SYNTESE AV LIPIDER: TYPER OG DERES VIKTIGSTE MEKANISMER - BIOLOGI - 2026

Den syntese av lipider består av en serie av enzymatiske reaksjoner ved hjelp av hvilke kortkjedede hydrokarboner som kondenserer for å danne langkjedede molekyler som deretter kan gjennomgå forskjellige kjemiske modifikasjoner.

Lipider er en klasse med svært varierte biomolekyler som er syntetisert av alle levende celler, og som er spesialiserte i flere funksjoner som er viktige for å opprettholde cellens levetid.

Noen eksempler på vanlige lipider: glyserofosfolipider, steroler, glyserolipider, fettsyrer, sfingolipider og prenoler (Kilde: Den opprinnelige opplasteren var Lmaps på engelsk Wikipedia. / GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/ fdl-1.2.html) via Commons, tilpasset av Raquel Parada)

Lipider er hovedkomponentene i biologiske membraner, noe som gjør dem til grunnleggende molekyler for eksistensen av celler som enheter isolert fra omgivelsene.

Noen lipider har også spesialiserte funksjoner som pigmenter, kofaktorer, transportører, vaskemidler, hormoner, intra- og ekstracellulære budbringere, kovalente ankere for membranproteiner, etc. Derfor er evnen til å syntetisere forskjellige typer lipider avgjørende for overlevelsen av alle levende organismer.

Denne store gruppen av forbindelser er tradisjonelt klassifisert i flere kategorier eller undergrupper: fettsyrer (mettede og umettede), glyserider (fosfoglyserider og nøytrale glyserider), ikke-glyseridlipider (sfingolipider (sfingomyeliner og glykolipider), steroider og voks) og komplekse lipider (lipoproteiner).

Typer lipider og deres viktigste syntesemekanismer

Alle reaksjonssekvensene for lipidsbiosynteseveiene er endergonic og reduktive. Med andre ord bruker de alle ATP som energikilde og redusert elektronbærer, for eksempel NADPH, som reduserende kraft.

Deretter vil hovedreaksjonene for de biosyntetiske traséene til hovedtyper av lipider, det vil si fettsyrer og eikosanoider, triacylglyseroler og fosfolipider, og av steroler (kolesterol) bli beskrevet.

- Syntese av fettsyrer

Fettsyrer er ekstremt viktige molekyler fra et lipidsynspunkt, da de er en del av de mest relevante lipidene i celler. Syntesen, i motsetning til hva mange forskere trodde under de første studiene i denne forbindelse, består ikke av den omvendte ruten for β-oksidasjonen.

Faktisk forekommer denne metabolske veien i forskjellige cellerom og krever deltakelse av et tre-karbon-mellomprodukt kjent som malonyl-CoA, noe som ikke er nødvendig for oksidasjon.

Malonyl-CoA. NEUROtiker / Public domain

I tillegg er den nært knyttet til sulfhydrylgruppene av proteiner kjent som acylbærerproteiner (ACP, fra engelske Acyl Carrier Proteins).

Generelt sett er syntesen av fettsyrer, spesielt langkjedede, en sekvensiell prosess der fire trinn blir gjentatt i hver "sving", og under hver sving produseres en mettet acylgruppe som er underlaget for den neste , som innebærer en annen kondensering med et nytt malonyl-CoA-molekyl.

I hver sving eller reaksjonssyklus strekker fettsyrekjeden seg på to karbonatomer til den når en lengde på 16 atomer (palmitat), hvoretter den forlater syklusen.

Malonyl-CoA-formasjon

Dette mellomproduktet av tre karbonatomer er irreversibelt dannet av acetyl-CoA takket være virkningen av et enzym acetyl-CoA-karboksylase, som har en protetisk gruppe biotin som er kovalent bundet til enzymet og som deltar i denne katalysen i To trinn.

I denne reaksjonen blir en karboksylgruppe avledet fra et bikarbonatmolekyl (HCO3-) overført til biotin på en ATP-avhengig måte, hvor biotinylgruppen fungerer som en "midlertidig transportør" av molekylet mens den overføres til acetyl-Coa. , produserer malonyl-CoA.

I fettsyresyntesesekvensen er reduksjonsmidlet som brukes NADPH og de aktiverende gruppene er to tiolgrupper (-SH) som er en del av et multi-enzymkompleks kalt fettsyresyntase, som er den viktigste i katalyse syntetisk.

Hos virveldyr er fettsyresyntasekomplekset en del av en enkelt stor polypeptidkjede, der de 7 karakteristiske enzymatiske aktivitetene på synteseruten er representert, samt den hydrolytiske aktiviteten som er nødvendig for å frigjøre mellomproduktene på slutten av syntese.

Struktur av fettsyresyntaseenzym (Kilde: Boehringer Ingelheim / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) via Wikimedia Commons)

De 7 enzymatiske aktivitetene til dette komplekset er: acylgruppetransportprotein (ACP), acetyl-CoA-ACP-transacetylase (AT), ß-ketoacyl-ACP-syntase (KS), malonyl-CoA-ACP-transferase (MT), ß- ketoacyl-ACP-reduktase (KR), ß-hydroxyacyl-ACP dehydratase (HD), og enoyl-ACP reductase (ER).

