SINTEZA LIPIDOV: VRSTE IN NJIHOVI GLAVNI MEHANIZMI - BIOLOGIJA - 2026

Sinteza lipidov sestoji iz niza encimskih reakcij s pomočjo katerega kratkimi verigami ogljikovodikov kondenzirajo, da se tvori daljšo verigo molekule, ki lahko nato prek različnih kemičnih sprememb.

Lipidi so razred zelo raznolikih biomolekul, ki jih sintetizirajo vse žive celice in so specializirane za več funkcij, ki so nujne za vzdrževanje celičnega življenja.

Nekaj ​​primerov pogostih lipidov: glicerofosfolipidi, steroli, glicerolipidi, maščobne kisline, sfingolipidi in prenoli (Vir: Prvotni nalagalnik je bil Lmaps na angleški Wikipedia. / GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/ fdl-1.2.html) prek Commons, priredil Raquel Parada)

Lipidi so glavne sestavine bioloških membran, dejstvo je, da so temeljne molekule za obstoj celic kot entitet, izoliranih iz njihovega okolja.

Nekateri lipidi imajo tudi specializirane funkcije, kot so pigmenti, kofaktorji, prenašalci, detergenti, hormoni, znotraj- in zunajcelični glasniki, kovalentna sidra za membranske beljakovine itd. Zato je sposobnost sinteze različnih vrst lipidov ključnega pomena za preživetje vseh živih organizmov.

Ta velika skupina spojin je tradicionalno razvrščena v več kategorij ali podskupin: maščobne kisline (nasičene in nenasičene), gliceridi (fosfogliceridi in nevtralni gliceridi), negliceridni lipidi (sfingolipidi (sfingomijelini in glikolipidi), steroidi in voski) in zapleteni lipidi (lipoproteini).

Vrste lipidov in njihovi glavni mehanizmi sinteze

Vsa reakcijska zaporedja poti biosinteze lipidov so endergonična in reduktivna. Z drugimi besedami, vsi uporabljajo ATP kot vir energije in zmanjšan nosilec elektronov, kot je NADPH, kot zmanjšano moč.

Nato bodo opisane glavne reakcije biosintetskih poti glavnih vrst lipidov, to je maščobnih kislin in eikosanoidov, triacilglicerolov in fosfolipidov ter sterolov (holesterol).

- Sinteza maščobnih kislin

Maščobne kisline so z lipidnega vidika izredno pomembne molekule, saj so del najpomembnejših lipidov v celicah. Njegova sinteza, v nasprotju s tem, kar so mnogi znanstveniki menili med prvimi raziskavami v zvezi s tem, ne obsega povratne poti njene β-oksidacije.

Dejansko se ta metabolična pot pojavlja v različnih celičnih oddelkih in zahteva sodelovanje tri-ogljikovega vmesnega materiala, imenovanega malonil-CoA, ki za oksidacijo ni potreben.

Malonil-CoA. NEUROtiker / Javna domena

Poleg tega je tesno povezan s sulfhidrilnimi skupinami beljakovin, znanimi kot proteini nosilci acil (ACP, iz angleščine Acyl Carrier Proteins).

Na splošno je sinteza maščobnih kislin, zlasti dolgih verig, zaporedni postopek, pri katerem se v vsakem "zavoju" ponovijo štirje koraki in med vsakim obratom nastane nasičena acilna skupina, ki je substrat za naslednje , ki vključuje še eno kondenzacijo z novo molekulo malonil-CoA.

V vsakem obratu ali ciklu reakcije veriga maščobnih kislin razširi dva ogljika, dokler ne doseže dolžine 16 atomov (palmitat), po kateri zapusti cikel.

Tvorba Malonil-CoA

Ta vmesni spoj treh atomov ogljika se nepovratno tvori iz acetil-CoA zahvaljujoč delovanju encima acetil-CoA karboksilaza, ki ima protetično skupino biotina, ki je kovalentno vezan na encim in ki sodeluje v tej katalizi v Dva koraka.

