МАСТНИ КИСЕЛИНИ: СТРУКТУРА, ВИДОВЕ, ФУНКЦИИ, БИОСИНТЕЗ - БИОЛОГИЯ - 2025

На мастни киселини са органични макромолекули, получени от въглеводороди, които се състоят от дълги вериги от въглеродни атоми и водород като хидрофобност (са мастно) и са структурната основа на мазнини и липиди.

Те са много разнообразни молекули, които се отличават една от друга по дължината на техните въглеводородни вериги и наличието, броя, позицията и / или конфигурацията на техните двойни връзки.

Обща схема на наситена мастна киселина (Източник: Laghi.l през Wikimedia Commons)

В липидите на животни, растения, гъби и микроорганизми като бактерии и мая са описани повече от 100 различни класа мастни киселини и се считат за специфични за повечето видове животни видове и тъкани.

Маслата и мазнините, които човек консумира ежедневно, независимо дали са от животински или растителен произход, се състоят главно от мастни киселини.

Въведение

Маслото, освен всичко друго, по същество е съставено от мастни киселини (Източник: Africa Studio, чрез pixabay.com)

Молекулите на мастната киселина изпълняват важни функции на клетъчно ниво, превръщайки ги в основни компоненти и тъй като някои от тях не могат да бъдат синтезирани от животни, те трябва да ги получат от диетата.

Мастните киселини са рядко срещани като свободни видове в клетъчния цитозол, така че те обикновено се намират като част от други молекулни конюгати като:

- Липиди, в биологични мембрани.

- Триглицериди или естери на мастни киселини, които служат като резерв при растенията и животните.

- Восъци, които са твърди естери на дълговерижни мастни киселини и алкохоли.

- Други подобни вещества.

При животни мастните киселини се съхраняват в цитоплазмата на клетките като малки капчици мазнини, съставени от комплекс, наречен триацилглицерол, който не е нищо повече от молекула глицерол, към която се е свързала, във всеки от своите атоми на въглерод, верига на мастни киселини чрез естерни връзки.

Докато бактериите притежават къси и обикновено мононенаситени мастни киселини, в природата е обичайно да се откриват мастни киселини, чиито вериги имат четен брой въглеродни атоми, обикновено между 14 и 24, наситени, мононенаситени или полиненаситени.

структура

Мастните киселини са амфипатни молекули, тоест те имат два химически определени области: хидрофилна полярна област и хидрофобна аполарна област.

Хидрофобният регион е съставен от дълга въглеводородна верига, която в химическо отношение не е много реактивна. Хидрофилната област, от друга страна, е съставена от терминална карбоксилна група (-COOH), която се държи като киселина.

Тази терминална карбоксилна група или карбоксилна киселина йонизира в разтвор, е силно реактивна (химически казано) и е много хидрофилна, като по този начин представлява ковалентно свързващо място между мастната киселина и други молекули.

Дължината на въглеводородните вериги на мастните киселини обикновено има четен брой въглеродни атоми и това е тясно свързано с биосинтетичния процес, чрез който те се произвеждат, тъй като растежът им се осъществява на двойки въглерод.

Най-често срещаните мастни киселини имат вериги между 16 и 18 въглеродни атома и при животните тези вериги не са разклонени.

класификация

Мастните киселини се класифицират в две големи групи според естеството на връзките, които ги съставят, тоест според наличието на единични връзки или двойни връзки между въглеродните атоми на техните въглеводородни вериги.

По този начин има наситени и ненаситени мастни киселини.

- Наситените мастни киселини имат само единични въглерод-въглеродни връзки и всичките им въглеродни атоми са "наситени" или са свързани към молекулите на водорода.

- Ненаситените мастни киселини имат една или повече двойни връзки въглерод-въглерод и не всички от тях са свързани към водороден атом.

Ненаситените мастни киселини също се разделят според броя на ненаситените (двойни връзки) на мононенаситени, тези със само една двойна връзка и полиненаситени, тези с повече от една.

