Biosinteza acizilor grași este o cale biochimică pentru sinteza acizilor grași de către celulă din precursorii acetil-CoA și NADPH prin acțiunea enzimelor numite sintaza acizilor grași . Acest proces are loc în citoplasma celulei . Cea mai mare parte a acetil-CoA care este transformată în acizi grași este obținută din carbohidrați în timpul glicolizei . Glicerolul se formează, de asemenea, în calea glicolitică, la care trei reziduuri de acizi grași pot fi combinate (prin legături esterice ) pentru a forma trigliceride (cunoscute și sub denumirea de "triacilgliceroli" - sau pur și simplu "grăsimi", numite pentru a le distinge de "acizi grași"). , produsul final al procesului de lipogeneză . Dacă doar două resturi de acizi grași se combină cu glicerol și a treia grupare alcoolică este fosforilată, de exemplu prin fosfatidilcolină , se formează fosfolipide . Fosfolipidele formează bistraturi lipidice care formează cea mai mare parte a membranelor celulare și a membranelor organelelor intracelulare (de exemplu , nucleul celular , mitocondriile , reticulul endoplasmatic , aparatul Golgi etc.)
Există două tipuri de acizi grași neramificati: saturați și nesaturați.
Similar cu β-oxidarea , sinteza acizilor grași cu catenă liniară are loc folosind cele șase reacții iterative prezentate mai jos până când se formează acidul palmitic C16 [1] [2] . După șapte cicluri de condensare-reducere, se formează palmitatul, sub acțiunea tioesterazei, este scindat din proteina purtătoare de acil și părăsește ciclul.
Reacția generală poate fi scrisă astfel:
8 Acetil-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H + → palmitat + 8 CoA + 7 ADP + 7 P n + 14 NADP + + 6 H 2 ODiagramele prezentate arată cum se produce biosinteza acizilor grași în microorganisme și o listă de enzime găsite în Escherichia coli [1] . Aceste reacții sunt efectuate de acizi grași sintetaza II (FAS II), care este de obicei un complex multi-enzimă . FAS II se găsește în procariote , plante, organisme parazite și, de asemenea, în mitocondriile vertebratelor [3] . Intermediarii de biosinteză pot fi implicați în alte reacții ale metabolismului celular, de exemplu, în sinteza acidului lipoic. Spre deosebire de FAS I, FAS II formează acizi grași ramificați nesaturați și hidroxiacizi.
La animale, precum și la unele ciuperci precum drojdia, aceleași reacții sunt catalizate de sinteza acizilor grași I (FAS I), o proteină mare cu două subunități care are toate activitățile enzimatice necesare sintezei acizilor grași. În sinteza acizilor grași, formarea unui singur produs are loc fără eliberarea de produse intermediare. Produșii intermediari sunt legați covalent printr-o legătură tioeterică de complexul enzimatic până în stadiul final. FAS I este mai puțin eficient decât FAS II; cu toate acestea, permite formarea mai multor molecule, inclusiv acizii grași cu „lanț mediu”, prin terminarea prelungirii lanțului la începutul sintezei [3] .
După formarea acidului gras - palmitic (16:0), apar o serie de modificări ale acestuia, ducând la desaturare și/sau alungire. Alungirea, începând cu stearat (18:0), se realizează în principal în reticulul endoplasmatic cu ajutorul enzimelor legate de membrană. Reacțiile enzimatice din timpul procesului de alungire sunt în general aceleași cu cele pentru FAS, dar cele patru etape majore de alungire secvenţială sunt efectuate de proteine individuale care pot fi legate fizic între ele [4] [5] .
