Kwasy tłuszczowe o prostym łańcuchu występują w dwóch rodzajach: nasycone i nienasycone.
Nasycone prostołańcuchowe kwasy tłuszczoweEdit
Podobnie jak β-oksydacja, synteza kwasów tłuszczowych o prostym łańcuchu zachodzi poprzez sześć przedstawionych poniżej reakcji powtarzających się, aż do wytworzenia 16-węglowego kwasu palmitynowego.
Przedstawione schematy pokazują, w jaki sposób kwasy tłuszczowe są syntetyzowane w mikroorganizmach i wymieniają enzymy występujące w Escherichia coli. Reakcje te są przeprowadzane przez syntazę kwasów tłuszczowych II (FASII), która na ogół zawiera wiele enzymów działających jako jeden kompleks. FASII jest obecna u prokariotów, roślin, grzybów i pasożytów, jak również w mitochondriach.
W zwierzętach, jak również u niektórych grzybów, takich jak drożdże, te same reakcje zachodzą w syntazie kwasu tłuszczowego I (FASI), dużym dimerycznym białku, które posiada wszystkie czynności enzymatyczne wymagane do utworzenia kwasu tłuszczowego. FASI jest mniej wydajna niż FASII; pozwala jednak na tworzenie większej liczby cząsteczek, w tym „średniołańcuchowych” kwasów tłuszczowych poprzez wczesną terminację łańcucha.
Po utworzeniu kwasu tłuszczowego o zawartości węgla 16:0 może on ulec wielu modyfikacjom, prowadzącym do desaturacji i/lub wydłużenia. Wydłużanie, począwszy od stearynianu (18:0), odbywa się głównie w ER przez kilka enzymów związanych z błoną. Etapy enzymatyczne zaangażowane w proces wydłużania są zasadniczo takie same jak te przeprowadzane przez FAS, ale cztery główne kolejne etapy wydłużania są przeprowadzane przez pojedyncze białka, które mogą być fizycznie powiązane.
| Krok | Enzym | Reakcja | Opis |
|---|---|---|---|
| (a) | Acetyl CoA:AKP transacylaza | Aktywuje acetylo-CoA do reakcji z malonylo-ACP | |
| (b) | Malonylo-CoA:ACP transacylase |
 |
Aktywuje malonyl CoA do reakcji z acetylo-ACP |
| (c) | 3-syntaza ketoacylo-ACP | Reaguje łańcuch acylowy związany z AKP z wydłużającym łańcuch malonylo-ACP | |
| (d) | 3-reduktaza ketoacylo-ACP | Redukuje węgiel 3 ketonu do grupy hydroksylowej | |
| (e) | 3-dehydraza hydroksyacylu ACP | Eliminuje wodę | |
| (f) | reduktaza enokilu-ACP | Redukuje wiązanie podwójne C2-C3. | |
| Skróty: ACP – Acyl carrier protein, CoA – Coenzyme A, NADP – Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate. | |||
Zauważmy, że podczas syntezy tłuszczów czynnikiem redukującym jest NADPH, natomiast NAD jest czynnikiem utleniającym w beta-oksydacji (rozpad kwasów tłuszczowych do acetylo-CoA). Ta różnica jest przykładem ogólnej zasady, że NADPH jest zużywany w reakcjach biosyntezy, podczas gdy NADH jest generowany w reakcjach przynoszących energię. (Tak więc NADPH jest również potrzebny do syntezy cholesterolu z acetylo-CoA; podczas gdy NADH jest generowany podczas glikolizy). Źródło NADPH jest dwojakie. Kiedy jabłczan jest oksydacyjnie dekarboksylowany przez „enzym jabłkowy związany z NADP+” do postaci pirogronianu, powstaje CO2 i NADPH. NADPH jest również tworzony przez szlak fosforanu pentozy, który przekształca glukozę w rybozę, która może być wykorzystana w syntezie nukleotydów i kwasów nukleinowych, lub może być katabolizowana do pirogronianu.
Przekształcanie węglowodanów w kwasy tłuszczoweEdit
U człowieka kwasy tłuszczowe powstają z węglowodanów głównie w wątrobie i tkance tłuszczowej, a także w gruczołach mlecznych w okresie laktacji.
