LIPĪDU SINTĒZE: VEIDI UN TO GALVENIE MEHĀNISMI - BIOLOĢIJA - 2025

Lipīdu sintēze sastāv no virknes enzīmu reakcijās, ar kura palīdzību īsas ķēdes ogļūdeņraži kondensēt lai veidotu garākas-ķēdes molekulas, kas var pēc tam tiek pakļauti dažādu ķīmisku modifikācijas.

Lipīdi ir ļoti daudzveidīgu biomolekulu grupa, ko sintezē visas dzīvās šūnas un kuras specializējas vairākās funkcijās, kas ir svarīgas šūnu dzīves uzturēšanai.

Daži parasto lipīdu piemēri: glicerofosfolipīdi, sterīni, glicerolipīdi, taukskābes, sfingolipīdi un prenoli (Avots: Sākotnējais augšupielādētājs bija Lmaps angļu Vikipēdijā. / GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/ fdl-1.2.html) caur Commons, pielāgojusi Rakela Parada)

Lipīdi ir bioloģisko membrānu galvenās sastāvdaļas, kas padara tās par pamata molekulām šūnu pastāvēšanai kā no apkārtējās vides izolētām vienībām.

Dažiem lipīdiem ir arī īpašas funkcijas, piemēram, pigmenti, kofaktori, transportētāji, mazgāšanas līdzekļi, hormoni, intra- un ārpusšūnu kurjeri, kovalenti enkuri membrānas olbaltumvielām utt. Tāpēc spēja sintezēt dažāda veida lipīdus ir kritiska visu dzīvo organismu izdzīvošanai.

Šo lielo savienojumu grupu tradicionāli klasificē vairākās kategorijās vai apakšgrupās: taukskābes (piesātinātās un nepiesātinātās), glicerīdi (fosfoglicerīdi un neitrālie glicerīdi), glicerīdu lipīdi (sfingolipīdi (sfingomielīni un glikolipīdi), steroīdi un vaski) un kompleksie lipīdi (lipoproteīni).

Lipīdu veidi un to galvenie sintēzes mehānismi

Visas lipīdu biosintēzes ceļu reakcijas ir endergoniskas un reducējošas. Citiem vārdiem sakot, viņi visi izmanto ATP kā enerģijas avotu un samazinātu elektronu nesēju, piemēram, NADPH, kā reducējošo jaudu.

Tālāk tiks aprakstītas galveno lipīdu tipu, tas ir, taukskābju un eikosanoīdu, triacilglicerīnu un fosfolipīdu, kā arī sterīnu (holesterīna), biosintētisko ceļu galvenās reakcijas.

- Taukskābju sintēze

Taukskābes ir ārkārtīgi svarīgas molekulas no lipīdu viedokļa, jo tās ir daļa no visatbilstošākajiem lipīdiem šūnās. Tās sintēze, pretēji daudzu zinātnieku domām pirmajos pētījumos šajā sakarā, nesastāv no β-oksidācijas apgrieztā ceļa.

Faktiski šis metabolisma ceļš notiek dažādos šūnu nodalījumos un prasa trīs oglekļa starpproduktu, kas pazīstams kā malonil-CoA, piedalīšanos, kas nav nepieciešams oksidēšanai.

Malonyl-CoA. NEUROtiker / Public domain

Turklāt tas ir cieši saistīts ar olbaltumvielu sulfhidrilgrupām, kas pazīstamas kā acil nesējproteīni (ACP, no angļu valodas Acyl Carrier Proteins).

Kopumā taukskābju, īpaši garu ķēžu, sintēze ir secīgs process, kurā katrā "pagriezienā" atkārtojas četras darbības, un katra pagrieziena laikā veidojas piesātināta acilgrupa, kas ir nākamā substrāts. , kas ietver vēl vienu kondensāciju ar jaunu malonil-CoA molekulu.

Katrā reakcijas pagriezienā vai ciklā taukskābju ķēde pagarina divus oglekļa atomus, līdz tie sasniedz 16 atomu garumu (palmitāts), pēc kura tas iziet no cikla.