| Etapă | Enzimă | Reacţie | Descriere |
|---|---|---|---|
| (A) | Acetil-CoA: protein-transacilază purtătoare de acil | Activarea acetil-CoA pentru a reacționa cu malonil-ACP | |
| (b) | Malonil-CoA: transacetilază proteină purtătoare de acil | Activarea malonil-CoA pentru a reacționa cu acetil-ACP | |
| (c) | 3-cetoacil-acil-protein sintaza de transport | Reacția unei grupări acil legate de ACP cu malonil-ACP care extinde lanțul | |
| (d) | proteina reductază purtătoare de 3-cetoacil-acil | Restabilește gruparea ceto a celui de-al treilea atom de carbon într-o grupare hidroxil | |
| (e) | Proteină deshidratază purtătoare de 3-hidroxiacil-acil | Eliminarea apei | |
| (f) | Enoil acil transfer protein reductaza | Restabilirea dublei legături dintre atomii C2-C3. | |
| Denumiri: ACP - Acyl-carrying protein , CoA - Coenzima A , NADP - Nicotinamid adenin dinucleotid phosphate . | |||
Rețineți că NADPH este agentul reducător în timpul sintezei acizilor grași , în timp ce NAD este agentul de oxidare în reacțiile de beta-oxidare (descompunerea acizilor grași în acetil-CoA). Această diferență ilustrează principiul general conform căruia NADPH este consumat în timpul reacțiilor de biosinteză, în timp ce NADH este generat în reacțiile de oxidare care eliberează energie. [6] . În mod similar, NADPH este necesar pentru sinteza colesterolului din acetil-CoA; în timp ce NADH se formează în timpul oxidării glucozei .) Există două surse principale de NADPH. Primul este atunci când malatul este decarboxilat oxidativ de către „ enzima malică dependentă de NADP + ” pentru a forma piruvat , CO2 și NADPH . NADPH se formează, de asemenea, în calea pentozei fosfat care transformă glucoza în riboză, care poate fi utilizată în sinteza nucleotidelor și acizilor nucleici sau poate fi catabolizată în piruvat [6] .
La om, acizii grași sunt formați din carbohidrați în principal în ficat și țesutul adipos , precum și în glandele mamare în timpul alăptării.
Piruvatul, format în timpul glicolizei, este un intermediar important în transformarea carbohidraților în acizi grași și colesterol [6] . Etapa inițială a conversiei piruvatului în acetil-CoA are loc în mitocondrii. Cu toate acestea, acest acetil-CoA trebuie să fie transportat în citosol, unde au loc reacțiile de sinteză a acizilor grași și a colesterolului. Acest lucru nu se poate întâmpla direct, deoarece membrana mitocondrială interioară este impermeabilă la acetil-CoA. Pentru transportul la citosol, acetil-CoA reacționează cu oxaloacetat pentru a forma citrat. Citratul produs în acest mod în ciclul Krebs părăsește ciclul și este transportat de un purtător membranar prin membrana mitocondrială în citosol [6] . Acolo este scindat de ATP-citrat liazala acetil-CoA și oxalacetat. Oxaloacetatul poate fi folosit pentru gluconeogeneză (în ficat), sau poate fi returnat la mitocondrii sub formă de malat [7] . Acetil-CoA citosol este carboxilat de acetil-CoA carboxilază la malonil-CoA , primul pas critic în biosinteza acizilor grași [7] [8] .
Principala sursă de energie și substanță de rezervă la animale este grăsimea. Grăsimea la un adult tânăr este în medie de aproximativ 15-20 kg, dar aceasta depinde foarte mult de vârstă. Gen și caracteristici individuale [9] . În schimb, corpul uman stochează doar aproximativ 400 g de glicogen , din care 300 g sunt stocate în mușchii scheletici și nu sunt disponibile organismului în ansamblu. Restul de aproximativ 100 g de glicogen stocat în ficat este epuizat în timpul unei zile de post [10] . După aceea, glucoza, care a intrat în sânge din ficat pentru uz general de către țesuturile corpului, trebuie sintetizată din aminoacizi glucogenici și din alte substraturi glucogenice , care nu includ acizi grași [11] .
