Geradkettige Fettsäuren kommen in zwei Typen vor: gesättigt und ungesättigt.
Gesättigte geradkettige FettsäurenBearbeiten
Gleich der β-Oxidation läuft die Synthese der geradkettigen Fettsäuren über die unten gezeigten sechs wiederkehrenden Reaktionen ab, bis die 16-kohlenstoffhaltige Palmitinsäure entsteht.
Die dargestellten Diagramme zeigen, wie Fettsäuren in Mikroorganismen synthetisiert werden und listen die in Escherichia coli vorkommenden Enzyme auf. Diese Reaktionen werden von der Fettsäure-Synthase II (FASII) durchgeführt, die in der Regel mehrere Enzyme enthält, die als ein Komplex wirken. FASII kommt in Prokaryonten, Pflanzen, Pilzen und Parasiten sowie in Mitochondrien vor.
In Tieren sowie in einigen Pilzen wie Hefe laufen dieselben Reaktionen an der Fettsäuresynthase I (FASI) ab, einem großen dimeren Protein, das alle für die Bildung einer Fettsäure erforderlichen enzymatischen Aktivitäten besitzt. FASI ist weniger effizient als FASII, ermöglicht jedoch die Bildung von mehr Molekülen, einschließlich „mittelkettiger“ Fettsäuren durch frühzeitige Kettenterminierung.
Wenn eine Fettsäure mit 16:0 Kohlenstoffatomen gebildet wurde, kann sie eine Reihe von Modifikationen durchlaufen, die zu einer Entsättigung und/oder Verlängerung führen. Die Elongation, ausgehend von Stearat (18:0), wird hauptsächlich im ER durch mehrere membrangebundene Enzyme durchgeführt. Die enzymatischen Schritte, die am Elongationsprozess beteiligt sind, sind prinzipiell die gleichen wie die, die von FAS ausgeführt werden, aber die vier wichtigsten aufeinanderfolgenden Schritte der Elongation werden von einzelnen Proteinen ausgeführt, die physisch miteinander verbunden sein können.
| Schritt | Enzym | Reaktion | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| (a) | Acetyl CoA:ACP-Transacylase | Aktiviert Acetyl CoA für die Reaktion mit Malonyl-ACP | |
| (b) | Malonyl CoA:ACP-Transacylase |
 |
Aktiviert Malonyl-CoA für die Reaktion mit Acetyl-ACP |
| (c) | 3-Ketoacyl-ACP-Synthase | Reagiert ACP-gebundene Acylkette mit kettenverlängerndem Malonyl-ACP | |
| (d) | 3-Ketoacyl-ACP-Reduktase | Reduktion des Kohlenstoff-3-Ketons zu einer Hydroxylgruppe | |
| (e) | 3-Hydroxyacyl-ACP-Dehydrase | Eliminiert Wasser | |
| (f) | Enoyl-ACP-Reduktase | Reduziert die C2-C3-Doppelbindung. | |
| Abkürzungen: ACP – Acyl-Carrier-Protein, CoA – Coenzym A, NADP – Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat. | |||
Beachten Sie, dass bei der Fettsynthese das Reduktionsmittel NADPH ist, während NAD das Oxidationsmittel bei der Beta-Oxidation (Abbau von Fettsäuren zu Acetyl-CoA) ist. Dieser Unterschied verdeutlicht ein allgemeines Prinzip, dass NADPH bei biosynthetischen Reaktionen verbraucht wird, während NADH bei energieliefernden Reaktionen erzeugt wird. (So wird NADPH auch für die Synthese von Cholesterin aus Acetyl-CoA benötigt, während NADH bei der Glykolyse erzeugt wird.) Die Quelle des NADPHs ist zweifach. Wenn Malat durch das „NADP+-verknüpfte Apfelsäureenzym“ oxidativ zu Pyruvat decarboxyliert wird, entstehen CO2 und NADPH. NADPH wird auch durch den Pentosephosphatweg gebildet, der Glucose in Ribose umwandelt, die in der Synthese von Nukleotiden und Nukleinsäuren verwendet werden kann, oder es kann zu Pyruvat katabolisiert werden.
Umwandlung von Kohlenhydraten in FettsäurenBearbeiten
Fettsäuren werden beim Menschen aus Kohlenhydraten vorwiegend in der Leber und im Fettgewebe sowie in den Milchdrüsen während der Laktation gebildet.
