A LIPIDEK SZINTÉZISE: TÍPUSOK ÉS FŐ MECHANIZMUSUK - BIOLÓGIA - 2025

A lipidek szintézise egy sor enzimatikus reakcióból áll, amelyek révén a rövid szénláncú szénhidrogének kondenzálódnak és hosszabb láncú molekulákat képeznek, amelyek később különböző kémiai módosításokon mennek keresztül.

A lipidek nagyon változatos biomolekulák osztálya, amelyeket az összes élő sejt szintetizál és amelyek a sejtek életének fenntartásához nélkülözhetetlen számos funkcióra szakosodtak.

Néhány példa a közönséges lipidekre: glicerofoszfolipidek, szterinek, glicerinipidek, zsírsavak, szfingolipidek és prenolok (Forrás: Az eredeti feltöltő Lmaps volt az angol Wikipedia-ban. / GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/ fdl-1.2.html) a Commons-on keresztül, adaptálta Raquel Parada)

A lipidek a biológiai membránok fő alkotóelemei, ami miatt alapvető molekulává válnak a sejtek létezéséhez, mint a környezetüktől elszigeteltek.

Néhány lipidnek speciális funkciói is vannak, például pigmentek, kofaktorok, transzporterek, tisztítószerek, hormonok, intra- és extracelluláris hírvivők, membránfehérjék kovalens horgonyai stb. Ezért a különféle lipidek szintézisének képessége kritikus az összes élő organizmus fennmaradásához.

Ezt a nagy vegyületcsoportot hagyományosan több kategóriába vagy alcsoportba sorolják: zsírsavak (telített és telítetlen), gliceridek (foszfo-gliceridek és semleges gliceridek), nem-glicerid lipidek (szfingolipidek (szingomielinek és glikolipidek), szteroidok és viaszok), valamint komplex lipidek (lipoproteinek).

A lipidek típusai és fő szintézismechanizmusuk

A lipid bioszintézis útjai valamennyi reakciószekvenciája endergonikus és reduktív. Más szavakkal, mind az ATP-t energiaforrásként, és redukált elektronhordozót, például NADPH-t használnak redukáló teljesítményként.

Ezután a lipidek fő típusainak, azaz a zsírsavaknak és az eikozanoidoknak, a triacil-glicerineknek és a foszfolipideknek, valamint a szterinek (koleszterin) bioszintézis útjának fő reakcióit ismertetjük.

- Zsírsav-szintézis

A zsírsavak lipid szempontjából rendkívül fontos molekulák, mivel a sejtek legfontosabb lipideinek részét képezik. Szintézise - ellentétben azzal, amit sok tudós gondolkodott az első vizsgálatok során e tekintetben - nem a β-oxidáció fordított útjából áll.

Valójában ez a metabolikus út különféle sejtrekeszekben fordul elő, és egy malonil-CoA néven ismert háromszén intermedier részvételét igényli, amely az oxidációhoz nem szükséges.

Malonil-CoA. NEUROtiker / Public domain

Ezenkívül szorosan kapcsolódik az acilhordozó fehérjékként ismert fehérjék szulfhidrilcsoportjaihoz (ACP, angol Acyl Carrier Proteins).

Általánosságban a zsírsavak szintézise egy szekvenciális folyamat, amelyben négy lépést megismételnek minden egyes fordulatnál, és minden egyes fordulat során telített acilcsoport képződik, amely a következő anyag szubsztrátja, amely újabb kondenzációt foglal magában egy új malonil-CoA molekulával.

A zsírsavlánc a reakció minden egyes fordulójában vagy ciklusában két szénatomot meghosszabbít, amíg eléri a 16 atom hosszúságát (palmitát), majd elhagyja a ciklust.

Malonyl-CoA képződés

Ez a három szénatomot tartalmazó intermedier visszafordíthatatlanul acetil-CoA-ból képződik az acetil-CoA-karboxiláz enzim hatására, amelynek prototikus biotincsoportja van, amely kovalensen kötődik az enzimhez, és amely részt vesz ebben a katalízisben. Két lépés.

