SYNTES AV LIPIDER: TYPER OCH DERAS HUVUDMEKANISMER - BIOLOGI - 2025

Den syntes av lipider består av en serie av enzymatiska reaktioner med hjälp av vilka kortkedjiga kolväten kondenseras för att bilda längre kedja molekyler som därefter kan genomgå olika kemiska modifieringar.

Lipider är en klass med mycket varierande biomolekyler som syntetiseras av alla levande celler och som är specialiserade på flera funktioner som är viktiga för att upprätthålla cellulärliv.

Några exempel på vanliga lipider: glycerofosfolipider, steroler, glycerolipider, fettsyror, sfingolipider och prenoler (Källa: Den ursprungliga uppladdaren var Lmaps på engelska Wikipedia. / GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/ fdl-1.2.html) via Commons, anpassad av Raquel Parada)

Lipider är huvudkomponenterna i biologiska membran, ett faktum som gör dem till grundläggande molekyler för förekomsten av celler som enheter isolerade från deras miljö.

Vissa lipider har också specialfunktioner såsom pigment, kofaktorer, transportörer, tvättmedel, hormoner, intra- och extracellulära budbärare, kovalenta ankare för membranproteiner etc. Därför är förmågan att syntetisera olika typer av lipider avgörande för överlevnaden för alla levande organismer.

Denna stora grupp av föreningar klassificeras traditionellt i flera kategorier eller undergrupper: fettsyror (mättade och omättade), glycerider (fosfoglycerider och neutrala glycerider), icke-glyceridlipider (sfingolipider (sfingomyeliner och glykolipider), steroider och vax) och komplexa lipider (lipoproteiner).

Typer av lipider och deras huvudsakliga syntesmekanismer

Alla reaktionssekvenser för lipidsbiosyntesvägarna är endergoniska och reduktiva. Med andra ord, de använder alla ATP som en energikälla och en reducerad elektronbärare, såsom NADPH, som en reducerande effekt.

Därefter kommer huvudreaktionerna för de biosyntetiska vägarna för huvudtyperna lipider att beskrivas, det vill säga fettsyror och eikosanoider, triacylglyceroler och fosfolipider och steroler (kolesterol).

- Syntes av fettsyror

Fettsyror är extremt viktiga molekyler ur en lipidsynpunkt, eftersom de är en del av de mest relevanta lipiderna i cellerna. Dess syntes, till skillnad från vad många forskare trodde under de första studierna i detta avseende, består inte av den omvända vägen för dess ß-oxidation.

I själva verket inträffar denna metabola väg i olika cellfack och kräver deltagande av en tre-kol-mellanprodukt, känd som malonyl-CoA, vilket inte är nödvändigt för oxidation.

Malonyl-CoA. NEUROtiker / Public domain

Dessutom är det nära besläktat med sulfhydrylgrupperna av proteiner kända som acylbärarproteiner (ACP, från engelska Acyl Carrier Proteins).

I allmänna linjer är syntesen av fettsyror, särskilt de med långkedjan, en sekventiell process där fyra steg upprepas i varje "tur", och under varje varv produceras en mättad acylgrupp som är substratet för nästa , som involverar ytterligare en kondensation med en ny malonyl-CoA-molekyl.

Vid varje varv eller reaktionscykel sträcker sig fettsyrakedjan två kol tills den når en längd av 16 atomer (palmitat), varefter den lämnar cykeln.

Malonyl-CoA-bildning

Denna mellanprodukt av tre kolatomer bildas irreversibelt av acetyl-CoA tack vare verkan av ett enzymacetyl-CoA-karboxylas, som har en protetisk grupp biotin som är kovalent bunden till enzymet och som deltar i denna katalys i Två steg.

I denna reaktion överförs en karboxylgrupp härledd från en bikarbonatmolekyl (HCO3-) till biotin på ett ATP-beroende sätt, där biotinylgruppen fungerar som en "tillfällig transportör" av molekylen medan den överförs till acetyl-Coa. , producerande malonyl-CoA.

I fettsyrasyntesekvensen är det reducerande medlet NADPH och de aktiverande grupperna är två tiolgrupper (-SH) som är en del av ett multi-enzymkomplex som kallas fettsyrasyntas, vilket är det viktigaste i katalys syntetisk.

I ryggradsdjur är fettsyrasyntaskomplexet en del av en enda stor polypeptidkedja, i vilken de 7 karakteristiska enzymatiska aktiviteterna på syntesvägen representeras, såväl som den hydrolytiska aktiviteten som är nödvändig för att frisätta mellanprodukterna vid slutet av syntes.

Strukturen av fettsyrasyntasenzym (Källa: Boehringer Ingelheim / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) via Wikimedia Commons)

De 7 enzymatiska aktiviteterna i detta komplex är: acylgrupptransportprotein (ACP), acetyl-CoA-ACP-transacetylas (AT), ß-ketoacyl-ACP-syntas (KS), malonyl-CoA-ACP-transferas (MT), ß- ketoacyl-ACP-reduktas (KR), p-hydroxyacyl-ACP-dehydratas (HD) och enoyl-ACP-reduktas (ER).