Descompunerea acizilor grași în acetil-CoA în timpul beta-oxidării are loc în interiorul mitocondriilor, în timp ce sinteza lor din acetil-CoA are loc în citosol. Aceste două căi diferă nu numai în locul localizării lor, ci și în reacțiile care au loc și în substraturile și coenzimele utilizate. Aceste două căi se inhibă reciproc, împiedicând acetil-CoA generat de beta-oxidare să intre în calea de sinteză prin reacția efectuată de acetil-CoA carboxilază [11] . De asemenea, nu poate fi transformat în piruvat , deoarece reacția de decarboxilare a piruvatului este ireversibilă [10] . În schimb, se condensează cu oxalacetat pentru a forma citrat, pentru a intra în ciclul acidului tricarboxilic . La fiecare tură a ciclului, doi atomi de carbon părăsesc ciclul ca CO2 în reacții de decarboxilare catalizate de izocitrat dehidrogenază și alfa-cetoglutarat dehidrogenază . Astfel, fiecare tură a ciclului acidului citric oxidează unitatea de acetil-CoA în timp ce regenerează simultan molecula de oxalacetat cu care acetil-CoA sa combinat inițial pentru a forma acid citric . Reacțiile de decarboxilare apar înainte ca malatul să se formeze în ciclu . Malatul este singura substanță care este capabilă să părăsească mitocondriile pentru a intra pe calea gluconeogenezei cu formarea de glucoză sau glicogen în ficat sau în orice alt țesut [11] . Prin urmare, nu poate exista o conversie a acizilor grași în glucoză.
Numai plantele posedă enzimele pentru a transforma acetil-CoA în oxalacetat din care se poate forma malat, care în cele din urmă este transformat în glucoză [11] .
Regulament
Acetil-CoA este transformat în malonil-CoA de către acetil-CoA carboxilază , din care punct malonil-CoA este destinat includerii în calea de sinteză a acizilor grași. Acetil-CoA carboxilaza este punctul de reglare pentru sinteza acizilor grași saturați cu catenă liniară și este supusă atât fosforilării , cât și reglării alosterice . Fosforilarea are loc în principal la mamifere, în timp ce reglarea alosterică are loc la alte organisme. Controlul alosteric se realizează prin inhibarea prin feedback a palmitoil-CoA și activarea prin citrat. La niveluri ridicate de palmitoil-CoA, produsul final al sintezei acizilor grași saturați, inactivează alosteric acetil-CoA carboxilaza, care previne acumularea de acizi grași în celule. Citratul acționează ca un activator de acetil-CoA carboxilază la concentrații mari, deoarece nivelurile ridicate indică faptul că există suficient acetil-CoA pentru a intra în ciclul acidului citric și a stoca energie [12]
Un nivel ridicat de insulină în plasma sanguină (de exemplu, după o masă) determină defosforilarea acetil-CoA carboxilazei, contribuind astfel la formarea malonil-CoA din acetil-CoA și, prin urmare, la conversia carbohidraților în acizi grași, iar adrenalina și glucagonul (eliberate în sânge în timpul postului și efortului) provoacă fosforilarea acestei enzime, inhibând lipogeneza și stimulând beta-oxidarea acizilor grași [6] [8] .
Multe bacterii folosesc calea anaerobă pentru a sintetiza acizi grași nesaturați. Reacțiile din această cale nu folosesc oxigen și folosesc enzime care introduc o legătură dublă înainte de a extinde coloana vertebrală a carbonului acizilor grași, altfel utilizând mecanismul normal de sinteză a acizilor grași. În Escherichia coli , această cale este bine înțeleasă.
Majoritatea bacteriilor care efectuează reacții de desaturare anaerobă conțin omologi FabA și FabB [15] . Clostridiile sunt principala excepție. Au o nouă enzimă care catalizează formarea unei duble legături cis, care încă nu a fost identificată [14] .
RegulamentulAceastă cale este supusă reglementării transcripționale de către FadRși FabR. FadR este o proteină mai studiată, care este atribuită la două funcții simultan. Acționează ca un activator transcripțional al fabA și fabB și ca un represor al regulonului .și responsabil de β-oxidare. În schimb, FabR acționează ca un represor transcripțional al fabA și fabB [13] .