Før kondensasjonsreaksjonene kan oppstå for å sette sammen fettsyrkjeden, blir de to tiolgruppene i enzymkomplekset "ladet" med acylgruppene: først overføres en acetyl-CoA til -SH-gruppen til en cystein i ß-ketoacyl-ACP-syntasedelen av komplekset, en reaksjon katalysert av enzymet acetyl-CoA-ACP transacetylase (AT).

Deretter overføres en malonylgruppe fra et malonyl-CoA-molekyl til -SH-gruppen til acylgruppetransportørdelen (ACP) av enzymkomplekset, en reaksjon katalysert av et malonyl-CoA-ACP transferase (MT) enzym, som også Det er en del av fettsyresyntasekomplekset.

Sekvensen av fire reaksjoner for hver "sving" i reaksjonssyklusen er som følger:

1. Kondensasjon: De "ladede" acetyl- og malonylgruppene på enzymet kondenserer for å danne et acetoacetyl-ACP-molekyl, som er festet til ACP-gruppen gjennom en -SH-gruppe. I dette trinnet blir et CO2-molekyl produsert og katalysert av ß-ketoacyl-ACP-syntase (acetylgruppen inntar den "terminale metyl" -posisjonen til acetoacetyl-ACP-komplekset).
2. Reduksjon av karbonylgruppen: karbonylgruppen i C3-posisjonen til acetoacetyl-ACP reduseres for å danne D-ß-hydroksybutyryl-ACP, en reaksjon katalysert av ß-ketoacyl-ACP reduktase, som bruker NADPH som en elektronisk donor.
3. Dehydrering: C2 og C3 karbonatene i D-p-hydroksybutyryl-ACP er blottet for vannmolekyler, og danner en dobbeltbinding som slutter med produksjonen av den nye forbindelsen trans-2-butenoyl-ACP. Denne prosessen er formidlet av et ß-hydroksyacyl-ACP dehydratase (HD) enzym.
4. Dobbeltbindingsreduksjon: dobbeltbindingen av forbindelsen dannet i dehydreringstrinnet er mettet (redusert) for å gi butyryl-ACP gjennom reaksjonen katalysert av enzymet enoyl-ACP reduktase (ER), som også bruker NADPH som et reduksjonsmiddel .

Syntesereaksjoner forekommer til det dannes et molekyl av palmitat (16 karbonatomer), som hydrolyseres fra enzymkomplekset og frigjøres som en mulig forløper for fettsyrer med lengre kjeder, som produseres av forlengelsessystemer. av fettsyrer lokalisert i den glatte delen av endoplasmatisk retikulum og i mitokondriene.

De andre modifikasjonene som disse molekylene kan gjennomgå, for eksempel desaturasjoner, katalyseres av forskjellige enzymer, som vanligvis forekommer i den glatte endoplasmatiske retikulum.

- Syntese av eikosanoider

Eikosanoider er cellulære lipider som fungerer som "kortdistanse" messenger-molekyler, produsert av noen vev for å kommunisere med celler i nabovevet. Disse molekylene syntetiseres fra flerumettede fettsyrer med 20 karbonatomer.

prostaglandiner

Som svar på hormonstimulering angriper enzymet fosfolipase A membranfosfolipider og frigjør arachidonat fra 2-karbonet av glyserol. Denne forbindelsen omdannes til prostaglandiner takket være et enzym av den glatte endoplasmatiske retikulum med bifunksjonell aktivitet: cyclooxygenase (COX) eller prostaglandin H2 synthase.

tromboxaner

Prostaglandiner kan omdannes til tromboxaner takket være tromboxansyntase som er tilstede i blodplater (trombocytter). Disse molekylene deltar i de første trinnene i blodpropp.

- Syntese av triacylglyseroler

Fettsyrer er grunnleggende molekyler for syntese av andre mer komplekse forbindelser i celler, for eksempel triacylglyseroler eller membranlipider glyserofosfolipider (prosesser som avhenger av cellulære metabolske behov).

Dyr produserer triacylglyseroler og glyserofosfolipider fra to vanlige forløpere: fet acyl-CoA og L-glyserol 3-fosfat. Fettaktig acyl-CoA produseres av acyl-CoA-syntetaser som deltar i ß-oksidasjon, mens L-glyserol 3-fosfat oppnås fra glykolyse og ved virkning av to alternative enzymer: glyserol 3-fosfat dehydrogenase og glyserolkinase.

Triacylglyceroler dannes ved reaksjonen mellom to molekyler fett acyl-CoA og ett molekyl diacylglycerol 3-fosfat; Disse overføringsreaksjonene katalyseres av spesifikke acyltransferaser.

I denne reaksjonen blir fosfatidinsyre opprinnelig produsert, som defosforyleres av et enzym fosfatidinsyre-fosfatase for å produsere 1,2-diacylglycerol, som igjen er i stand til å akseptere et tredje molekyl med fet acyl-CoA, og produserer triacylglycerol.