Innan kondensationsreaktionerna kan inträffa för att sammansätta fettsyrakedjan blir de två tiolgrupperna i enzymkomplexet "laddade" med acylgrupperna: först överförs en acetyl-CoA till -SH-gruppen i en cystein i p-ketoacyl-ACP-syntasdelen av komplexet, en reaktion katalyserad av enzymet acetyl-CoA-ACP-transacetylas (AT).

Därefter överförs en malonylgrupp från en malonyl-CoA-molekyl till -SH-gruppen i acylgrupptransportördelen (ACP) i enzymkomplexet, en reaktion katalyserad av ett malonyl-CoA-ACP-transferas (MT) enzym, som också Det är en del av fettsyrasyntaskomplexet.

Sekvensen med fyra reaktioner för varje "tur" i reaktionscykeln är som följer:

1. Kondensation: De "laddade" acetyl- och malonylgrupperna på enzymet kondenseras för att bilda en acetoacetyl-ACP-molekyl, som är bunden till ACP-gruppen genom en -SH-grupp. I detta steg produceras och katalyseras en CO2-molekyl med p-ketoacyl-ACP-syntas (acetylgruppen upptar "terminalmetyl" -positionen i acetoacetyl-ACP-komplexet).
2. Reduktion av karbonylgruppen: karbonylgruppen vid C3-läget för acetoacetyl-ACP reduceras för att bilda D-p-hydroxibutyryl-ACP, en reaktion katalyserad av p-ketoacyl-ACP-reduktas, som använder NADPH som en elektrondonator.
3. Dehydrering: C2- och C3-kolatomen i D-p-hydroxibutyryl-ACP saknar vattenmolekyler och bildar en dubbelbindning som slutar med produktionen av den nya föreningen trans-2-butenoyl-ACP. Denna process förmedlas av ett P-hydroxyacyl-ACP-dehydratas-enzym.
4. Dubbelbindningsreduktion: dubbelbindningen av föreningen som bildas i dehydratiseringssteget mättas (reduceras) för att ge butyryl-ACP genom reaktionen katalyserad av enzymet enoyl-ACP-reduktas (ER), som också använder NADPH som reduktionsmedel .

Syntesreaktioner inträffar tills en molekyl av palmitat (16 kolatomer) bildas, som hydrolyseras från enzymkomplexet och frigörs som en möjlig föregångare för fettsyror med längre kedjor, som produceras av förlängningssystem. av fettsyror belägna i den jämna delen av endoplasmatisk retikulum och i mitokondrierna.

De andra modifikationerna som dessa molekyler kan genomgå, såsom desaturationer, till exempel, katalyseras av olika enzymer, som vanligtvis förekommer i den släta endoplasmatiska retikulum.

- Syntes av eikosanoider

Eikosanoider är cellulära lipider som fungerar som "kort räckvidd" budbärarmolekyler, producerade av vissa vävnader för att kommunicera med celler i deras närliggande vävnader. Dessa molekyler syntetiseras från fleromättade fettsyror med 20 kolatomer.

prostaglandiner

Som svar på hormonstimulering attackerar enzymet fosfolipas A membranfosfolipider och frigör arakidonat från 2-kolglycerolen. Denna förening omvandlas till prostaglandiner tack vare ett enzym av det släta endoplasmatiska retikulumet med bifunktionell aktivitet: cyklooxygenas (COX) eller prostaglandin H2-syntas.

tromboxaner

Prostaglandiner kan omvandlas till tromboxaner tack vare tromboxansyntas som finns i blodplättar (trombocyter). Dessa molekyler deltar i de initiala stegen i blodkoagulation.

- Syntes av triacylglyceroler

Fettsyror är grundläggande molekyler för syntes av andra mer komplexa föreningar i celler, såsom triacylglyceroler eller membranlipider, glycerofosfolipider (processer som beror på cellulära metaboliska behov).

Djur producerar triacylglyceroler och glycerofosfolipider från två vanliga föregångare: fet acyl-CoA och L-glycerol 3-fosfat. Fet acyl-CoA produceras av acyl-CoA-syntetas som deltar i p-oxidation, medan L-glycerol 3-fosfat erhålls genom glykolys och genom verkan av två alternativa enzymer: glycerol 3-fosfat dehydrogenas och glycerolkinas.

Triacylglyceroler bildas genom reaktionen mellan två molekyler av fet acyl-CoA och en molekyl diacylglycerol 3-fosfat; Dessa överföringsreaktioner katalyseras av specifika acyltransferaser.

Vid denna reaktion framställs initialt fosfatidinsyra, som avfosforyleras av ett enzymfosfatidinsyrafosfatas för att producera 1,2-diacylglycerol, som återigen kan acceptera en tredje molekyl av fet acyl-CoA, vilket producerar triacylglycerol.