Desaturare aerobăDesaturarea aerobă este calea cea mai comună pentru sinteza acizilor grași nesaturați. Este folosit de toți eucariotele și de unele procariote. Desaturazele sunt utilizate în reacții pentru sinteza acizilor grași nesaturați din acizi grași saturați de lungime completă pe această cale .[16] . Toate desaturazele necesită oxigen și în cele din urmă consumă NADH, deși desaturarea este un proces oxidativ. Desaturazele introduc în mod specific o legătură dublă într-o locație specifică din substrat. În Bacillus subtilis , o desaturază, Δ 5 -Des, este specifică pentru a insera o legătură cis-dublă în poziţia Δ 5 [7] [16] . Saccharomyces cerevisiae conține o desaturază, Ole1p, care introduce o legătură dublă cis la Δ9 . [7] .
RegulamentulÎn B. subtilis , această cale este reglată de un sistem cu două componente : kinaza legată de membrană DesK și regulatorul transcripțional DesR responsabil de exprimarea genei des [7] [16] . Expresia este dependentă de temperatură. Când temperatura scade, această genă este activată. Acizii grași nesaturați cresc fluiditatea membranei și o stabilizează la temperaturi mai scăzute. DesK este o proteină senzor care se autofosforilează atunci când temperatura scade. DesK-P transferă apoi gruparea fosforil în DesR. Două molecule ale proteinei DesR-P se dimerizează și se leagă de promotorii ADN ai genei des și promovează legarea ARN polimerazei pentru a începe transcripția [7] [16] .
De regulă, sinteza anaerobă și aerobă a acizilor grași nesaturați nu are loc simultan în același organism, cu toate acestea, Pseudomonas aeruginosa și Vibrio ABE-1 servesc ca excepții de la regulă [17] [18] [19] . Deși P. aeruginosa folosește în principal reacții de desaturare anaerobă, are și două căi aerobe. O cale folosește Δ9-desaturaza ( DesA ) care catalizează formarea unei duble legături în lipidele membranei. O altă cale folosește două proteine, DesC și DesB, care împreună acționează ca o Δ9- desaturază care inserează o legătură dublă într-un reziduu de acid saturat din molecula de acil-CoA. Această a doua cale este reglată de proteina represoare DesT. DesT reglează, de asemenea, expresia fabAB în timpul desaturării anaerobe în prezența acizilor grași nesaturați exogeni. Această funcție asigură coordonarea expresiei a două căi în celulă [18] [20] . La mamifere, desaturarea aerobă este catalizată de un complex de trei enzime legate de membrană ( NADH-citocrom b5 reductază , citocrom b5 şi desaturază ). Aceste enzime permit oxigenului molecular, O 2 , să interacționeze cu un reziduu de acid gras saturat din molecula de acil-CoA pentru a forma o legătură dublă și două molecule de apă, H 2 O. Doi electroni sunt furnizați de NADH + H + și doi sunt luați din legătura simplă a lanțului gras.acizi [6] . Cu toate acestea, desaturazele de mamifere nu sunt capabile să creeze legături duble la atomi de carbon dincolo de C9 în lanțul de acizi grași [nb 1] .) Prin urmare, mamiferele nu pot sintetiza nici linoleat , nici linolenat (care are o legătură dublă în poziția C-12 (= ∆ 12 ) sau C- 12 şi C-15 (= A12 şi A15 ) , respectiv, precum şi în poziţia A9 ), nici acidul arahidonic polinesaturat, cu 20 de atomi de carbon , un derivat al linoleat. Toți sunt numiți acizi grași esențiali , ceea ce înseamnă că sunt necesari organismului, dar pot proveni doar din alimente. Acidul arahidonic este un precursor al prostaglandinelor , care au o gamă largă de funcții ca hormoni locali .[6] .
Acizi grași cu lanț impar(OCFA) sunt acei acizi grași care conțin un număr impar de atomi de carbon în molecula lor. Cele mai comune OCFA sunt derivații saturați ai C15 și C17, respectiv acidul pentadecanoic și acidul margaric [21] . Sinteza acizilor grași cu lanț uniform se realizează prin asamblarea din unități cu două atomi de carbon de acetil-CoA. Când este utilizat ca primer pentru biosinteza propionil-CoAîn locul acetil-CoA se obțin acizi grași cu catenă lungă cu un număr impar de atomi de carbon [22] .