Наситени мастни киселини

Те обикновено имат между 4 и 26 въглеродни атома, свързани чрез единични връзки. Точката на топене му е пряко пропорционална на дължината на веригата, тоест на нейното молекулно тегло.

Мастните киселини, които имат между 4 и 8 въглерода, са течни при 25 ° С и са тези, които съставят ядливи масла, докато тези с повече от 10 въглеродни атома са твърди.

Сред най-разпространените е лауриновата киселина, която е в изобилие от палмови ядки и кокосови масла; палмитинова киселина, намираща се в палма, какао и свинска мас и стеаринова киселина, намираща се в какао и хидрогенирани масла.

Те са мастни киселини с много по-голяма стабилност от ненаситените мастни киселини, особено срещу окисляване, поне при физиологични условия.

Тъй като единичните връзки въглерод-въглерод могат да се въртят свободно, наситените мастни киселини са много гъвкави молекули, въпреки че стеричното затруднение прави напълно разширената структура най-енергийно стабилна.

Ненаситени мастни киселини

Тези мастни киселини са силно реактивни и податливи на насищане и окисляване. Те са често срещани при растенията и морските организми. Тези, които имат само една двойна връзка, са известни като мононенаситени или моноенонови, докато тези с повече от две са известни като полиенова или полиненаситена.

Наличието на двойни връзки е често срещано между въглеродните атоми между позиции 9 и 10, но това не означава, че мононенаситени мастни киселини с ненаситеност в друга позиция не са открити.

За разлика от наситените, ненаситените мастни киселини са изброени не от крайната карбоксилна група, а според позицията на първата двойна връзка С - С. Така те се разделят на две групи, омега-6 или ω6 киселини. и омега-3 или ω3.

Омега-6 киселините имат първата двойна връзка при въглерод номер 6, а омега-3 киселините я имат при въглерод номер 3. Името ω се дава от двойната връзка, най-близка до крайната метилова група.

Двойните връзки могат да се намерят и в две геометрични конфигурации, известни като "cis" и "trans".

Повечето от естествените ненаситени мастни киселини имат "цис" конфигурация и двойните връзки на мастните киселини, присъстващи в търговските (хидрогенирани) мазнини, са в "транс".

В полиненаситените мастни киселини, две двойни връзки обикновено са разделени една от друга поне една метилова група, тоест един въглероден атом, свързан към два водородни атома.

Характеристика

Мастните киселини имат множество функции в живите организми и, както бе споменато по-горе, една от основните им функции е като съществена част от липидите, които са основните компоненти на биологичните мембрани и една от трите най-обилни биомолекули в организмите. жив във връзка с протеини и въглехидрати.

Те също са отлични енергийни субстрати, благодарение на които се получават големи количества енергия под формата на АТФ и други междинни метаболити.

Като се има предвид, че животните например не са в състояние да съхраняват въглехидрати, мастните киселини представляват основния източник на съхранение на енергия, който идва от окисляването на консумираните в излишък захари.

Късоверижните наситени мастни киселини в дебелото черво участват в стимулирането на абсорбцията на вода и натриеви, хлоридни и бикарбонатни йони; Освен това те имат функции в производството на слуз, в пролиферацията на колоноцити (клетки на дебелото черво) и др.

Ненаситените мастни киселини са особено изобилни в хранителни растителни масла, които са важни в диетата на всички хора.

Маслата, които консумираме ежедневно, са мастни киселини (Източник: stevepb, чрез pixabay.com)

Други участват като лиганди на някои протеини с ензимни активности, поради което те са важни по отношение на тяхното въздействие върху енергийния метаболизъм на клетките, където се намират.

Биосинтеза

Разграждането на мастни киселини е известно като β-окисляване и се случва в митохондриите на еукариотните клетки. Напротив, биосинтезата се осъществява в цитозола на животинските клетки и в хлоропластите (фотосинтетичните органели) на растителните клетки.

Това е процес, зависим от ацетил-КоА, малонил-КоА и NADPH, среща се във всички живи организми и при „висши“ животни, като бозайници. Например, той е много важен в черния дроб и мастните тъкани, както и в млечните жлези.

