Taukskābju sintēze ir process, ar kuru pamatelementi vissvarīgākais lipīdu šūnās (taukskābes) ir ražoti, kas piedalās daudzos ļoti svarīgas šūnu funkcijas.
Taukskābes ir alifātiskas molekulas, tas ir, tās galvenokārt sastāv no oglekļa un ūdeņraža atomiem, kas vairāk vai mazāk lineāri saistīti. Viņiem vienā galā ir metilgrupa un otrā - skāba karboksilgrupa, attiecībā uz kuriem tos sauc par “taukskābēm”.
Taukskābju sintēzes kopsavilkums (Avots: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), izmantojot Wikimedia Commons)
Lipīdi ir molekulas, kuras dažādas šūnu biosintētiskās sistēmas izmanto citu sarežģītāku molekulu veidošanai, piemēram:
- membrānas fosfolipīdi
- triglicerīdi enerģijas uzkrāšanai un
- dažu īpašu molekulu enkuri, kas atrodas uz daudzu veidu šūnu (eikariotu un prokariotu) virsmas
Šie savienojumi var pastāvēt kā lineāras molekulas (ar visiem oglekļa atomiem piesātinātiem ar ūdeņraža molekulām), bet var novērot arī savienojumus ar taisnu ķēdi un dažiem piesātinājumiem, tas ir, ar divkāršām saitēm starp to oglekļa atomiem.
Piesātinātās taukskābes var atrast arī ar sazarotām ķēdēm, kuru struktūra ir nedaudz sarežģītāka.
Taukskābju molekulārajām īpašībām ir izšķiroša nozīme to darbībā, jo daudzas no tām veidoto molekulu fizikāli ķīmiskajām īpašībām ir atkarīgas no tām, īpaši no to kušanas temperatūras, iesaiņošanas pakāpes un spējām veidot divslāņu slāņus.
Tādējādi taukskābju sintēze ir stingri regulēta lieta, jo tā ir virkne secīgu notikumu, kas ir kritiski šūnai no daudziem aspektiem.
Kur notiek taukskābju sintēze?
Lielākajā daļā dzīvo organismu taukskābju sintēze notiek citosola nodalījumā, savukārt to sadalīšanās notiek galvenokārt starp citosolu un mitohondrijiem.
Process ir atkarīgs no enerģijas, kas atrodas ATP saitēs, no NADPH reducējošās jaudas (parasti to iegūst no pentozes fosfāta ceļa), no biotīna kofaktora, no bikarbonāta joniem (HCO3-) un no mangāna joniem.
Zīdītājiem lielākie taukskābju sintēzes orgāni ir aknas, nieres, smadzenes, plaušas, piena dziedzeri un taukaudi.
Tiešais taukskābju de novo sintēzes substrāts ir acetil-CoA, un galaprodukts ir palmitāta molekula.
Acetil-CoA iegūst tieši no glikolītisko starpproduktu apstrādes, tāpēc diēta ar lielu ogļhidrātu daudzumu veicina ergo lipīdu (lipoģenēzes), arī taukskābju, sintēzi.
Iesaistītie fermenti
Acetil-CoA ir divu oglekļa sintēzes bloks, ko izmanto taukskābju veidošanā, jo vairākas no šīm molekulām secīgi ir saistītas ar malonil-CoA molekulu, kas veidojas no acetil-CoA karboksilēšanas.
Pirmais ferments maršrutā un viens no vissvarīgākajiem no tā regulēšanas viedokļa ir tas, kurš ir atbildīgs par acetil-CoA, kas pazīstams kā acetil-CoA karboksilāze (ACC), kas ir komplekss, karboksilēšanu. Fermentatīvs savienojums, kas sastāv no 4 olbaltumvielām un kā kofaktoru izmanto biotīnu.
Tomēr, neskatoties uz dažādu sugu strukturālajām atšķirībām, taukskābju sintāzes enzīms ir atbildīgs par galvenajām biosintētiskajām reakcijām.