V tej reakciji se karboksilna skupina, pridobljena iz molekule bikarbonata (HCO3-), prenese v biotin na način, odvisen od ATP, kjer biotinilna skupina deluje kot "začasni prenašalec" molekule, medtem ko jo prenaša v acetil-Coa. , proizvaja malonil-CoA.

V zaporedju sinteze maščobnih kislin je uporabljeno redukcijsko sredstvo NADPH, aktivirajoči skupini pa sta dve tiolni skupini (-SH), ki sta del več encimskega kompleksa, imenovanega sintaza maščobne kisline, ki je najpomembnejši pri katalizi sintetična.

Pri vretenčarjih je kompleks sintaze maščobne kisline del ene same velike polipeptidne verige, v kateri je predstavljenih 7 značilnih encimskih aktivnosti poti sinteze, pa tudi hidrolizna aktivnost, potrebna za sprostitev intermediatov na koncu sinteza.

Struktura encima sintaze maščobnih kislin (Vir: Boehringer Ingelheim / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) prek Wikimedia Commons)

7 encimskih aktivnosti tega kompleksa so: protein transporterja acilne skupine (ACP), acetil-CoA-ACP transacetilaza (AT), β-ketoacil-ACP-sintaza (KS), malonil-CoA-ACP transferaza (MT), β- ketoacil-ACP reduktaza (KR), β-hidroksiacil-ACP dehidrataza (HD) in enoil-ACP reduktaza (ER).

Preden pride do kondenzacijskih reakcij, da sestavijo verigo maščobnih kislin, se dve tiolni skupini v encimskem kompleksu "napolnijo" z acilnimi skupinami: najprej se acetil-CoA prenese v skupino -SH a cistein v delu kompleksa β-ketoacil-ACP sintaze, reakcija katalizira encim acetil-CoA-ACP transacetilaza (AT).

Nato se malonilna skupina prenese iz molekule malonil-CoA v -SH skupino transporterskega dela acilne skupine (ACP) encimskega kompleksa, reakcijo, ki jo katalizira encim malonil-CoA-ACP transferaza (MT), ki tudi Je del kompleksa sintaze maščobnih kislin.

Zaporedje štirih reakcij za vsak "obrat" reakcijskega cikla je naslednje:

1. Kondenzacija: "Napolnjene" acetilne in malonilne skupine na encimu se kondenzirajo, da tvorijo acetoacetil-ACP molekulo, ki je povezana z delcem ACP prek skupine -SH. V tem koraku nastane molekula CO2 in katalizira jo β-ketoacil-ACP sintaza (acetilna skupina zaseda položaj "končnega metila" acetoacetil-ACP kompleksa).
2. Redukcija karbonilne skupine: karbonilna skupina v položaju C3 acetoacetil-ACP se zmanjša, da tvori D-β-hidroksibutiril-ACP, reakcijo, katalizirano z β-ketoacil-ACP reduktazo, ki uporablja NADPH kot darovalca elektronov.
3. Dehidracija: ogljik C2 in C3 D-β-hidroksibutiril-ACP je brez vodnih molekul, ki tvorita dvojno vez, ki se konča s proizvodnjo nove spojine trans-2-butenoil-ACP. Ta postopek posreduje encim β-hidroksiacil-ACP dehidrataza (HD).
4. Dvojna redukcija vezi: dvojna vez spojine, ki nastane v stopnji dehidracije, je nasičena (reducirana), da dobimo buriril-ACP skozi reakcijo, katalizirano z encimom enoil-ACP reduktaza (ER), ki uporablja tudi NADPH kot redukcijsko sredstvo .

Reakcije sinteze potekajo, dokler se ne tvori molekula palmitata (16 atomov ogljika), ki se hidrolizira iz encimskega kompleksa in se sprosti kot možni predhodnik za maščobne kisline daljših verig, ki jih proizvajajo raztezni sistemi. maščobnih kislin, ki se nahajajo v gladkem delu endoplazemskega retikuluma in v mitohondrijih.