- Fosfolipidsyntese

Fosfolipider er svært varierende molekyler, siden mange forskjellige kan dannes ved kombinasjonen av fettsyrer og forskjellige "hode" -grupper med glyserol (glyserofosfolipider) eller sfingosin (sfingolipider) skjelett som kjennetegner dem.

Den generelle sammensetningen av disse molekylene krever syntese av glyserol eller sfingosinryggraden, foreningen med de tilsvarende fettsyrene, enten ved forestring eller amidering, tilsetning av en hydrofil "hode" -gruppe gjennom en fosfodiesterbinding og, om nødvendig endring eller utveksling av sistnevnte grupper.

I eukaryoter skjer denne prosessen i den glatte endoplasmatiske retikulaturen og også i den indre mitokondrielle membranen, hvor de kan forbli på ubestemt tid eller fra hvor de kan omplasseres til andre steder.

Reaksjonstrinn

De første trinnene i glyserofosfolipidsyntesereaksjonen tilsvarer de som er fremstilt av triacylglyseroler, siden et molekyl av glyserol 3-fosfat er forestret til to fettsyremolekyler ved karbon 1 og 2, og danner fosfatidinsyre. Det er vanlig å finne fosfolipider som har fettsyrer mettet i C1 og umettet i C2 av glyserol.

Fosfatidinsyre kan også produseres ved fosforylering av et allerede syntetisert eller "resirkulert" diacylglycerolmolekyl.

De polare "hode" -gruppene til disse molekylene dannes gjennom fosfodiesterbindinger. Det første som må skje for at denne prosessen skal skje riktig, er "aktivering" av en av hydroksylgruppene som deltar i prosessen ved å binde seg til et nukleotid som cytidindifosfat (CDP), som er fortrengt nukleofil av den andre gruppen. hydroksyl som deltar i reaksjonen.

Hvis dette molekylet binder seg til diacylglycerol, dannes CDP-diacylglycerol (den "aktiverte" formen av fosfatidsyre), men dette kan også forekomme på hydroksylgruppen i "hodet" -gruppen.

Når det gjelder fosfatidylserin, aktiveres for eksempel diacylglycerol ved kondensasjon av fosfatidinsyremolekylet med et cytidintrifosfat (CTP) molekyl, og danner CDP-diacylglycerol og eliminerer et pyrofosfat.

Hvis et molekyl av CMP (cytidinmonofosfat) fortrenges ved et nukleofilt angrep av hydroksyl av serin eller hydroksyl ved 1-karbon av glyserol 3-fosfat, kan fosfatidylserin eller fosfatidylglyserol 3-fosfat frigjøres, hvorfra fosfatmonoester kan frigjøres og produsere fosfatidylglyserol.

Begge molekyler produsert på denne måten fungerer som forløpere for andre membranlipider, som ofte deler biosyntetiske veier med hverandre.

- Syntese av kolesterol

Kolesterol er et essensielt molekyl for dyr som kan syntetiseres av cellene, så det er ikke viktig i det daglige kostholdet. Dette molekylet med 27 karbonatomer er produsert fra en forløper: acetat.

Dette komplekse molekylet er dannet fra acetyl-CoA i fire hovedstadier:

1. Kondensasjon av tre acetatenheter for å danne mevalonat, et 6-karbon mellomprodukt molekyl (først dannes et molekyl av acetoacetyl-CoA med to acetyl-CoA (tiolasaseenzym) og deretter et annet av p-hydroksy-p-metylglutaryl-CoA ( HMG-CoA) (HMG-CoA-syntetase-enzym) Mevalonat dannes fra HMG-CoA og takket være enzymet HMG-CoA-reduktase.
2. Konvertering av mevalonat til isoprenenheter. De første 3 fosfatgruppene overføres fra 3 ATP-molekyler til mevalonatet. Ett av fosfatene går tapt sammen med den tilstøtende karbonylgruppen og det dannes ∆3-isopentenylpyrofosfat, som er isomerisert for å produsere dimetylallyl pyrofosfat
3. Polymerisering eller kondensering av 6C5 isoprenenheter for å danne C30-squalen (et lineært molekyl).
4. Squalen-syklisering for å danne de 4 ringene i steroidkjernen av kolesterol og påfølgende kjemiske forandringer: oksidasjoner, migrasjon og eliminering av metylgrupper, etc., som gir kolesterol.

referanser

1. Garrett, RH, & Grisham, CM (2001). Prinsipper for biokjemi: med et menneskelig fokus. Brooks / Cole Publishing Company.
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA, & Rodwell, VW (2014). Harpers illustrerte biokjemi. McGraw-Hill.
3. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehninger-prinsippene for biokjemi. Macmillan.
4. Jacquemyn, J., Cascalho, A., & Goodchild, RE (2017). Inn- og uttakene til endoplasmatisk retikulumstyrt lipidsbiosyntese. EMBO rapporterer, 18 (11), 1905-1921.
5. Ohlrogge, J., & Browse, J. (1995). Lipidsbiosyntese. Plantecellen, 7 (7), 957.