Acizii grași cu lanț ramificat sunt în general saturați și sunt clasificați în două familii distincte: familiile iso și anteiso. S-a descoperit că actinomicetalei au mecanisme unice de sinteză a acizilor grași cu lanț ramificat, inclusiv a celor care formează acizii micolici .
Utilizarea unui α-ceto acid ca sămânță este în contrast cu căile pentru sinteza acizilor grași ramificați, unde sintetaza utilizează esteri acetil-CoA cu lanț scurt ca sămânță [23] . Primerii α-cetoacizilor sunt derivați din transaminarea și decarboxilarea valinei , leucinei , izoleucinei la 2-metilpropanil-CoA, 3-metilbutiril-CoA și, respectiv, 2-metilbutiril-CoA [24] . Primerul 2-metilpropanil-CoA format din valină la extensie dă naștere la acizi grași din serie izo cu un număr par de atomi de carbon, cum ar fi acidul 14-metil-pentadecanoic (izopalmitic). Primerul 3-metilbutiril-CoA din leucină poate fi utilizat pentru a genera izoacizi cu număr impar, cum ar fi acidul 13-metiltetradecanoic. Extinderea semințelor de 2-metilbutiril-CoA din izoleucină produce acizi grași din seria anteizoare cu un număr impar de atomi de carbon, cum ar fi acidul 12-metiltetradecanoic [25] . Decarboxilarea precursorilor primerului este mediată de enzima de decarboxiliza a α-cetoacizilor cu lanț ramificat .(BCKA). Alungirea scheletului de acizi grași la Escherichia coli are loc în același mod ca și în sinteza acizilor grași cu catenă liniară, când malonil-CoA este folosit ca verigă inițială în biosinteză [26] . Produșii finali principali sunt acizii grași cu catenă ramificată, formați din 12-17 atomi de carbon, iar compoziția lor este constantă și caracteristică multor specii bacteriene [25] .
Decarboxiliza α-cetoacizilor cu lanț ramificat (BCKA) și specificitatea substratului său pentru α-cetoacizi
Enzima BCKA decarboxilaza este formată din două subunități care formează un tetramer (A 2 B 2 ) și este esențială pentru sinteza acizilor grași cu lanț ramificat. Este responsabil pentru decarboxilarea acizilor α-ceto produși prin dezaminarea valinei, leucinei și izoleucinei și produce molecule de semințe utilizate pentru sinteza acizilor grași cu lanț ramificat. Activitatea acestei enzime este mult mai mare față de substraturile de α-cetoacizi cu lanț ramificat decât cu catenă liniară, iar la speciile Bacillus , cea mai mare specificitate este obținută față de derivatul izoleucinei acid α-ceto-β-metilvaleric, urmat de α-cetoizocaproat. .și α-cetoizovalerat [25] [26] . Afinitatea ridicată a enzimei pentru α-cetoacizii cu lanț ramificat îi permite să funcționeze ca furnizor de molecule de semințe pentru sinteza acizilor grași cu lanț ramificat [26] .
| substrat | Activitatea decarboxilazei BCKA | CO2 emis ( nmol/min mg) | km (μM) | Vmax (nmol/min mg) |
|---|---|---|---|---|
| L-a-ceto-β-metil-valeriat | 100 % | 19.7 | <1 | 17.8 |
| α-cetoizovalerat | 63% | 12.4 | <1 | 13.3 |
| α-cetoizocaproat | 38% | 7.4 | <1 | 5.6 |
| piruvat | 25% | 4.9 | 51.1 | 15.2 |
Factori care afectează lungimea lanțului și ramificarea
Primerii de acizi α-ceto sunt utilizați pentru biosinteza acizilor grași cu lanț ramificat, care au de obicei 12 până la 17 atomi de carbon. Raportul acizilor cu lanț ramificat este constant și specific speciei, dar ei se pot schimba odată cu modificările concentrației de malonil-CoA, temperaturii sau prezența factorilor de stabilitate termică (HSF) [25] . Toți acești factori pot afecta lungimea lanțului, iar HSF-urile s-a dovedit că modifică specificitatea BCKA decarboxilazei pentru anumiți α-cetoacizi, modificând astfel raportul dintre acizii grași cu lanț ramificat produși [25] . S-a demonstrat că creșterea concentrației de malonil-CoA duce la o creștere a producției de acizi grași C17, până la atingerea concentrației optime (≈20μM) de malonil-CoA. Scăderea temperaturii, de asemenea, schimbă ușor raportul acizilor grași către acizii C17 la speciile Bacillus [23] [25] .
