СИНТЕЗ НА ЛИПИДИ: ВИДОВЕ И ТЕХНИТЕ ОСНОВНИ МЕХАНИЗМИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В синтеза на липиди се състои от поредица от ензимни реакции, чрез което късоверижни въглеводороди кондензират да образуват дълги вериги молекули, които могат впоследствие се подлагат на различни химични модификации.

Липидите са клас на много разнообразни биомолекули, синтезирани от всички живи клетки и които са специализирани в множество функции, важни за поддържането на клетъчния живот.

Някои примери за обикновени липиди: глицерофосфолипиди, стероли, глицеролипиди, мастни киселини, сфинголипиди и преноли (Източник: Оригиналният качител беше Lmaps от английската Wikipedia. / GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/ fdl-1.2.html) чрез Commons, адаптиран от Ракел Парада)

Липидите са основните компоненти на биологичните мембрани, факт, който ги прави основни молекули за съществуването на клетките като образувания, изолирани от тяхната среда.

Някои липиди имат и специализирани функции като пигменти, кофактори, транспортери, детергенти, хормони, вътре- и извънклетъчни пратеници, ковалентни котви за мембранни протеини и др. Следователно способността да се синтезират различни видове липиди е от решаващо значение за оцеляването на всички живи организми.

Тази голяма група съединения традиционно се класифицират в няколко категории или подгрупи: мастни киселини (наситени и ненаситени), глицериди (фосфоглицериди и неутрални глицериди), неглицеридни липиди (сфинголипиди (сфингомиелини и гликолипиди), стероиди и восъци) и сложни липиди (липопротеини).

Видове липиди и техните основни механизми за синтез

Всички реакционни последователности на липидните биосинтезни пътища са ендергонични и редуктивни. С други думи, всички те използват ATP като енергиен източник и редуциран носител на електрон, като NADPH, като намаляваща мощност.

След това ще бъдат описани основните реакции на биосинтетичните пътища на основните видове липиди, тоест на мастни киселини и ейкозаноиди, на триацилглицероли и фосфолипиди и на стероли (холестерол).

- Синтез на мастни киселини

Мастните киселини са изключително важни молекули от липидна гледна точка, тъй като те са част от най-подходящите липиди в клетките. Неговият синтез, противно на това, което мнозина учени са мислили по време на първите проучвания в това отношение, не се състои в обратния път на β-окисляването му.

Всъщност този метаболитен път се среща в различни клетъчни отделения и изисква участието на три въглероден междинен продукт, известен като малонил-КоА, който не е необходим за окисляване.

Малонил-СоА. NEUROtiker / Публично достояние

В допълнение, тя е тясно свързана със сулфхидрилните групи протеини, известни като ацилни носители протеини (ACP, от английски Acyl Carrier Proteins).

Като цяло, синтезът на мастни киселини, особено на дълга верига, е последователен процес, при който четири стъпки се повтарят при всеки "завой" и по време на всяко завъртане се получава наситена ацилова група, която е субстратът за следващото, която включва друга кондензация с нова молекула малонил-CoA.

При всеки завой или цикъл на реакцията веригата на мастните киселини разширява два въглерода, докато достигне дължина от 16 атома (палмитат), след което напуска цикъла.

Образуване на Малонил-КоА

Този междинен продукт от три въглеродни атома се образува необратимо от ацетил-КоА благодарение на действието на ензим ацетил-КоА карбоксилаза, който има протетична група биотин, ковалентно свързана с ензима и която участва в тази катализа в Две стъпки.

При тази реакция карбоксилна група, получена от молекула бикарбонат (HCO3-), се прехвърля в биотин по зависим от АТФ начин, където биотиниловата група действа като "временен преносител" на молекулата, докато я прехвърля в ацетил-Коа., произвеждайки малонил-КоА.

В последователността за синтез на мастни киселини използваният редуциращ агент е NADPH, а активиращите групи са две тиолови групи (-SH), които са част от мулти ензимен комплекс, наречен синтаза на мастни киселини, който е най-важният при катализа синтетичен.

При гръбначните животни комплексът от синтази на мастни киселини е част от една голяма полипептидна верига, в която са представени 7-те характерни ензимни активности на пътя на синтеза, както и хидролитичната активност, необходима за освобождаване на междинните съединения в края на синтез.

Структура на ензима на синтазата на мастни киселини (Източник: Boehringer Ingelheim / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) чрез Wikimedia Commons)

7-те ензимни активности на този комплекс са: протеинов преносител на ацилова група (ACP), ацетил-CoA-ACP трансацетилаза (AT), β-кетоацил-ACP синтаза (KS), малонил-CoA-ACP трансфераза (MT), β- кетоацил-АСР-редуктаза (KR), β-хидроксиацил-АСР-дехидратаза (HD) и еноил-АСР-редуктаза (ER).