Използваният за този път NADPH е продукт главно от NADP-зависимите окислителни реакции на пентазофосфатния път, докато ацетил-CoA може да идва от различни източници, например от окислителното декарбоксилиране на пируват, т.е. Кребсов цикъл и β-окисляване на мастни киселини.

Пътят на биосинтеза, подобен на β-окисляването, е силно регулиран във всички клетки чрез алостерични ефектори и ковалентни модификации на ензими, които участват в регулирането.

-Малонил-коА синтез

Пътят започва с образуването на метаболитен междинен продукт, известен като малонил-КоА от молекула ацетил-КоА и се катализира от многофункционален ензим, наречен ацетил-КоА карбоксилаза.

Тази реакция е свързана с биотин добавка на карбоксилна молекула (-COOH, карбоксилиране) и протича в два етапа:

1. Първо, АТФ-зависимият трансфер на карбоксил-производен от бикарбонат (HCO3-) към молекула биотин става като протезна (не-протеинова) група, свързана с ацетил-КоА карбоксилаза.
2. Впоследствие CO2 се прехвърля в ацетил-коА и се получава малонил-соА.

-Реакции на маршрута

При животни образуването на въглехидратни вериги от мастни киселини става по-нататък чрез последователни реакции на кондензация, катализирани от мултимерен и многофункционален ензим, известен като синтаза на мастни киселини.

Този ензим катализира кондензацията на ацетил-КоА единица и множество молекули малонил-КоА, които се получават от реакцията на ацетил-КоА карбоксилаза, процес, при който се отделя една молекула на CO2 за всеки малонил-КоА, който добавя.

Нарастващите мастни киселини се естерифицират до протеин, наречен "протеин на ацилов носител" или ACP, който образува тиоестери с ацилни групи. В E. coli този протеин е 10 kDa полипептид, но при животни той е част от комплекса на синтазата на мастни киселини.

Разкъсването на тези тиоестерни връзки освобождава големи количества енергия, което прави възможно, термодинамично казано, появата на стъпки на кондензация в биосинтетичния път.

Комплекс от мастна киселина на синтаза

При бактериите активността на синтазата на мастните киселини всъщност съответства на шест независими ензими, които използват ацетил-коА и малонил-коА, за да образуват мастните киселини и с които са свързани шест различни ензимни активности.

Хомодимерен и многофункционален комплекс от синтази на мастни киселини от животни (Източник: Boehringer Ingelheim чрез Wikimedia Commons)

При бозайниците, напротив, синтазата на мастни киселини е многофункционален хомодимерен ензимен комплекс с молекулно тегло около 500 kDa, който има шест различни каталитични активности и с които се свързва протеина носител на ацил.

Стъпка 1: реакция на грундиране

Тиоловите групи в цистеиновите остатъци, отговорни за свързването на метаболитните междинни съединения към ACP ензима, трябва да бъдат заредени, преди началото на синтеза, с необходимите ацилни групи.

За да направите това, ацетиловата група на ацетил-соА се прехвърля в тиоловата група (-SH) на един от цистеиновите остатъци от АСФ субединицата на синтазата на мастни киселини. Тази реакция се катализира от субединицата ACP-ацил-трансфераза.

След това ацетил групата се прехвърля от АСР до друг цистеинов остатък в каталитичния сайт на друга ензимна субединица на комплекса, известен като β-кетоацил-АСР-синтаза. По този начин ензимният комплекс се "грундира", за да започне синтеза.

Стъпка 2: Прехвърляне на единици малонил-КоА

Малонил-КоА, който се произвежда от ацетил-КоА карбоксилаза, се прехвърля в тиоловата група в АКТФ и по време на тази реакция частта на CoA се губи. Реакцията се катализира от малонил-АСР-трансферазната субединица на комплекса на синтазата на мастни киселини, който след това произвежда малонил-АСР.

По време на този процес малониловата група се свързва съответно с естер и β-кетоацил-АСР-синтаза чрез естер и друга сулфхидрилна връзка.