Ebben a reakcióban a hidrogénkarbonát-molekulából (HCO3-) származó karboxilcsoportot ATP-függő módon továbbviszik a biotinbe, ahol a biotinilcsoport a molekula "ideiglenes transzporterejeként" működik, miközben azt acetil-Coa-ba továbbítja., malonil-CoA-t termel.

A zsírsav-szintézis sorrendben a redukálószer NADPH, az aktiváló csoportok két tiolcsoport (-SH), amelyek egy zsírsav-szintáznak nevezett multi-enzim komplex részét képezik, amely a legfontosabb a katalízisben szintetikus.

A gerinces állatokon a zsírsav-szintáz komplex egy nagy polipeptid lánc részét képezi, amelyben a szintézis út 7 jellegzetes enzimatikus aktivitása, valamint az intermedierek felszabadításához szükséges hidrolitikus aktivitás a szintézis.

A zsírsav-szintáz enzim felépítése (Forrás: Boehringer Ingelheim / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) a Wikimedia Commons segítségével)

Ennek a komplexnek a 7 enzimatikus aktivitása a következő: acilcsoport transzporter protein (ACP), 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) és enoil-ACP reduktáz (ER).

Mielőtt a kondenzációs reakciók bekövetkezhetnek a zsírsavlánc összeállításához, az enzimkomplexben lévő két tiolcsoport "töltődik" az acilcsoportokkal: először az acetil-CoA-t átviszik egy cisztein a komplex β-ketoacil-ACP szintáz részében, az acetil-CoA-ACP transzcetiláz (AT) enzim által katalizált reakció.

Ezt követően egy malonilcsoportot átvisszünk egy malonil-CoA molekulából az enzimkomplex acilcsoport transzporter részének (ACP) -SH csoportjába, egy reakciót egy malonil-CoA-ACP transzferáz (MT) enzim katalizál, amely szintén Ez a zsírsav-szintáz komplex része.

A négy reakció sorrendje a reakcióciklus minden egyes fordulatára a következő:

1. Kondenzáció: Az enzim "töltött" acetil- és malonilcsoportjai kondenzálódnak, és így acetoacetil-ACP molekulát képeznek, amely -SH csoporton keresztül kapcsolódik az ACP csoporthoz. Ebben a lépésben egy CO2-molekulát állítunk elő és katalizálunk β-ketoacil-ACP-szintázzal (az acetilcsoport az acetoacetil-ACP komplex "terminális metil" helyzetét foglalja el).
2. A karbonilcsoport redukciója: az acetoacetil-ACP C3 helyzetében levő karbonilcsoport D-β-hidroxi-butiril-ACP-ként redukálódik. Ez egy olyan reakció, amelyet β-ketoacil-ACP reduktáz katalizál, amely NADPH-t használ elektron elektron donorként.
3. Dehidráció: a D-β-hidroxi-butiril-ACP C2 és C3 szénatomja nem tartalmaz vízmolekulákat, kettős kötést képezve, amely az új transz-2-butenoil-ACP vegyület előállításával zárul le. Ezt a folyamatot egy β-hidroxi-acil-ACP-dehidratáz (HD) enzim közvetíti.
4. Kettős kötés redukció: a dehidrációs lépésben képződött vegyület kettős kötése telített (redukált), így butiril-ACP-t kap az enoil-ACP reduktáz (ER) enzim által katalizált reakció révén, amely szintén redukálószerként NADPH-t használ.

A szintézisreakciók addig zajlanak, amíg nem alakul ki egy palmitát molekulája (16 szénatom), amelyet hidrolizálnak az enzimkomplexből és felszabadítják a hosszabb láncú zsírsavak lehetséges prekurzoraként, amelyeket elnyelő rendszerek állítanak elő. az endoplazmatikus retikulum sima részében és a mitokondriumokban található zsírsavak mennyisége.

Azokat a többi módosítást, amelyeken ezek a molekulák áteshetnek, mint például a deszaturációkat, különféle enzimek katalizálják, amelyek általában a sima endoplazmatikus retikulumban fordulnak elő.