Das bei der Glykolyse entstehende Pyruvat ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Umwandlung von Kohlenhydraten in Fettsäuren und Cholesterin. Dies geschieht über die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA im Mitochondrium. Dieses Acetyl-CoA muss jedoch ins Cytosol transportiert werden, wo die Synthese von Fettsäuren und Cholesterin stattfindet. Dies kann nicht direkt geschehen. Um zytosolisches Acetyl-CoA zu erhalten, wird Citrat (das durch die Kondensation von Acetyl-CoA mit Oxalacetat entsteht) aus dem Zitronensäurezyklus entnommen und über die innere Mitochondrienmembran in das Zytosol transportiert. Dort wird es von der ATP-Citratlyase in Acetyl-CoA und Oxalacetat gespalten. Das Oxalacetat kann für die Gluconeogenese (in der Leber) verwendet werden, oder es kann als Malat in das Mitochondrium zurückgeführt werden. Das zytosolische Acetyl-CoA wird von der Acetyl-CoA-Carboxylase zu Malonyl-CoA carboxyliert, dem ersten verbindlichen Schritt in der Synthese von Fettsäuren.
Tiere können Kohlenhydrate nicht aus Fettsäuren resynthetisieren
Der Hauptbrennstoff im Körper von Tieren ist Fett. Die Fettspeicher eines jungen erwachsenen Menschen liegen im Durchschnitt bei etwa 15 bis 20 kg, variieren aber stark in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und individueller Veranlagung. Im Gegensatz dazu speichert der menschliche Körper nur etwa 400 g Glykogen, von denen 300 g in den Skelettmuskeln eingeschlossen sind und dem Körper als Ganzes nicht zur Verfügung stehen. Die etwa 100 g Glykogen, die in der Leber gespeichert sind, sind innerhalb eines Tages nach dem Verhungern aufgebraucht. Danach muss die Glukose, die von der Leber für die allgemeine Verwendung durch die Körpergewebe ins Blut abgegeben wird, aus den glukogenen Aminosäuren und einigen anderen glukoneogenen Substraten, zu denen Fettsäuren nicht gehören, synthetisiert werden.
Fettsäuren werden innerhalb der Mitochondrien durch Beta-Oxidation zu Acetyl-CoA abgebaut, während Fettsäuren außerhalb des Mitochondriums, im Cytosol, aus Acetyl-CoA synthetisiert werden. Die beiden Wege unterscheiden sich nicht nur darin, wo sie stattfinden, sondern auch in den Reaktionen, die stattfinden, und den Substraten, die verwendet werden. Die beiden Wege hemmen sich gegenseitig und verhindern, dass das durch die Beta-Oxidation produzierte Acetyl-CoA über die Acetyl-CoA-Carboxylase-Reaktion in den synthetischen Weg gelangt. Es kann auch nicht in Pyruvat umgewandelt werden, da die Pyruvat-Decarboxylierungsreaktion irreversibel ist. Stattdessen kondensiert es mit Oxalacetat, um in den Zitronensäurezyklus zu gelangen. Während jeder Umdrehung des Zyklus verlassen zwei Kohlenstoffatome den Zyklus als CO2 in den Decarboxylierungsreaktionen, die von Isocitrat-Dehydrogenase und Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert werden. Bei jeder Umdrehung des Zitronensäurezyklus wird also eine Acetyl-CoA-Einheit oxidiert und gleichzeitig das Oxalacetatmolekül regeneriert, mit dem sich das Acetyl-CoA ursprünglich zur Bildung von Zitronensäure verbunden hatte. Die Decarboxylierungsreaktionen finden statt, bevor im Zyklus Malat gebildet wird. Malat ist die einzige Substanz, die aus dem Mitochondrium entfernt werden kann, um in den gluconeogenen Weg zur Bildung von Glucose oder Glycogen in der Leber oder einem anderen Gewebe einzutreten. Daher kann es keine Nettoumwandlung von Fettsäuren in Glukose geben.
Nur Pflanzen besitzen die Enzyme, um Acetyl-CoA in Oxalacetat umzuwandeln, aus dem Malat gebildet werden kann, um schließlich in Glukose umgewandelt zu werden.