Стъпка 3: Кондензация

Ензимът β-кетоацил-АСР-синтаза катализира прехвърлянето на ацетил групата, която беше прикрепена към нея в етапа на "грундиране" към 2-въглерода на малониловата група, който в предишния етап беше прехвърлен в АСР.

По време на тази реакция се отделя CO2 молекула от малонил, което съответства на CO2, осигурен от бикарбонат в реакцията на карбоксилаза на ацетил-КоА карбоксилаза. След това се произвежда ацетоацетил-АСР.

Стъпка 4: Намаляване

Субединицата на β-кетоацил-АСР-редуктаза катализира редукцията на ацетоацетил-АСР-NADPH, като по този начин образува D-β-хидроксибутирил-АСР.

Стъпка 5: дехидратация

В този етап се образува транс-α, β-ацил-ACP или ∆2-ненаситен-ацил-ACP (кратонил-ACP), продукт на дехидратацията на D-β-хидроксибутирил-ACP под действието на еноилната субединица. АКТБ-хидратаза.

По-късно кратонил-АСР се редуцира до бутирил-АСР от NADPH-зависима реакция, катализирана от еноил-АСР-редуктазната субединица. Тази реакция завършва първия от седемте цикъла, които са необходими за производството на палмитоил-АСР, който е предшественик на почти всички мастни киселини.

Как протичат последващите реакции на кондензация?

Бутириловата група се прехвърля от ACP към тиоловата група на цистеинов остатък в β-кетоацил-АСР-синтаза, при което ACP е в състояние да приеме друга малонилова група от malonil-CoA.

По този начин реакцията, която се случва, е кондензацията на малонил-АСР с бутурил-β-кетоацил-АСР-синтаза, което води до β-кетохексаноил-ACP + CO2.

Палмитоил-АСР, който възниква от следващите етапи (след добавянето на още 5 единици малонил), може да бъде освободен като свободна палмитинова киселина благодарение на активността на ензима тиоестераза, може да бъде прехвърлен в CoA или включен в фосфатидинова киселина за пътя на синтез на фосфолипид и триацилглицериди.

Структура на палмитинова киселина (Източник: Андел, чрез Wikimedia Commons)

Синтазата на мастните киселини на повечето организми спира в синтеза на палмитоил-АСР, тъй като каталитичният сайт на субединицата β-кетоацил-АСР-синтаза има конфигурация, в която могат да се настаняват само мастни киселини с тази дължина.

Как се образуват мастни киселини с нечетен брой въглеродни атоми?

Те са сравнително често срещани в морските организми и също се синтезират от комплекс на синтаза на мастни киселини. Реакцията на "грундиране" обаче протича с по-дълга молекула, пропионил-АСР, с три въглеродни атома.

Къде и как се образуват мастните киселини с по-дълга верига?

Палмитиновата киселина, както беше обсъдено, служи като прекурсор за много наситени и ненаситени мастни киселини с по-дълга верига. Процесът на "удължаване" на мастните киселини протича в митохондриите, докато въвеждането на ненасищания протича по същество в ендоплазмения ретикулум.

Много организми превръщат наситените си в ненаситени мастни киселини като адаптация към ниските температури на околната среда, тъй като това им позволява да поддържат точката на топене на липидите под стайната температура.

Свойства на мастните киселини

Много от свойствата на мастните киселини зависят от тяхната дължина на веригата и наличието и броя на ненаситените:

- Ненаситените мастни киселини имат по-ниска точка на топене от наситените мастни киселини със същата дължина.

- Дължината на мастните киселини (броят на въглеродните атоми) е обратно пропорционална на течливостта или гъвкавостта на молекулата, тоест "по-късите" молекули са по-течни и обратно.

По принцип течните мастни вещества са съставени от късоверижни мастни киселини с присъствието на ненаситени.

Растенията имат изобилно количество ненаситени мастни киселини, както и животни, които живеят при много ниски температури, тъй като те, като компоненти на липидите, присъстващи в клетъчните мембрани, им придават по-голяма течливост при тези условия.