Druge modifikacije, ki jih te molekule lahko doživijo, na primer desaturacije, katalizirajo različni encimi, ki se običajno pojavljajo v gladkem endoplazmatskem retikulu.

- Sinteza eikosanoidov

Eikosanoidi so celični lipidi, ki delujejo kot "kratkoročne" glasbene molekule, ki jih proizvajajo nekatera tkiva za komunikacijo s celicami v sosednjih tkivih. Te molekule se sintetizirajo iz polinenasičenih maščobnih kislin z 20 atomi ogljika.

Prostaglandini

Kot odgovor na hormonsko stimulacijo encim fosfolipaza A napade membranske fosfolipide in sprosti arahidonat iz 2-ogljikovega glicerola. Ta spojina se pretvori v prostaglandine zahvaljujoč encimu gladkega endoplazemskega retikuluma z bifunkcionalno aktivnostjo: ciklooksigenazo (COX) ali prostaglandin H2 sintazo.

Tromboksani

Prostaglandini se lahko pretvorijo v tromboksane zahvaljujoč tromboksan sintazi, prisotni v krvnih ploščicah (trombociti). Te molekule sodelujejo v začetnih korakih strjevanja krvi.

- Sinteza triacilglicerolov

Maščobne kisline so bistvene molekule za sintezo drugih bolj zapletenih spojin v celicah, kot so triacilgliceroli ali membranski lipidi glicerofosfolipidi (procesi, ki so odvisni od celičnih potreb po presnovi).

Živali proizvajajo triacilglicerole in glicerofosfolipide iz dveh običajnih predhodnikov: maščobnega acil-CoA in L-glicerol 3-fosfata. Maščobni acil-CoA nastajajo s sintatazami acil-CoA, ki sodelujejo pri β-oksidaciji, medtem ko L-glicerol 3-fosfat pridobivamo iz glikolize in z delovanjem dveh alternativnih encimov: glicerol 3-fosfata dehidrogenaza in glicerol kinaza.

Triacilgliceroli nastanejo z reakcijo med dvema molekulama maščobnega acil-CoA in eno molekulo diacilglicerol 3-fosfata; Te reakcije prenosa katalizirajo specifične acilne transferaze.

Pri tej reakciji na začetku nastane fosfatidna kislina, ki jo defosforilira z encimom fosfatidna kislina fosfataza, da nastane 1,2-diacilglicerol, ki je spet sposoben sprejeti tretjo molekulo maščobnega acil-CoA, pri čemer nastane triacilglicerol.

- Sinteza fosfolipidov

Fosfolipidi so zelo spremenljive molekule, saj lahko veliko različnih tvorimo s kombinacijo maščobnih kislin in različnih "glavinskih" skupin s skeletom glicerola (glicerofosfolipidi) ali sfingozina (sfingolipidi), ki jih odlikuje.

Za splošno sestavljanje teh molekul je potrebna sinteza hrbtenice glicerola ali sfingozina, združevanje z ustreznimi maščobnimi kislinami bodisi z esterifikacijo ali amidacijo, dodajanje hidrofilne skupine "glave" skozi fosfodiestersko vez in če je potrebno, spremembo ali izmenjavo slednjih skupin.

Pri evkariontih se ta proces dogaja v gladkem endoplazmatskem retikulumu in tudi v notranji mitohondrijski membrani, kjer lahko ostanejo v nedogled ali od koder jih je mogoče premestiti na druga mesta.

Reakcijski koraki

Prvi koraki reakcije sinteze glicerofosfolipida so enakovredni tistim pri proizvodnji triacilglicerolov, saj se molekula glicerol 3-fosfata esterificira do dveh molekul maščobnih kislin pri ogljikovih 1 in 2, ki tvorita fosfatidno kislino. Pogosto najdemo fosfolipide, ki imajo maščobne kisline, nasičene v C1, nenasičene pa v C2 glicerola.