Regelung
Acetyl-CoA wird von der Acetyl-CoA-Carboxylase in Malonyl-CoA umgewandelt, wobei Malonyl-CoA dazu bestimmt ist, in den Fettsäuresyntheseweg zu gehen. Die Acetyl-CoA-Carboxylase ist der Punkt der Regulation in der Synthese gesättigter geradkettiger Fettsäuren und unterliegt sowohl der Phosphorylierung als auch der allosterischen Regulation. Die Regulation durch Phosphorylierung kommt vor allem bei Säugetieren vor, während die allosterische Regulation bei den meisten Organismen auftritt. Die allosterische Steuerung erfolgt als Feedback-Inhibition durch Palmitoyl-CoA und Aktivierung durch Citrat. Bei hohen Konzentrationen von Palmitoyl-CoA, dem Endprodukt der Synthese gesättigter Fettsäuren, wird die Acetyl-CoA-Carboxylase allosterisch inaktiviert, um eine Ansammlung von Fettsäuren in den Zellen zu verhindern. Citrat wirkt bei hohen Spiegeln aktivierend auf die Acetyl-CoA-Carboxylase, denn hohe Spiegel zeigen an, dass genügend Acetyl-CoA zur Einspeisung in den Krebs-Zyklus und zur Energieerhaltung vorhanden ist.
Hohe Plasmaspiegel von Insulin im Blut (z.B. nach Mahlzeiten) bewirken die Dephosphorylierung der Acetyl-CoA-Carboxylase und fördern so die Bildung von Malonyl-CoA aus Acetyl-CoA und damit die Umwandlung von Kohlenhydraten in Fettsäuren, während Adrenalin und Glucagon (die bei Hunger und Bewegung ins Blut abgegeben werden) die Phosphorylierung dieses Enzyms bewirken und damit die Lipogenese zugunsten der Fettsäureoxidation über die Beta-Oxidation hemmen.
Ungesättigte geradkettige FettsäurenBearbeiten
Anaerobe EntsättigungBearbeiten
Viele Bakterien nutzen den anaeroben Weg zur Synthese von ungesättigten Fettsäuren. Dieser Weg nutzt keinen Sauerstoff und ist auf Enzyme angewiesen, um die Doppelbindung vor der Dehnung unter Verwendung der normalen Fettsäuresynthesemaschinerie einzufügen. In Escherichia coli ist dieser Weg gut verstanden.
- FabA ist ein β-Hydroxydecanoyl-ACP-Dehydrase – sie ist spezifisch für das 10-Kohlenstoff-Zwischenprodukt der Synthese gesättigter Fettsäuren (β-Hydroxydecanoyl-ACP).
- FabA katalysiert die Dehydratisierung von β-Hydroxydecanoyl-ACP, was zur Freisetzung von Wasser und zur Einfügung der Doppelbindung zwischen C7 und C8 führt, die vom Methylende aus zählt. Dadurch entsteht das trans-2-Decenoyl-Zwischenprodukt.
- Etweder kann das trans-2-Decenoyl-Zwischenprodukt durch FabB in den normalen Syntheseweg für gesättigte Fettsäuren geschleust werden, wo die Doppelbindung hydrolysiert wird und das Endprodukt eine gesättigte Fettsäure ist, oder FabA katalysiert die Isomerisierung in das cis-3-Decenoyl-Zwischenprodukt.
- FabB ist eine β-Ketoacyl-ACP-Synthase, die den Hauptweg der Fettsäuresynthese verlängert und Zwischenprodukte einschleust. Wenn FabB mit dem cis-Decenoyl-Zwischenprodukt reagiert, ist das Endprodukt nach der Elongation eine ungesättigte Fettsäure.
- Die beiden hauptsächlich gebildeten ungesättigten Fettsäuren sind Palmitoleoyl-ACP (16:1ω7) und cis-Vacenoyl-ACP (18:1ω7).
Die meisten Bakterien, die eine anaerobe Entsättigung durchlaufen, enthalten Homologe von FabA und FabB. Clostridien sind die wichtigste Ausnahme; sie haben ein neuartiges, noch nicht identifiziertes Enzym, das die Bildung der cis-Doppelbindung katalysiert.
Regulation
Dieser Weg unterliegt der transkriptionellen Regulation durch FadR und FabR. FadR ist das am besten untersuchte Protein und man hat ihm bifunktionelle Eigenschaften zugeschrieben. Es wirkt als Aktivator der Transkription von fabA und fabB und als Repressor für das β-Oxidationsregulon. Im Gegensatz dazu wirkt FabR als Repressor für die Transkription von fabA und fabB.