При физиологични условия наличието на двойна връзка във въглеводородната верига на мастната киселина причинява кривина от около 30 °, което кара тези молекули да заемат по-голямо пространство и да намаляват силата на взаимодействията им на ван дер Ваал.

Наличието на двойни връзки в мастните киселини, свързани с липидните молекули, има директни ефекти върху степента на „опаковане“, която те могат да имат в мембраните, към които принадлежат, и по този начин също имат ефект върху мембранните протеини.

Пример за образуването на мицела с мастни киселини с карбоксилните групи, изложени на водната среда (Източник: Benutzer: Anderl през Wikimedia Commons)

Разтворимостта на мастните киселини намалява с увеличаване на дължината на веригата им, така че те са обратно пропорционални. Във водни и липидни смеси мастните киселини се свързват в структури, известни като мицели.

Мицелът е структура, в която алифатните вериги от мастни киселини са „затворени“, като по този начин „изгонват“ всички водни молекули и на чиято повърхност се намират карбоксилните групи.

номенклатура

Номенклатурата на мастните киселини може да бъде донякъде сложна, особено ако се отнасят до общите имена, които получават, които често са свързани с някакво физико-химично свойство, с мястото, където са намерени, или други характеристики.

Много автори смятат, че тъй като благодарение на крайната карбоксилна група тези молекули се йонизират при физиологично pH, човек трябва да ги нарича „карбоксилати“, използвайки терминацията „ато“ за това.

Според системата IUPAC, изброяването на въглеродните атоми на мастна киселина се извършва от карбоксилната група в полярния край на молекулата и първите два въглеродни атома, свързани към тази група, се наричат ​​съответно α и β., Крайният метил на веригата съдържа въглеродния атом ω.

Като цяло, в систематичната номенклатура им се дава името на „родителския“ въглеводород (въглеводородът със същия брой въглеродни атоми) и неговият завършек „o“ се заменя с „oico“, ако е мастна киселина ненаситени, добавя се завършекът "еноичен".

Помислете например за случая на C18 (C18) мастна киселина:

- Тъй като въглеводородът със същия брой въглеродни атоми е известен като октадекан, наситената киселина се нарича „октадеканова киселина“ или „октадеканоат“ и нейното общо име е стеаринова киселина.

- Ако има двойна връзка между двойка въглеродни атоми в своята структура, тя е известна като "октадеценова киселина"

- Ако има две двойни връзки с - с, тогава тя се нарича "октадекадиенова киселина" и ако има три "октадекатриенова киселина".

Ако искате да обобщим номенклатурата, тогава 18: 0 се използва за 18-въглеродна мастна киселина и няма двойни връзки (наситени) и, в зависимост от степента на ненаситеност, тогава вместо нула, 18: 1 се пише за молекула с ненаситеност, 18: 2 за едно с две ненасищания и т.н.

Ако искате да определите между кои въглеродни атоми са двойните връзки в ненаситените мастни киселини, символът ∆ се използва с цифров суперскрипт, който указва мястото на ненасищане и префикса „cis“ или „trans“, в зависимост от конфигурация на това.

Препратки

1. Badui, S. (2006). Химия на храните. (Е. Куинтанар, изд.) (4-то изд.). Мексико DF: Pearson Education.
2. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Биохимия (4-то изд.). Бостън, САЩ: Брукс / Коул. CENGAGE Обучение.
3. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Биохимия (3-то издание). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.
4. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Илюстрирана биохимия на Harper (28 изд.). McGraw-Hill Medical.
5. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи на биохимията на Ленингер. Омега издания (5-то издание).
6. Rawn, JD (1998). Биохимия. Бърлингтън, Масачузетс: Нийл Патерсън Издатели.
7. Tvrzicka, E., Kremmyda, L., Stankova, B., & Zak, A. (2011). Мастните киселини като биосъединения: тяхната роля в човешкия метаболизъм, здравето и болестите - преглед. Част 1: Класификация, хранителни източници и биологични функции. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Чехия Република, 155 (2), 117–130.