- Fosfolipidsyntes

Fosfolipider är mycket variabla molekyler, eftersom många olika kan bildas genom kombinationen av fettsyror och olika "huvud" -grupper med glycerol (glycerofosfolipider) eller sfingosin (sfingolipider) -skelettet som kännetecknar dem.

Den allmänna sammansättningen av dessa molekyler kräver syntes av glycerol- eller sfingosinryggraden, föreningen med motsvarande fettsyror, antingen genom förestring eller amidering, tillsats av en hydrofil "huvud" -grupp genom en fosfodiesterbindning och, vid behov ändring eller utbyte av de senare grupperna.

I eukaryoter sker denna process i den släta endoplasmatiska retikulaturen och även i det inre mitokondriella membranet, där de kan förbli på obestämd tid eller från var de kan omlokaliseras till andra platser.

Reaktionssteg

De första stegen i syntesreaktionen av glycerofosfolipider är ekvivalenta med produktionen av triacylglyceroler, eftersom en molekyl av glycerol 3-fosfat är förestrad till två molekyler av fettsyra vid kol 1 och 2 och bildar fosfatidinsyra. Det är vanligt att hitta fosfolipider som har fettsyror mättade i C1 och omättade i C2 i glycerol.

Fosfatidinsyra kan också produceras genom fosforylering av en redan syntetiserad eller "återvunnen" diacylglycerolmolekyl.

De polära "huvud" -grupperna i dessa molekyler bildas genom fosfodiesterbindningar. Det första som måste hända för att denna process ska kunna ske korrekt är "aktiveringen" av en av hydroxylgrupperna som deltar i processen genom att binda till en nukleotid såsom cytidindifosfat (CDP), som förskjuts av nukleofil av den andra gruppen. hydroxyl som deltar i reaktionen.

Om denna molekyl binder till diacylglycerol, bildas CDP-diacylglycerol (den "aktiverade" formen av fosfatidinsyra), men detta kan också förekomma på hydroxylgruppen i "huvud" -gruppen.

När det gäller fosfatidylserin, till exempel, aktiveras diacylglycerol genom kondensation av fosfatidinsyramolekylen med en cytidintrifosfatmolekyl (CTP), och bildar CDP-diacylglycerol och eliminerar ett pyrofosfat.

Om en molekyl av CMP (cytidinmonofosfat) förskjuts av en nukleofil attack av hydroxylen av serin eller hydroxylen i 1-kolet glycerol 3-fosfat, kan fosfatidylserin eller fosfatidylglycerol 3-fosfat frisättas, från vilket fosfatmonoestern kan frisättas och producerar fosfatidylglycerol.

Båda molekylerna som produceras på detta sätt fungerar som föregångare för andra membranlipider, som ofta delar biosyntetiska vägar med varandra.

- Syntes av kolesterol

Kolesterol är en viktig molekyl för djur som kan syntetiseras av sina celler, så det är inte nödvändigt i den dagliga kosten. Denna molekyl med 27 kolatomer produceras från en föregångare: acetat.

Denna komplexa molekyl bildas av acetyl-CoA i fyra huvudsteg:

1. Kondensation av tre acetatenheter för att bilda mevalonat, en 6-kol-mellanproduktmolekyl (först bildas en molekyl av acetoacetyl-CoA med två acetyl-CoA (tiolasenzym) och sedan en annan av p-hydroxi-p-metylglutaryl-CoA ( HMG-CoA) (HMG-CoA-syntetasenzym) Mevalonat bildas av HMG-CoA och tack vare enzymet HMG-CoA-reduktas.
2. Omvandling av mevalonat till isoprenenheter. De första 3 fosfatgrupperna överförs från 3 ATP-molekyler till mevalonatet. Ett av fosfaterna förloras tillsammans med den angränsande karbonylgruppen och ∆3-isopentenylpyrofosfat bildas, som isomeriseras för att producera dimetylallylpyrofosfat
3. Polymerisation eller kondensation av 6C5-isoprenenheter för att bilda C30-squalen (en linjär molekyl).
4. Cyklisering av squalen för att bilda de fyra ringarna i den steroidala kärnan av kolesterol och de efterföljande kemiska förändringarna: oxidationer, migration och eliminering av metylgrupper, etc., vilket ger kolesterol.

referenser

1. Garrett, RH, & Grisham, CM (2001). Principer för biokemi: med ett mänskligt fokus. Brooks / Cole Publishing Company.
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA, & Rodwell, VW (2014). Harpers illustrerade biokemi. McGraw-Hill.
3. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehninger-principerna för biokemi. Macmillan.
4. Jacquemyn, J., Cascalho, A., & Goodchild, RE (2017). In- och uttagen i endoplasmatisk retikulumstyrd lipidsbiosyntes. EMBO rapporter, 18 (11), 1905-1921.
5. Ohlrogge, J., & Browse, J. (1995). Lipidsbiosyntes. Växtcellen, 7 (7), 957.