakce:
Izobutyryl-CoA + 6 malonyl-CoA + 12 NADPH + 12H + → kyselina isopalmitová + 6 CO 2 + 12 NADP + 5 H 2 O + 7 CoA [23]Rozdíl mezi lineárními a rozvětvenými syntázami mastných kyselin spočívá v substrátové specifitě enzymu, který katalyzuje reakci acyl-CoA s acyl-ACP [23] .
Omega-alicyklické mastné kyseliny obvykle obsahují omega-koncovou propylovou nebo butyrylovou cyklickou skupinu a patří mezi hlavní membránové mastné kyseliny vyskytující se u několika druhů bakterií. Synthetáza mastných kyselin používaná k výrobě omega-alicyklických mastných kyselin se také používá k výrobě mastných kyselin s rozvětveným řetězcem membrány. Bakterie s membránami složenými primárně z omega-alicyklických mastných kyselin mají mnohem více esterů cyklických karboxylových kyselin a CoA než primery s rozvětveným řetězcem [23] . Syntéza cyklických primerů není dobře pochopena, ale bylo navrženo, že mechanismus zahrnuje konverzi cukrů na kyselinu šikimovou , která se pak převede na estery kyseliny cyklohexylkarboxylové s CoA, které slouží jako primery pro syntézu omega-alicyklických mastných kyselin. kyseliny [27] .
Kyselina tuberkulostearová (kyselina 10-methylstearová) je nasycená mastná kyselina, o které je známo, že ji produkuje Mycobacterium spp. a dva druhy Streptomyces . Vzniká z prekurzoru kyseliny olejové (mononenasycená mastná kyselina [28] . Po esterifikaci kyseliny olejové na fosfolipid slouží S-adenosyl-methionin jako donor methylové skupiny pro dvojnou vazbu kyseliny olejové [29] . Tato methylační reakce tvoří meziprodukt 10-methylen-oktadekanoal Postupná redukce jeho NADPH jako koenzymu vede ke kyselině 10-methylstearové [24]
Polohy dvojných vazeb v řetězci mastných kyselin lze tedy označit dvěma způsoby, a to pomocí označení Cn nebo ω-n. V 18-uhlíkové mastné kyselině je tedy dvojná vazba mezi C-12 (nebo ω-7) a C-13 (nebo ω-6) uváděna buď jako Δ 12 , pokud se počítá od konce –COOH (pouze „ je uveden začátek"). dvojná vazba), nebo jako co-6 (nebo omega-6), když se počítá od konce -CH3 . "Δ" je řecké písmeno "delta", které se v latinské abecedě překládá jako "D" (anglicky D dvojná vazba, dvojná vazba). Omega (ω) je poslední písmeno řecké abecedy, a proto se používá k označení „posledního“ atomu uhlíku v uhlíkové kostře mastné kyseliny. Protože notace ω-n se používá téměř výhradně k označení polohy dvojných vazeb blízko konce -CH3 v esenciálních mastných kyselinách , není potřeba ekvivalentní nomenklatury podobné "Δ".