Šis ferments patiesībā ir fermentu komplekss, kas sastāv no monomēriem, kuriem ir 7 dažādas fermentatīvās aktivitātes, kas ir vajadzīgas taukskābes pagarināšanai "dzimšanas" laikā.
Šā fermenta 7 aktivitātes var uzskaitīt šādi:
- ACP : acilgrupas nesējproteīns
- acetil-CoA-ACP transacetilāze (AT)
- β-ketoacil-ACP sintāze (KS)
- Malonil-CoA-ACP transferāze (MT)
- β-ketoacil-ACP reduktāze (KR)
- β-hidroksi-acil-ACP dehidrātāze (HD)
- enoil-ĀKK reduktāze (ER)
Dažos organismos, piemēram, baktērijās, taukskābju sintāzes kompleksu veido neatkarīgi proteīni, kas asociējas viens ar otru, bet tos kodē dažādi gēni (II tipa taukskābju sintāzes sistēma).
Rauga taukskābju sintāzes enzīms (Avots: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / Public Domain, via Wikimedia Commons)
Tomēr daudzos eikariotos un dažās baktērijās multienzīms satur vairākas katalītiskas aktivitātes, kuras ir sadalītas dažādos funkcionālos domēnos vienā vai vairākos polipeptīdos, bet ko var kodēt viens un tas pats gēns (I tipa taukskābju sintāzes sistēma).
Posmi un reakcijas
Lielākajā daļā pētījumu, kas veikti par taukskābju sintēzi, ir iesaistīti baktēriju modelī veiktie atklājumi, tomēr arī eukariotisko organismu sintēzes mehānismi ir izpētīti nedaudz.
Svarīgi pieminēt, ka II tipa taukskābju sintāzes sistēmai ir raksturīga tā, ka visi taukskābes starpprodukti ir kovalenti saistīti ar nelielu skābu olbaltumvielu, kas pazīstama kā acils transportētāja proteīns (ACP), kas tos transportē no viena enzīma uz otru.
Eukariotos, gluži pretēji, ACP aktivitāte ir vienas un tās pašas molekulas daļa, saprotot, ka vienam un tam pašam fermentam ir īpaša vieta starpproduktu saistīšanai un to transportēšanai caur dažādiem katalītiskajiem domēniem.
Savienība starp olbaltumvielu vai ACP daļu un tauksenes acilgrupām notiek caur tioestera saitēm starp šīm molekulām un ACP protēzes 4'-fosfopanteteīnu (pantotēnskābi), kas ir sakausēta ar taukskābes karboksilgrupu.
- Sākotnēji ferments acetil-CoA karboksilāze (ACC) ir atbildīgs par taukskābju sintēzes pirmā posma katalizēšanu, kas, kā minēts, ietver acetil-CoA molekulas karboksilēšanu, veidojot starpproduktu no 3 oglekļa atomi, kas pazīstami kā malonil-CoA.
Taukskābju sintāzes komplekss saņem acetil- un malonilgrupas, kurām pareizi "jāaizpilda" tās "tiola" vietas.
Sākotnēji tas notiek ar acetil-CoA pārnešanu uz cisteīna SH grupu enzīma β-ketoacil-ACP sintāzē - reakciju, ko katalizē acetil-CoA-ACP transacetilāze.
Malonilgrupa tiek pārvietota no malonil-CoA uz ĀH olbaltumvielu SH grupu - notikums, ko medijē malonil-CoA-ACP transferāzes ferments, veidojot malonil-ACP.
- Taukskābju pagarināšanas sākšanas stadijā dzimšanas brīdī veido malonil-ACP kondensāciju ar acetil-CoA molekulu, reakciju, ko virza ferments ar β-ketoacil-ACP sintāzes aktivitāti. Šajā reakcijā pēc tam veidojas acetoacetil-ACP un izdalās CO2 molekula.
- Paildzināšanas reakcijas notiek ciklos, kuros vienlaikus tiek pievienoti 2 oglekļa atomi, un katrs cikls sastāv no kondensācijas, reducēšanās, dehidratācijas un otra reducēšanās:
- Kondensācija: acetil- un malonilgrupas kondensējas, veidojot acetoacetil-ACP
- Karbonilgrupas samazināšana: acetoacetil-ACP 3 oglekļa karbonilgrupa tiek samazināta, veidojot D-β-hidroksibutiril-ACP, reakciju, ko katalizē β-ketoacil-ACP-reduktāze, kurā NADPH tiek izmantots kā elektronu donors.