Malonyl-CoA veidošanās

Šis trīs oglekļa atomu starpprodukts tiek neatgriezeniski izveidots no acetil-CoA, pateicoties enzīma acetil-CoA karboksilāzes darbībai. Tam ir protezēta biotīna grupa, kas ir kovalenti saistīta ar enzīmu un piedalās šajā katalīzē Divas darbības.

Šajā reakcijā no bikarbonāta molekulas (HCO3-) iegūtā karboksilgrupa tiek pārnesta uz biotīnu no ATP atkarīgā veidā, kur biotinilgrupa darbojas kā molekulas “pagaidu transportētājs”, pārnesot to uz acetil-Coa. , kas ražo malonil-CoA.

Taukskābju sintēzes secībā reducējošais līdzeklis ir NADPH, un aktivējošās grupas ir divas tiolu grupas (-SH), kas ir daļa no daudzu enzīmu kompleksa, ko sauc par taukskābju sintāzi, kas ir vissvarīgākais katalīzē sintētisks.

Mugurkaulniekiem taukskābju sintāzes komplekss ir daļa no vienas lielas polipeptīdu ķēdes, kurā ir pārstāvētas 7 raksturīgās sintēzes ceļa fermentatīvās aktivitātes, kā arī hidrolītiskā aktivitāte, kas nepieciešama starpproduktu atbrīvošanai beigās. sintēze.

Taukskābju sintāzes enzīma struktūra (Avots: Boehringer Ingelheim / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0), izmantojot Wikimedia Commons)

Šī kompleksa 7 fermentatīvās aktivitātes ir: acilgrupas transportētājproteīns (ACP), 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) un enoil-ACP reduktāze (ER).

Pirms notiek kondensācijas reakcijas, lai saliktu taukskābju ķēdi, enzīmu kompleksā abas tiolu grupas tiek "uzlādētas" ar acilgrupām: vispirms acetil-CoA tiek pārnesta uz -SH grupu cisteīns β-ketoacil-ACP sintāzes kompleksa daļā - reakcija, ko katalizē enzīma acetil-CoA-ACP transacetilāze (AT).

Pēc tam malonilgrupu no malonil-CoA molekulas pārnes uz enzīmu kompleksa acilgrupas transportētāja daļas (ACP) -SH grupu - reakciju, ko katalizē malonil-CoA-ACP transferāzes (MT) ferments, kas arī Tā ir daļa no taukskābju sintāzes kompleksa.

Četru reakciju secība katram reakcijas cikla "pagriezienam" ir šāda:

1. Kondensācija: Fermenta "uzlādētās" acetil- un malonilgrupas kondensējas, veidojot acetoacetil-ACP molekulu, kas ar -SH grupas palīdzību tiek piesaistīta ACP daļai. Šajā posmā tiek iegūta un katalizēta CO2 molekula ar β-ketoacil-ACP sintāzi (acetilgrupa aizvieto acetoacetil-ACP kompleksa "terminālo metilgrupu").
2. Karbonilgrupas samazināšana: acetoacetil-ACP C3 stāvoklī karbonilgrupa tiek samazināta, veidojot D-β-hidroksibutiril-ACP, reakciju, ko katalizē β-ketoacil-ACP reduktāze, kurā NADPH tiek izmantots kā elektronu donors.
3. Dehidratācija: D-β-hidroksibutiril-ACP C2 un C3 oglekļos nav ūdens molekulu, veidojot divkāršu saiti, kas beidzas ar jauna savienojuma - trans-2-butenoil-ACP - veidošanos. Šo procesu veic β-hidroksiacil-ACP dehidratāzes (HD) enzīms.
4. Divkāršās saites reducēšana: dehidratācijas posmā izveidotā savienojuma dubultā saite ir piesātināta (reducēta), iegūstot butiril-ACP caur reakciju, ko katalizē enzīma enoil-ACP reduktāze (ER), kurā NADPH tiek izmantots arī kā reducētājs .

Sintēzes reakcijas notiek, līdz veidojas palmitāta molekula (16 oglekļa atomi), kas tiek hidrolizēta no fermentatīvā kompleksa un tiek atbrīvota kā iespējamais taukskābju prekursors ar garākām ķēdēm, kuras veido pagarināšanas sistēmas. taukskābju, kas atrodas endoplazmatiskā retikulārajā daļā un mitohondrijos.

