A zsírsavak szintézise az a folyamat, amellyel a sejtekben a legfontosabb lipidek (zsírsavak) alapvető alkotóelemei előállíthatók, amelyek számos nagyon fontos sejtfunkcióban részt vesznek.
A zsírsavak alifás molekulák, vagyis lényegében szén- és hidrogénatomokból állnak, amelyek többé-kevésbé lineáris módon kapcsolódnak egymáshoz. Az egyik végükben metilcsoport, a másikban savas karbonsavcsoport van, amelyre "zsírsavaknak" hívják őket.
A zsírsav-szintézis összefoglalása (Forrás: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) a Wikimedia Commons segítségével)
A lipidek olyan molekulák, amelyeket különböző sejtbioszintézis rendszerek használnak más összetettebb molekulák képzésére, például:
- membrán foszfolipidek
- trigliceridek energiatárolásra és
- néhány speciális molekula horgonyai, amelyek sokféle sejt (eukarióta és prokarióta) felszínén találhatók
Ezek a vegyületek lineáris molekulákként létezhetnek (az összes szénatomot hidrogénmolekulák telítik), de egyenes láncú és némi telítettségű vegyületek is megfigyelhetők, vagyis szénatomjaik kettős kötésével.
A telített zsírsavak elágazó láncokkal is megtalálhatók, amelyek szerkezete kissé összetettebb.
A zsírsavak molekuláris tulajdonságai kulcsfontosságúak működésükhöz, mivel a képződött molekulák sok fizikai-kémiai tulajdonsága tőlük függ, különös tekintettel olvadáspontjukra, csomagolásuk fokára és kétrétegek képződésének képességére.
Így a zsírsavak szintézise rendkívül szabályozott kérdés, mivel ez a sejt szempontjából számos szempontból kritikus események sorozata.
Hol történik a zsírsav-szintézis?
A legtöbb élő szervezetben a zsírsavak szintézise a citoszolos rekeszben zajlik, míg lebontásuk elsősorban a citoszol és a mitokondriumok között zajlik.
A folyamat az ATP-kötésekben levő energiától, a NADPH redukáló erejétől (általában a pentóz-foszfát útvonalon származik), a biotin kofaktoron, a hidrogén-karbonát-ionokon (HCO3-) és a mangán-ionokon múlik.
Emlős állatokban a zsírsavak szintézisének fő szervei a máj, a vesék, az agy, a tüdő, az emlőmirigyek és a zsírszövet.
A zsírsavak de novo szintézisének közvetlen szubsztrátja az acetil-CoA, és a végtermék egy palmitát molekulája.
Az acetil-CoA közvetlenül a glikolitikus intermedierek feldolgozásából származik, ezért egy magas szénhidráttartalmú étrend elősegíti az ergo lipidszintézisét (lipogenezis), valamint a zsírsavak szintézisét.
Az érintett enzimek
Az acetil-CoA a két szén szintézis blokk, amelyet zsírsavak képződéséhez használnak, mivel ezek közül a molekulák közül több egymás után kapcsolódik egy malonil-CoA molekulához, amelyet egy acetil-CoA karboxilezése képez.
Az útban levő első enzim, és szabályozásának szempontjából az egyik legfontosabb az acetil-CoA, az acetil-CoA-karboxiláz (ACC) néven ismert karboxilezéséért felelős, amely komplex Enzimatikus vegyület, amely 4 fehérjéből áll és biotint használ kofaktorként.
A fajok közötti szerkezeti különbségek ellenére azonban a zsírsav-szintáz enzim felelős a fő bioszintézis reakciókért.
Ez az enzim valójában egy enzimkomplex, amely olyan monomerekből áll, amelyek 7 különböző enzimatikus aktivitással rendelkeznek, amelyek a zsírsav meghosszabbításához szükségesek a "születéskor".
Ennek az enzimnek a 7 aktivitása az alábbiak szerint sorolható fel:
- ACP: acilcsoport hordozófehérje
- acetil-CoA-ACP transzcetiláz (AT)
- β-ketoacil-ACP szintáz (KS)
- Malonil-CoA-ACP transzferáz (MT)
- β-ketoacil-ACP reduktáz (KR)
- β-hidroxi-acil-ACP-dehidratáz (HD)
- Enoil-ACP reduktáz (ER)
Egyes szervezetekben, például baktériumokban a zsírsav-szintáz komplex független proteinekből áll, amelyek egymással asszociálódnak, de különböző gének kódolják (II. Típusú zsírsav-szintáz-rendszer).
Élesztő zsírsav-szintáz enzim (Forrás: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / Public domain, a Wikimedia Commons segítségével)
Ugyanakkor sok eukarióta és néhány baktérium esetében a multienzim számos olyan katalitikus aktivitást tartalmaz, amelyeket különféle funkcionális doménekre bontanak, egy vagy több polipeptidben, de ugyanazon gén kódolhatja (I. típusú zsírsav-szintáz-rendszer).
Szakaszok és reakciók
A zsírsav-szintézissel foglalkozó vizsgálatok többsége a baktériummodell eredményeivel foglalkozik, azonban az eukarióta organizmusok szintézisének mechanizmusait is részletesebben megvizsgálták.
Fontos megemlíteni, hogy a II. Típusú zsírsav-szintáz-rendszert az jellemzi, hogy az összes zsírsav-acil közbenső termék kovalensen kötődik egy kis savas fehérjéhez, amelyet acil transzporter fehérjének (ACP) neveznek, amely az egyik enzimről a másikra szállítja.
Az eukariótákban éppen ellenkezőleg, az ACP aktivitás ugyanazon molekula része, értve, hogy ugyanazon enzimnek van egy speciális helye az intermedierek kötődéséhez és szállításához a különböző katalitikus doménekön.