- Az eikoszanoidok szintézise

Az eikozanoidok olyan celluláris lipidek, amelyek "rövid hatótávolságú" hírvivő molekulákként működnek, amelyeket egyes szövetek termelnek, hogy kapcsolatba lépjenek szomszédos szöveteik sejtjeivel. Ezeket a molekulákat 20 szénatomos többszörösen telítetlen zsírsavakból állítják elő.

A prosztaglandinok

A hormonális stimulációra reagálva a foszfolipáz A enzim megtámadja a membrán foszfolipideket és felszabadítja arachidonátot a 2-szén glicerinből. Ez a vegyület prosztaglandinokká alakul át a sima endoplazmatikus retikulum enzimének köszönhetően, bifunkciós aktivitással: ciklooxigenáz (COX) vagy prosztaglandin H2 szintázzal.

tromboxánokká

A prosztaglandinok a vérlemezkékben (trombocitákban) jelen lévő tromboxán-szintáznak köszönhetően tromboxánokká alakíthatók. Ezek a molekulák részt vesznek a véralvadás kezdeti lépéseiben.

- Triacil-glicerinek szintézise

A zsírsavak elengedhetetlen molekulái más, komplexebb vegyületek szintéziséhez a sejtekben, például a triacil-glicerinek vagy a membrán lipidek, a glicerofoszfolipidek (a sejtek metabolikus szükségleteitől függő folyamatok).

Az állatok triacil-glicerineket és glicerofoszfolipideket termelnek két általános prekurzorból: zsírsav-acil-CoA és L-glicerin-3-foszfát. A zsíros acil-CoA-t az acil-CoA-szintetázok termelik, amelyek részt vesznek a β-oxidációban, míg az L-glicerin-3-foszfátot glikolízissel és két alternatív enzim hatására nyerik: glicerin-3-foszfát dehidrogenáz és glicerin-kináz.

A triacil-glicerineket két zsírsav-acil-CoA-molekula és egy diacil-glicerin-3-foszfát-molekula reakciójával állítják elő; Ezeket az átadási reakciókat specifikus acil-transzferázok katalizálják.

Ebben a reakcióban először foszfatidsavat állítanak elő, amelyet egy foszfatidinsav-foszfatáz enzimmel defoszforilálnak, és így 1,2-diacil-glicerint állítanak elő, amely szintén képes elfogadni a zsírsav-acil-CoA harmadik molekuláját, és így triacil-glicerint állít elő.

- Foszfolipid szintézis

A foszfolipidek nagyon változékony molekulák, mivel sokféle különféle zsírsav és a különböző "fej" csoportoknak a glicerin (glicerofoszfolipidek) vagy szfingozin (szfingolipidek) csontvázakkal történő kombinációjával állíthatók elő.

Ezen molekulák általános összeállítása megköveteli a glicerin vagy a szfingozin gerincének szintézisét, az egyesülést a megfelelő zsírsavakkal, akár észterezéssel, akár amidálással, hidrofil "fej" csoport hozzáadásával foszfodiészter kötéssel és ha szükséges, az utóbbi csoportok megváltoztatása vagy cseréje.

Az eukariótákban ez a folyamat a sima endoplazmatikus retikulumban és a belső mitokondriális membránban is megtörténik, ahol határozatlan ideig maradhatnak, vagy ahonnan áthelyezhetők más helyekre.

Reakciós lépések

A glicerofoszfolipid szintézis reakciójának első lépései megegyeznek a triacil-glicerinek előállításának lépéseivel, mivel a glicerin-3-foszfát molekuláját az 1. és 2. szénatomon két zsírsav molekulává észterezik, foszfatidsavat képezve. Gyakori, hogy olyan foszfolipideket találnak, amelyek zsírsavjai telített C1-ben és telítetlenül a glicerin C2-ben.

A foszfatidsav előállítható egy már szintetizált vagy "újrahasznosított" diacil-glicerin-molekula foszforilezésével.