Citas modifikācijas, kuras var veikt šīs molekulas, piemēram, dezaturācijas, piemēram, katalizē dažādi fermenti, kas parasti notiek gludā endoplazmatiskā retikulumā.

- Eikosanoīdu sintēze

Eikozanoīdi ir šūnu lipīdi, kas darbojas kā "maza darbības attāluma" kurjera molekulas, kurus ražo daži audi, lai sazinātos ar šūnām kaimiņu audos. Šīs molekulas tiek sintezētas no 20 oglekļa atomu polinepiesātinātajām taukskābēm.

Prostaglandīni

Reaģējot uz hormonālo stimulāciju, ferments fosfolipāze A uzbrūk membrānas fosfolipīdiem un izdala arahidonātu no 2-oglekļa glicerīna. Šis savienojums tiek pārveidots par prostaglandīniem, pateicoties gluda endoplazmatiska retikuluma fermentam ar bifunkcionālu aktivitāti: ciklooksigenāzi (COX) vai prostaglandīna H2 sintāzi.

Tromboksāni

Prostaglandīnus var pārveidot par tromboksāniem, pateicoties tromboksāna sintāzei, kas atrodas asins trombocītos (trombocītos). Šīs molekulas piedalās sākotnējās asins recēšanas stadijās.

- Triacilglicerīnu sintēze

Taukskābes ir būtiskas molekulas citu sarežģītāku savienojumu sintēzei šūnās, piemēram, triacilglicerīni vai membrānas lipīdi glicerofosfolipīdi (procesi, kas ir atkarīgi no šūnu metabolisma vajadzībām).

Dzīvnieki ražo triacilglicerīnus un glicerofosfolipīdus no diviem kopīgiem prekursoriem: taukskābes acil-CoA un L-glicerīna 3-fosfāta. Taukskābju acil-CoA iegūst acil-CoA sintēzes, kas piedalās β-oksidācijā, bet L-glicerīna 3-fosfātu iegūst glikolīzes rezultātā un divu alternatīvu enzīmu ietekmē: glicerīna 3-fosfāts dehidrogenāze un glicerīna kināze.

Triacilglicerīni veidojas, reaģējot starp divām tauku acil-CoA molekulām un vienu diacilglicerīna 3-fosfāta molekulu; Šīs pārnešanas reakcijas katalizē īpašas acil-transferāzes.

Šajā reakcijā sākotnēji veidojas fosfatidīnskābe, kuru fosforilē ar enzīma fosfatidilskābes fosfatāzi, lai iegūtu 1,2-diacilglicerīnu, kas atkal ir spējīgs uzņemt trešās taukses acil-CoA molekulu, veidojot triacilglicerīnu.

- Fosfolipīdu sintēze

Fosfolipīdi ir ļoti mainīgas molekulas, jo, apvienojot taukskābes un dažādas “galvas” grupas ar tām raksturīgo glicerīna (glicerofosfolipīdi) vai sfingozīna (sfingolipīdi) skeletu, var veidoties daudz dažādu.

Šo molekulu vispārējai montāžai ir nepieciešams sintēze glicerīna vai sfingozīna mugurkaulam, savienojumam ar attiecīgajām taukskābēm, vai nu esterificējot vai amidējot, pievienojot hidrofilu "galvas" grupu caur fosfodiestera saiti un ja nepieciešams, pēdējo grupu mainīšana vai apmaiņa.

Eikariotos šis process notiek gludā endoplazmatiskā retikulumā un arī iekšējā mitohondriju membrānā, kur tie var palikt uz nenoteiktu laiku vai no kurienes tos var pārvietot uz citām vietām.

Reakcijas soļi

Pirmie glicerofosfolipīdu sintēzes reakcijas posmi ir līdzvērtīgi triacilglicerīnu iegūšanas soļiem, jo ​​3-fosfāta glicerīna molekula tiek esterificēta uz divām taukskābju molekulām pie 1. un 2. oglekļa, veidojot fosfatidilskābi. Parasti ir atrodami fosfolipīdi, kuriem taukskābes ir piesātinātas C1 un nepiesātinātas glicerīna C2.