Aerobische EntsättigungEdit
Die aerobe Entsättigung ist der am weitesten verbreitete Weg zur Synthese von ungesättigten Fettsäuren. Er wird in allen Eukaryoten und einigen Prokaryoten genutzt. Dieser Weg nutzt Desaturasen, um ungesättigte Fettsäuren aus gesättigten Fettsäuresubstraten in voller Länge zu synthetisieren. Alle Desaturasen benötigen Sauerstoff und verbrauchen letztendlich NADH, obwohl die Entsättigung ein oxidativer Prozess ist. Desaturasen sind spezifisch für die Doppelbindung, die sie im Substrat induzieren. In Bacillus subtilis ist die Desaturase, Δ5-Des, spezifisch für die Induktion einer cis-Doppelbindung an der Δ5-Position. Saccharomyces cerevisiae enthält eine Desaturase, Ole1p, die die cis-Doppelbindung an Δ9 induziert.
In Säugetieren wird die aerobe Entsättigung durch einen Komplex aus drei membrangebundenen Enzymen (NADH-Cytochrom b5-Reduktase, Cytochrom b5 und eine Desaturase) katalysiert. Diese Enzyme lassen molekularen Sauerstoff, O2, mit der gesättigten Fettacyl-CoA-Kette interagieren, wobei eine Doppelbindung und zwei Moleküle Wasser, H2O, entstehen. Zwei Elektronen kommen von NADH + H+ und zwei von der Einfachbindung in der Fettsäurekette. Diese Säugetierenzyme sind jedoch nicht in der Lage, Doppelbindungen an Kohlenstoffatomen jenseits von C-9 in der Fettsäurekette einzuführen…) Daher können Säugetiere weder Linolat oder Linolenat synthetisieren (die Doppelbindungen an den Positionen C-12 (= Δ12) bzw. C-12 und C-15 (= Δ12 und Δ15) sowie an der Position Δ9 haben), noch die mehrfach ungesättigte, 20-kohlenstoffhaltige Arachidonsäure, die sich von Linolat ableitet. Diese werden alle als essentielle Fettsäuren bezeichnet, was bedeutet, dass sie vom Organismus benötigt werden, aber nur über die Nahrung zugeführt werden können. (Arachidonsäure ist die Vorstufe der Prostaglandine, die als lokale Hormone vielfältige Funktionen erfüllen.)
Ungeradkettige FettsäurenBearbeiten
Ungeradkettige Fettsäuren (OCFAs) sind jene Fettsäuren, die eine ungerade Anzahl von Kohlenstoffatomen enthalten. Die häufigsten OCFAs sind die gesättigten C15- und C17-Derivate, also Pentadecansäure und Heptadecansäure. Die Synthese der geradkettigen Fettsäuren erfolgt durch den Aufbau von Acetyl-CoA-Vorstufen, wobei jedoch Propionyl-CoA anstelle von Acetyl-CoA als Primer für die Biosynthese der langkettigen Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffzahl verwendet wird.
RegulationIn B. subtilis wird dieser Stoffwechselweg durch ein Zwei-Komponenten-System reguliert: DesK und DesR. DesK ist eine membranassoziierte Kinase und DesR ist ein transkriptioneller Regulator des des-Gens. Die Regulation reagiert auf die Temperatur; bei einem Temperaturabfall wird dieses Gen hochreguliert. Ungesättigte Fettsäuren erhöhen die Fluidität der Membran und stabilisieren sie bei niedrigeren Temperaturen. DesK ist das Sensorprotein, das bei einer Temperatursenkung autophosphoryliert. DesK-P überträgt seine Phosphorylgruppe auf DesR. Zwei DesR-P-Proteine dimerisieren und binden an die DNA-Promotoren des Des-Gens und rekrutieren die RNA-Polymerase, um die Transkription zu beginnen.
Pseudomonas aeruginosa
Im Allgemeinen findet die anaerobe und aerobe Synthese von ungesättigten Fettsäuren nicht im selben System statt, aber Pseudomonas aeruginosa und Vibrio ABE-1 sind Ausnahmen.
Während P. aeruginosa primär eine anaerobe Entsättigung durchführt, gibt es auch zwei aerobe Wege. Ein Weg nutzt eine Δ9-Desaturase (DesA), die eine Doppelbindungsbildung in Membranlipiden katalysiert. Ein anderer Weg nutzt zwei Proteine, DesC und DesB, die zusammen als Δ9-Desaturase agieren, die eine Doppelbindung in ein gesättigtes Fettsäure-CoA-Molekül einfügt. Dieser zweite Weg wird durch das Repressorprotein DesT reguliert. DesT ist auch ein Repressor der fabAB-Expression für die anaerobe Entsättigung in Gegenwart von exogenen ungesättigten Fettsäuren. Dadurch wird die Expression der beiden Wege innerhalb des Organismus koordiniert.