Преди да настъпят реакции на кондензация за сглобяване на веригата на мастни киселини, двете тиолови групи в ензимния комплекс стават "заредени" с ациловите групи: първо, ацетил-CoA се прехвърля в -SH групата на цистеин в частта на β-кетоацил-ACP синтазата на комплекса, реакция, катализирана от ензима ацетил-CoA-ACP трансацетилаза (AT).

Впоследствие, малонилова група се прехвърля от молекула малонил-КоА в -SH групата на частта на ациловата група (ACP) на ензимния комплекс, реакция, катализирана от ензима малонил-CoA-ACP трансфераза (MT), който също Той е част от комплекса на синтазата на мастни киселини.

Последователността от четири реакции за всеки "завой" на реакционния цикъл е следната:

1. Кондензация: "Заредените" ацетилови и малонилови групи върху ензима се кондензират, за да образуват ацетоацетил-ACP молекула, която е прикрепена към ACP частта чрез -SH група. В този етап молекулата на CO2 се произвежда и катализира от β-кетоацил-ACP синтаза (ацетиловата група заема "крайната метилова" позиция на ацетоацетил-ACP комплекса).
2. Намаляване на карбонилната група: карбонилната група в позиция С3 на ацетоацетил-АСР се редуцира до образуване на D-β-хидроксибутиририл-АСР, реакция, катализирана от β-кетоацил-АСР редуктаза, която използва NADPH като донор на електрон.
3. Дехидратация: С2 и С3 въглеродните атоми на D-β-хидроксибутиририл-ACP са лишени от водни молекули, образувайки двойна връзка, която завършва с производството на новото съединение транс-2-бутеноил-АСР. Този процес се медиира от ензим β-хидроксиацил-АСР-дехидратаза (HD).
4. Двойно редуциране на връзката: двойната връзка на съединението, образувано в етапа на дехидратация, е наситено (редуцирано), за да се получи бутирил-ACP чрез реакцията, катализирана от ензима еноил-АСР редуктаза (ER), който също използва NADPH като редуциращ агент,

Синтезните реакции протичат, докато се образува молекула на палмитат (16 въглеродни атома), която се хидролизира от ензимния комплекс и се освобождава като възможен предшественик на мастни киселини с по-дълги вериги, които се получават от удължаващи системи. на мастни киселини, разположени в гладката част на ендоплазмения ретикулум и в митохондриите.

Другите модификации, които тези молекули могат да претърпят, като десатурации, например, се катализират от различни ензими, които обикновено се срещат в гладкия ендоплазмен ретикулум.

- Синтез на ейкозаноиди

Ейкозаноидите са клетъчни липиди, които функционират като "къси разстояния" на пратеници молекули, произведени от някои тъкани за комуникация с клетки в съседните им тъкани. Тези молекули се синтезират от полиненаситени мастни киселини с 20 въглеродни атома.

Простагландините

В отговор на хормонална стимулация ензимът фосфолипаза А атакува мембранните фосфолипиди и освобождава арахидонат от 2-въглеродния глицерол. Това съединение се превръща в простагландини благодарение на ензим на гладкия ендоплазмен ретикулум с бифункционална активност: циклооксигеназа (СОХ) или простагландин Н2 синтаза.

Тромбоксаните

Простагландините могат да бъдат превърнати в тромбоксани благодарение на тромбоксан синтазата, присъстваща в кръвните тромбоцити (тромбоцити). Тези молекули участват в началните етапи на кръвосъсирването.

- Синтез на триацилглицероли

Мастните киселини са основни молекули за синтеза на други по-сложни съединения в клетки, като триацилглицероли или мембранни липиди глицерофосфолипиди (процеси, които зависят от клетъчните метаболитни нужди).

Животните произвеждат триацилглицероли и глицерофосфолипиди от два общи прекурсора: мастен ацил-КоА и L-глицерол 3-фосфат. Мастният ацил-CoA се произвежда от ацил-CoA синтетази, които участват в β-окисляване, докато L-глицерол 3-фосфатът се получава от гликолиза и от действието на два алтернативни ензима: глицерол 3-фосфат дехидрогеназа и глицерола киназа.

Триацилглицеролите се образуват при реакцията между две молекули мастен ацил-КоА и една молекула диацилглицерол 3-фосфат; Тези трансферни реакции се катализират от специфични ацил трансферази.

При тази реакция първоначално се получава фосфатидна киселина, която е дефосфорилирана от ензим фосфатидна киселина фосфатаза за получаване на 1,2-диацилглицерол, който отново е в състояние да приеме трета молекула на мастния ацил-CoA, като произвежда триацилглицерол.