Fosfatidīnskābi var ražot arī jau sintezētas vai "pārstrādātas" diacilglicerīna molekulas fosforilēšanā.

Šo molekulu polārās "galvas" grupas veidojas caur fosfodiestera saitēm. Pirmā lieta, kurai jānotiek, lai šis process noritētu pareizi, ir vienas no hidroksilgrupu, kas piedalās procesā, "aktivizēšana", saistoties ar nukleotīdu, piemēram, citidīna difosfātu (CDP), kuru nukleofīli izspiež otra grupa. hidroksilgrupa, kas piedalās reakcijā.

Ja šī molekula saistās ar diacilglicerīnu, tad veidojas CDP-diacilglicerīns (fosfatidilskābes "aktivētā" forma), bet tas var notikt arī "galvas" grupas hidroksilgrupā.

Piemēram, fosfatidilserīna gadījumā diacilglicerīnu aktivizē, kondensējot fosfatidīnskābes molekulu ar citidīna trifosfāta (CTP) molekulu, veidojot CDP-diacilglicerīnu un izvadot pirofosfātu.

Ja CMP (citidīna monofosfāts) molekulu pārvieto ar serīna hidroksilgrupas vai hidroksilgrupas nukleofīlo uzbrukumu pie 3-fosfāta glicerīna 1-oglekļa, var atbrīvoties fosfatidilserīns vai fosfatidilglicerīna 3-fosfāts, no kura var atbrīvoties fosfāta monoesteris un ražo fosfatidilglicerīnu.

Abas šādā veidā saražotās molekulas kalpo par prekursoriem citiem membrānas lipīdiem, kuriem bieži ir kopīgi biosintēzes ceļi.

- Holesterīna sintēze

Holesterīns ir būtiska molekula dzīvniekiem, ko var sintezēt viņu šūnas, tāpēc ikdienas uzturā tas nav būtisks. Šo 27 oglekļa atomu molekulu iegūst no prekursora: acetāta.

Šī sarežģītā molekula tiek veidota no acetil-CoA četrās galvenajās stadijās:

1. Trīs acetāta vienību kondensācija, veidojot mevalonātu, 6 oglekļa starpposma molekulu (vispirms tiek izveidota acetoacetil-CoA molekula ar diviem acetil-CoA (tiolazes ferments) un pēc tam vēl ar β-hidroksi-β-metilglutaril-CoA ( HMG-CoA) (HMG-CoA sintetāzes enzīms) Mevalonāts tiek veidots no HMG-CoA un, pateicoties fermentam HMG-CoA reduktāzes.
2. Mevalonāta pārvēršana izoprēna vienībās. Pirmās 3 fosfātu grupas tiek pārnestas no 3 ATP molekulām uz mevalonātu. Viens no fosfātiem tiek zaudēts kopā ar blakus esošo karbonilgrupu un veidojas ∆3-izopentenilpirofosfāts, kas tiek izomerizēts, lai iegūtu dimetilalilpirofosfātu
3. 6 C 5 izoprēna vienību polimerizācija vai kondensācija, veidojot C 30 skvalēnu (lineāru molekulu).
4. Skvalēna ciklizācija, veidojot holesterīna steroīdu kodola 4 gredzenus, un sekojošās ķīmiskās izmaiņas: oksidācijas, metilgrupu migrācija un eliminācija utt., Kas rada holesterīnu.

Atsauces

1. Garrett, RH, & Grisham, CM (2001). Bioķīmijas principi: pievēršot uzmanību cilvēkam. Brooks / Cole izdevniecības uzņēmums.
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA, un Rodwell, VW (2014). Harpera ilustrētā bioķīmija. Makgvila.
3. Nelsons, DL, Lehingers, AL, & Cox, MM (2008). Lehingera bioķīmijas principi. Makmillans.
4. Jacquemyn, J., Cascalho, A., & Goodchild, RE (2017). Endoplazmatiskas retikulāra kontrolētas lipīdu biosintēzes stiprie un mazie punkti. EMBO ziņojumi, 18 (11), 1905–1921.
5. Ohlrogge, J., & Browse, J. (1995). Lipīdu biosintēze. Augu šūna, 7 (7), 957.