A protein vagy az ACP-rész és a zsírsav-acil-csoportok közötti unió ezen molekulák és a protéziscsoport 4'-foszfo-pantetein (pantoténsav) protéziscsoportjai közötti tioészter-kötés révén jön létre, amely fuzionálva van a zsírsav-acil karboxilcsoportjával.
- Kezdetben az acetil-CoA-karboxiláz (ACC) enzim felelős a zsírsavak szintézisében az „elkötelezettség” első lépésének katalizálásáért, amely - amint már említettük - egy acetil-CoA molekula karboxilezésével jár, és így 3 szénatomok, amelyeket malonil-CoA néven ismertek.
A zsírsav-szintáz komplex átveszi az acetil- és malonilcsoportokat, amelyeknek helyesen kell kitölteniük a „tiol” helyeit.
Ez kezdetben az acetil-CoA átvitele a cisztein SH csoportjába a β-ketoacil-ACP szintézis enzimben, amelyet egy acetil-CoA-ACP transzcetiláz katalizál.
A malonilcsoport átkerül a malonil-CoA-ból az ACP fehérje SH csoportjába, amely esemény a malonil-CoA-ACP transzferáz enzim által közvetített esemény, amely malonil-ACP-t képez.
- A születéskor a zsírsav-megnyúlás megindításának lépése a malonil-ACP egy acetil-CoA-molekulával történő kondenzációja, amely egy enzim által a β-ketoacil-ACP szintáz aktivitással bíró reakció. Ebben a reakcióban az acetoacetil-ACP képződik, és egy CO2 molekula felszabadul.
- A megnyúlási reakciók olyan ciklusokban fordulnak elő, amikor egyszerre 2 szénatomot adnak hozzá, amelyekben minden ciklus kondenzációból, redukcióból, dehidrációból és egy második redukciós eseményből áll:
- Kondenzáció: az acetil- és malonilcsoportok kondenzálódnak, és acetoacetil-ACP-ként képződnek
- A karbonilcsoport redukciója: az acetoacetil-ACP szén-karbonil-csoportja redukálódik, D-β-hidroxi-butiril-ACP-t képezve, β-ketoacil-ACP-reduktáz által katalizált reakcióként, amely NADPH-t elektron donorként alkalmaz.
- Dehidráció: az előző molekula 2. és 3. szénatomja közötti hidrogéneket eltávolítják, és kettős kötést képeznek, amely a transz-2-butenoil-ACP előállításával zárul le. A reakciót β-hidroxi-acil-ACP-dehidratáz katalizálja.
- Kettős kötés redukció: a transz-del2-butenoil-ACP kettős kötés redukálódik butiril-ACP-ként enoil-ACP reduktáz hatására, amely redukálószerként a NADPH-t is használja.
A meghosszabbítás folytatása érdekében egy új malonilmolekulának újra kötődnie kell a zsírsav-szintáz komplex ACP-részéhez, és azzal kezdődik, hogy kondenzálódik az első szintézis ciklusban képződött butirilcsoporttal.
A palmitát felépítése (Forrás: Edgar181 / Public domain, a Wikimedia Commonson keresztül)
Minden meghosszabbítási lépésnél egy új malonil-CoA-molekulát alkalmazunk a lánc 2 szénatomra történő növesztésére, és ezeket a reakciókat addig ismételjük, amíg a megfelelő hosszúságot (16 szénatomot) el nem érjük, miután egy tioészteráz enzim felszabadul a teljes zsírsav hidratálás útján.
A palmitát különféle típusú enzimekkel tovább feldolgozható, amelyek módosítják annak kémiai tulajdonságait, azaz telítetlenségeket vezethetnek be, meghosszabbíthatják hosszukat stb.
Szabályozás
Mint sok bioszintézis vagy lebomlás útja, a zsírsav szintézist különböző tényezők szabályozzák:
- Ez a hidrogénkarbonát-ionok (HCO3-), B-vitamin (biotin) és az acetil-CoA jelenlététől függ (az út kezdeti lépése során, amely egy acetil-CoA molekula karboxilezésével jár egy karboxilezett közbenső termék segítségével) biotinből malonil-CoA képződik).
- Ez egy olyan út, amely a sejtek energiajellemzőire adott válaszként alakul ki, mert ha elegendő mennyiségű "anyagcsere-üzemanyag" van, a felesleg zsírsavakká alakul át, amelyeket az energiahiány idején tárolnak a későbbi oxidációhoz.
Az acetil-CoA-karboxiláz enzim szabályozása szempontjából, amely a teljes útvonal korlátozó lépését képviseli, gátolja a palmitoil-CoA, a szintézis fő terméke.
Alloszterikus aktivátora másrészt a citrát, amely az anyagcserét az oxidációtól a szintézisig tartja a tárolás céljából.
Amikor az acetil-CoA és az ATP mitokondriális koncentrációja növekszik, a citrát a citoszolba szállul, ahol az acetil-CoA citoszolos szintézisének előfutára és az acetil-CoA karboxiláz alloszterikus aktivációs jele.
Ez az enzim foszforilációval is szabályozható, ezt a eseményt a glükagon és az epinefrin hormonális hatása váltja ki.
Irodalom
- McGenity, T., Van Der Meer, JR, és de Lorenzo, V. (2010). Szénhidrogén- és lipid-mikrobiológiai kézikönyv (4716. oldal). KN Timmis (szerk.). Berlin: Springer.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA és Rodwell, VW (2014). Harper illusztrált biokémiája. McGraw-Hill.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). A biokémia Lehninger-alapelvei (71-85. Oldal). New York: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Zsírsav-anyagcsere és szabályozása. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Biokémia - Nemzetközi kiadás. Észak-Karolina: Neil Patterson Publishers, 5.