Fosfatidna kislina lahko nastane tudi s fosforilacijo že sintetizirane ali "reciklirane" molekule diacilglicerola.

Polarne "glavo" skupine teh molekul nastajajo s pomočjo fosfodiesterskih vezi. Prva stvar, ki se mora zgoditi, da se ta postopek pravilno izvede, je "aktivacija" ene od hidroksilnih skupin, ki sodeluje v postopku, tako da se veže na nukleotid, kot je citidin-difosfat (CDP), ki ga druga skupina nukleofilno premakne. hidroksil, ki sodeluje v reakciji.

Če se ta molekula veže na diacilglicerol, potem nastane CDP-diacilglicerol ("aktivirana" oblika fosfatidne kisline), vendar se to lahko zgodi tudi na hidroksilni skupini skupine "glave".

V primeru fosfatidilserina se na primer diacilglicerol aktivira s kondenzacijo molekule fosfatidne kisline z molekulo citidin trifosfata (CTP), pri čemer nastane CDP-diacilglicerol in odstrani pirofosfat.

Če se molekula CMP (citidin monofosfat) izpodrine z nukleofilnim napadom hidroksila serina ali hidroksila na 1-ogljik glicerol 3-fosfata, fosfatidilserina ali fosfatidilglicerola 3-fosfata, iz katerega se lahko sprosti monoester fosfata in proizvajajo fosfatidilglicerol.

Obe molekuli, proizvedeni na ta način, služita kot predhodnika za ostale membranske lipide, ki si medsebojno delijo biosintetske poti.

- Sinteza holesterola

Holesterol je bistvena molekula za živali, ki jo lahko sintetizirajo njihove celice, zato v vsakodnevni prehrani ni bistvenega pomena. Ta molekula 27 ogljikovih atomov nastane iz predhodnika: acetata.

Ta kompleksna molekula se tvori iz acetil-CoA v štirih glavnih fazah:

1. Kondenzacija treh acetatnih enot za tvorbo mevalonata, 6-ogljikove vmesne molekule (najprej se tvori molekula acetoacetil-CoA z dvema acetil-CoA (tiolaznim encimom) in nato še enim β-hidroksi-β-metilglutaril-CoA ( HMG-CoA) (encim HMG-CoA sintetaza) Mevalonat nastane iz HMG-CoA in zahvaljujoč encimu HMG-CoA reduktazi.
2. Pretvorba mevalonata v izoprenske enote. Prve 3 fosfatne skupine se prenesejo iz 3 molekul ATP v mevalonat. Eden od fosfatov se izgubi skupaj s sosednjo karbonilno skupino in nastane ∆3-izopentenil pirofosfat, ki je izomeriziran, da nastane dimetilalil pirofosfat
3. Polimerizacija ali kondenzacija 6 C5 izoprenskih enot, da nastane C30 skvalen (linearna molekula).
4. Ciklizacija skvalena tvori 4 obroče steroidnega jedra holesterola in kasnejše kemične spremembe: oksidacije, migracije in izločanje metilnih skupin itd., Kar prinaša holesterol.

Reference

1. Garrett, RH in Grisham, CM (2001). Načela biokemije: s človeškim poudarkom. Brooks / Cole Publishing Company.
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA in Rodwell, VW (2014). Harperjeva ilustrirana biokemija. Mcgraw-Hill.
3. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Lehningerjeva načela biokemije. Macmillan.
4. Jacquemyn, J., Cascalho, A., & Goodchild, RE (2017). Vhodi in izhodi endoplazemskega retikuluma, pod nadzorom biosinteze lipidov. EMBO poročila, 18 (11), 1905–1921.
5. Ohlrogge, J., & Browse, J. (1995). Biosinteza lipida. Rastlinska celica, 7 (7), 957.