- синтез на фосфолипиди

Фосфолипидите са силно променливи молекули, тъй като много различни могат да се образуват от комбинацията на мастни киселини и различни "главни" групи със скелета на глицерол (глицерофосфолипиди) или сфингозин (сфинголипиди), които ги характеризират.

Общото сглобяване на тези молекули изисква синтеза на глицерола или сфингозиновия гръбнак, съединението със съответните мастни киселини, или чрез естерификация или амидиране, добавяне на хидрофилна "глава" група чрез фосфодиестерна връзка и ако е необходимо, промяната или размяната на последните групи.

При еукариотите този процес протича в гладкия ендоплазмен ретикулум, а също и във вътрешната митохондриална мембрана, където те могат да останат за неопределено време или откъдето могат да бъдат преместени на други места.

Стъпки за реакция

Първите етапи на реакцията на синтез на глицерофосфолипид са еквивалентни на тези на производството на триацилглицероли, тъй като молекула на глицерол 3-фосфат се естерифицира до две молекули на мастни киселини при въглерод 1 и 2, образувайки фосфатидна киселина. Често се срещат фосфолипиди, които имат мастни киселини, наситени в С1 и ненаситени в С2 на глицерола.

Фосфатидиновата киселина може да бъде получена и чрез фосфорилиране на вече синтезирана или "рециклирана" молекула диацилглицерол.

Полярните „главни“ групи от тези молекули се формират чрез фосфодиестерни връзки. Първото нещо, което трябва да се случи, за да се осъществи правилно този процес, е "активирането" на една от хидроксилните групи, която участва в процеса чрез свързване с нуклеотид като цитидин дифосфат (CDP), който е нуклеофилно изместен от другата група. хидроксил, който участва в реакцията.

Ако тази молекула се свърже с диацилглицерол, тогава се образува CDP-диацилглицерол ("активираната" форма на фосфатидната киселина), но това може да се случи и при хидроксилната група на "главата" група.

В случая на фосфатидилсерин, например, диацилглицеролът се активира чрез кондензация на молекулата на фосфатидната киселина с молекула на цитидин трифосфат (CTP), образувайки CDP-диацилглицерол и отстраняване на пирофосфат.

Ако молекула на СМР (цитидин монофосфат) е изместена от нуклеофилна атака на хидроксила серин или на хидроксила при 1-въглерод на глицерол 3-фосфат, фосфатидилсерин или фосфатидилглицерол 3-фосфат, от който може да се освободи фосфатният моноестер и произвеждат фосфатидилглицерол.

И двете молекули, произведени по този начин, служат като прекурсори за други мембранни липиди, които често споделят биосинтетични пътища помежду си.

- Синтез на холестерол

Холестеролът е основна молекула за животните, която може да се синтезира от техните клетки, така че не е от съществено значение в ежедневната диета. Тази молекула от 27 въглеродни атома се получава от предшественик: ацетат.

Тази сложна молекула се образува от ацетил-КоА на четири основни етапа:

1. Кондензация на три ацетатни единици за образуване на мевалонат, 6-въглеродна междинна молекула (първо се образува молекула от ацетоацетил-КоА с два ацетил-КоА (тиолазен ензим), а след това с още β-хидрокси-β-метилглутарил-КоА (HMG-CoA) (ензим на синтетичната синтезаза HMG-CoA) Мевалонатът се образува от HMG-CoA и благодарение на ензима HMG-CoA редуктаза.
2. Преобразуване на мевалонат в изопренови единици. Първи 3 фосфатни групи се прехвърлят от 3 ATP молекули към мевалоната. Един от фосфатите се губи заедно със съседната карбонилна група и се образува ∆3-изопентенил пирофосфат, който се изомеризира за получаване на диметилалил пирофосфат
3. Полимеризация или кондензация на 6 C 5 изопренови единици за образуване на С30 сквален (линейна молекула).
4. Циклизация на сквален за образуване на 4-те пръстена на стероидното ядро ​​на холестерола и последващи химически промени: окисления, миграция и елиминиране на метилови групи и др., Което дава холестерол.

Препратки

1. Garrett, RH и Grisham, CM (2001). Принципи на биохимията: с човешки фокус. Брукс / Cole Publishing Company.
2. Мъри, RK, Granner, DK, Mayes, PA и Rodwell, VW (2014). Илюстрираната биохимия на Харпър. McGraw-Hill.
3. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Принципите на Ленингер в биохимията. Macmillan.
4. Jacquemyn, J., Cascalho, A., & Goodchild, RE (2017). Входовете и изходите на ендоплазмен ретикулум - контролирана липидна биосинтеза. EMBO доклади, 18 (11), 1905-1921.
5. Ohlrogge, J., & Browse, J. (1995). Липидна биосинтеза. Растителната клетка, 7 (7), 957.