- Dehidratācija: tiek noņemti ūdeņraži starp iepriekšējās molekulas 2. un 3. oglekli, veidojot divkāršu saiti, kas beidzas ar trans-2-butenoil-ACP veidošanos. Reakciju katalizē β-hidroksi-acil-ACP dehidrātāze.
- Divkāršās saites reducēšana: trans-del2-butenoil-ACP divkāršā saite tiek samazināta, veidojot butiril-ACP, iedarbojoties ar enoil-ACP reduktāzi, kurā NADPH tiek izmantots arī kā reducētājs.
Lai turpinātu pagarināšanu, jaunai malonilmolekulai atkal jāsaistās ar taukskābju sintāzes kompleksa ACP daļu un jāsāk ar tās kondensāciju ar butirilgrupu, kas veidojas pirmajā sintēzes ciklā.
Palmitāta struktūra (Avots: Edgar181 / Public domain, izmantojot Wikimedia Commons)
Katrā pagarināšanas posmā ķēdes audzēšanai uz 2 oglekļa atomiem tiek izmantota jauna malonil-CoA molekula, un šīs reakcijas atkārto, līdz tiek sasniegts pareizais garums (16 oglekļa atomi), pēc kura izdalās tioesterāzes enzīms. pilnīga taukskābe hidratējot.
Palmitātu var tālāk pārstrādāt dažāda veida fermenti, kas maina tā ķīmiskās īpašības, tas ir, tie var ieviest nepiesātinātās vielas, pagarināt tā garumu utt.
Regula
Tāpat kā daudzos biosintētiskos vai noārdīšanās ceļus, arī taukskābju sintēzi regulē dažādi faktori:
- Atkarīgs no bikarbonātu jonu (HCO3-), B vitamīna (biotīna) un acetil-CoA klātbūtnes (sākotnējā ceļa posmā), kas ietver acetil-CoA molekulas karboksilēšanu ar karboksilēta starpprodukta palīdzību biotīna, veidojot malonil-CoA).
- Tas ir ceļš, kas notiek, reaģējot uz šūnu enerģijas parametriem, jo, ja ir pietiekams daudzums “metabolisma kurināmā”, pārpalikums tiek pārveidots taukskābēs, kuras enerģijas deficīta laikā tiek uzglabātas turpmākai oksidēšanai.
Runājot par fermenta acetil-CoA karboksilāzes regulēšanu, kas ir visa ceļa ierobežojošais solis, to nomāc palmitoil-CoA, kas ir galvenais sintēzes produkts.
No otras puses, tā alosteriskais aktivators ir citrāts, kas novirza metabolismu no oksidācijas līdz sintēzei uzglabāšanai.
Kad mitohondriju acetil-CoA un ATP koncentrācija palielinās, citrāts tiek transportēts citosolā, kur tas ir gan citozola acetil-CoA sintēzes priekštecis, gan allosteriskas aktivizācijas signāls acetil-CoA karboksilāzei.
Šo fermentu var regulēt arī ar fosforilēšanu - notikumu, ko izraisa glikagona un epinefrīna hormonālā darbība.
Atsauces
- McGenity, T., Van Der Meer, JR, & de Lorenzo, V. (2010). Ogļūdeņražu un lipīdu mikrobioloģijas rokasgrāmata (4716 lpp.). KN Timmis (red.). Berlīne: Springers.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA, un Rodwell, VW (2014). Harpera ilustrētā bioķīmija. Makgreivs.
- Nelsons, DL, & Cox, MM (2009). Lehingera bioķīmijas principi (71.-85. Lpp.). Ņujorka: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Taukskābju metabolisms un tā regulēšana. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Bioķīmija - starptautisks izdevums. Ziemeļkarolīna: Neil Patterson Publishers, 5.