Sistem de sinteză a acizilor grași cu lanț ramificat folosind esteri KoAAcest sistem funcționează în mod similar cu sistemul de sinteză BCFA folosind acizi alfa-ceto ca semințe, cu toate acestea, folosește esteri de acid carboxilic cu lanț scurt cu CoA ca semințe. Această cale este folosită de bacteriile care nu pot folosi alfa-cetoacizii. Primerii tipici sunt izovalerat, izobutirat și 2-metil-butirat. De obicei, acizii necesari acestor semințe provin din mediu; aceasta se găsește adesea în bacteriile care trăiesc în rumen [27] .
Reacția totală:
Izobutiril-CoA + 6 malonil-CoA + 12 NADPH + 12H + → Acid izopalmitic + 6 CO 2 + 12 NADP + 5 H 2 O + 7 CoA [23]Diferența dintre sintetazele acizilor grași cu lanț liniar și ramificat constă în specificitatea de substrat a enzimei care catalizează reacția acil-CoA cu acil-ACP [23] .
Acizii grași omega-aliciclici conțin de obicei o grupare ciclică propil sau butiril omega-terminală și se numără printre acizii grași de membrană majori găsiți la mai multe specii bacteriene. Sintetaza acizilor grași folosită pentru a produce acizi grași omega-aliciclici este, de asemenea, utilizată pentru a produce acizi grași cu membrană cu lanț ramificat. Bacteriile cu membrane compuse în principal din acizi grași omega-aliciclici au mult mai mulți esteri ai acizilor carboxilici ciclici și CoA decât primerii cu lanț ramificat [23] . Sinteza primerilor ciclici nu este bine înțeleasă, dar s-a sugerat că mecanismul implică conversia zaharurilor în acid shikimic , care este apoi transformat în esteri ai acidului ciclohexilcarboxilic cu CoA, care servesc ca primeri pentru sinteza grăsimilor omega-aliciclice. acizi [27] .
Acidul tuberculostearic (acidul 10-metilstearic) este un acid gras saturat cunoscut a fi produs de Mycobacterium spp. și două specii de Streptomyces . Se formează dintr-un precursor, acidul oleic (un acid gras mononesaturat [28] . După esterificarea acidului oleic la fosfolipidă, S-adenosil-metionina servește ca donor de grupare metil pentru legătura dublă a acidului oleic [29] . Această reacție de metilare formează compusul intermediar 10-metilen- Octadecanoal Reducerea secvenţială a NADPH-ului său ca coenzimă duce la acid 10-metilstearic [24]
Astfel, pozițiile dublelor legături în lanțul acizilor grași pot fi indicate în două moduri, folosind notația Cn sau ω-n. Astfel, într-un acid gras cu 18 atomi de carbon, legătura dublă dintre C-12 (sau ω-7) și C-13 (sau ω-6) este raportată fie ca Δ 12 dacă este numărată de la capătul –COOH (doar " începutul" este raportat). legătură dublă), sau ca ω-6 (sau omega-6) când se numără de la capătul -CH3 . „Δ” este litera greacă „delta”, care se traduce prin „D” (engleză D duble bond, double bond) în alfabetul latin. Omega (ω) este ultima literă a alfabetului grecesc și, prin urmare, este folosit pentru a se referi la „ultimul” atom de carbon din scheletul de carbon al unui acid gras. Deoarece notația ω-n este folosită aproape exclusiv pentru a desemna poziția dublelor legături aproape de capătul -CH 3 în acizii grași esențiali , nu este nevoie de o nomenclatură echivalentă asemănătoare „Δ”.