Ezeknek a molekuláknak a "fej" csoportjai foszfodiészter kötések útján alakulnak ki. Az első dolog, amelynek ennek a folyamatnak a megfelelő működéséhez meg kell történnie, a folyamatban részt vevő hidroxilcsoportok egyikének „aktiválása” egy olyan nukleotidhoz történő kötődéssel, mint például citidin-difoszfát (CDP), amelyet a másik csoport nukleofil módon elmozdít. hidroxilcsoport, amely részt vesz a reakcióban.

Ha ez a molekula diacil-glicerinnel kötődik, akkor CDP-diacil-glicerin (foszfatidsav "aktivált" formája) képződik, de ez előfordulhat a "fej" csoport hidroxilcsoportján is.

Például a foszfatidil-szerin esetében a diacil-glicerint úgy aktiválják, hogy a foszfatidsav-molekulát egy citidin-trifoszfát (CTP) molekulával kondenzálják, CDP-diacil-glicerint képeznek, és eltávolítják a pirofoszfátot.

Ha a CMP (citidin-monofoszfát) molekuláját a szerin vagy a hidroxil hidroxilcsoportjának nukleofil megtámadása révén kiszorítják a 3-foszfát-glicerin 1-szénatomján, akkor foszfatidil-szerin vagy foszfatidil-glicerin-3-foszfát szabadulhat fel, amelyből a foszfát-monoészter felszabadulhat, és foszfatidil-glicerint állít elő.

Az így előállított mindkét molekula prekurzorként szolgál más membrán lipidekhöz, amelyek gyakran bioszintézis útvonalakat mutatnak egymással.

- A koleszterin szintézise

A koleszterin az állatok számára elengedhetetlen molekula, amelyet sejtjeik szintetizálhatnak, tehát ez nem nélkülözhetetlen a napi étrendben. Ezt a 27 szénatomos molekulát egy prekurzorból: acetátból állítják elő.

Ez az összetett molekula acetil-CoA-ból négy fő lépésből áll:

1. Három acetátos egység kondenzációja mevalonát képződésévé válik, egy 6 szén köztes molekula (először egy acetoacetil-CoA molekulát állítanak elő két acetil-CoA-val (tiolaz enzim), majd egy másik β-hidroxi-β-metil-glutaril-CoA-val (HMG-CoA) (HMG-CoA szintetáz enzim) A mevalonát HMG-CoA-ból képződik, amely a HMG-CoA reduktáz enzimnek köszönhető.
2. A mevalonát átalakítása izoprén egységekké. Az első 3 foszfátcsoportot 3 ATP-molekulából átvisszük a mevalonátra. Az egyik foszfát elveszik a szomszédos karbonilcsoporttal együtt, és képződik ∆3-izopentenil-pirofoszfát, amelyet izomerizálva dimetil-allil-pirofoszfátot kapnak
3. 6 C5 izoprén egységek polimerizációja vagy kondenzációja C 30 szkvalén (lineáris molekula) előállításához.
4. A szkvalén ciklizálása a koleszterin szteroidmagjának 4 gyűrűjévé és az azt követő kémiai változásokkal: oxidációk, migráció és metilcsoportok eltávolítása stb., Amelyek koleszterint eredményeznek.

Irodalom

1. Garrett, RH és Grisham, CM (2001). A biokémia alapelvei: emberi hangsúly. Brooks / Cole Publishing Company.
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA és Rodwell, VW (2014). Harper illusztrált biokémiája. McGraw-Hill.
3. Nelson, DL, Lehninger, AL, és Cox, MM (2008). A biokémia Lehninger alapelvei. Macmillan.
4. Jacquemyn, J., Cascalho, A., és Goodchild, RE (2017). Az endoplazmatikus retikulum-kontrollált lipidbioszintézis hátrányai. EMBO jelentések, 18 (11), 1905–1921.
5. Ohlrogge, J., & Browse, J. (1995). Lipid bioszintézis. The Plant Cell, 7 (7), 957.