Pirogronian powstający w wyniku glikolizy jest ważnym pośrednikiem w przemianie węglowodanów w kwasy tłuszczowe i cholesterol. Dzieje się to poprzez przekształcenie pirogronianu w acetylo-CoA w mitochondrium. Ten acetylo-CoA musi być jednak przetransportowany do cytozolu, gdzie następuje synteza kwasów tłuszczowych i cholesterolu. Nie może to nastąpić bezpośrednio. Aby uzyskać cytozolowy acetylo-CoA, cytrynian (powstający w wyniku kondensacji acetylo-CoA z oksalooctanem) jest usuwany z cyklu kwasu cytrynowego i przenoszony przez wewnętrzną błonę mitochondrialną do cytozolu. Tam jest rozszczepiany przez liazę cytrynianową ATP na acetylo-CoA i oksalooctan. Oksalooctan może być wykorzystany do glukoneogenezy (w wątrobie) lub może być zawrócony do mitochondrium jako jabłczan. Cytozolowy acetylo-CoA jest karboksylowany przez karboksylazę acetylo-CoA do malonylo-CoA, co stanowi pierwszy krok w syntezie kwasów tłuszczowych.
Zwierzęta nie mogą resyntetyzować węglowodanów z kwasów tłuszczowychEdit
Głównym paliwem przechowywanym w ciałach zwierząt jest tłuszcz. Zapasy tłuszczu u młodego dorosłego człowieka wynoszą średnio około 15-20 kg, ale różnią się znacznie w zależności od wieku, płci i indywidualnych predyspozycji. W przeciwieństwie do tego, ciało ludzkie przechowuje tylko około 400 g glikogenu, z czego 300 g jest zamknięte w mięśniach szkieletowych i jest niedostępne dla organizmu jako całości. Około 100 g glikogenu przechowywanego w wątrobie ulega wyczerpaniu w ciągu jednego dnia głodówki. Następnie glukoza, która jest uwalniana do krwi przez wątrobę do ogólnego wykorzystania przez tkanki ciała, musi być syntetyzowana z glukogennych aminokwasów i kilku innych substratów glukoneogennych, które nie obejmują kwasy tłuszczowe.
Kwasy tłuszczowe są rozkładane do acetylo-CoA za pomocą beta oksydacji wewnątrz mitochondriów, podczas gdy kwasy tłuszczowe są syntetyzowane z acetylo-CoA poza mitochondrium, w cytosolu. Oba szlaki różnią się od siebie nie tylko miejscem występowania, ale także zachodzącymi reakcjami i wykorzystywanymi substratami. Oba szlaki wzajemnie się hamują, uniemożliwiając acetylo-CoA powstającemu w wyniku beta-oksydacji wejście na szlak syntetyczny poprzez reakcję karboksylazy acetylo-CoA. Nie może on również zostać przekształcony do pirogronianu, ponieważ reakcja dekarboksylacji pirogronianu jest nieodwracalna. Zamiast tego kondensuje z oksalooctanem, wchodząc w cykl kwasu cytrynowego. Podczas każdego obrotu cyklu, dwa atomy węgla opuszczają cykl jako CO2 w reakcjach dekarboksylacji katalizowanych przez dehydrogenazę izoctanową i dehydrogenazę alfa-ketoglutaranową. W ten sposób każdy etap cyklu kwasu cytrynowego utlenia jednostkę acetylo-CoA, jednocześnie regenerując cząsteczkę oksalooctanu, z którą acetylo-CoA pierwotnie połączył się, tworząc kwas cytrynowy. Reakcje dekarboksylacji zachodzą przed powstaniem jabłczanu w cyklu. Jabłczan jest jedyną substancją, która może zostać usunięta z mitochondrium, aby wejść na ścieżkę glukoneogenezy i utworzyć glukozę lub glikogen w wątrobie lub jakiejkolwiek innej tkance. Tylko rośliny posiadają enzymy do przekształcania acetylo-CoA w oksalooctan, z którego może powstać jabłczan, aby ostatecznie zostać przekształcony w glukozę.
Regulacja
Acetylo-CoA jest przekształcany w malonylo-CoA przez karboksylazę acetylo-CoA, w którym to momencie malonylo-CoA jest przeznaczony do zasilania szlaku syntezy kwasów tłuszczowych. Karboksylaza acetylo-CoA jest punktem regulacji w syntezie nasyconych, prostych łańcuchów kwasów tłuszczowych i podlega zarówno fosforylacji, jak i regulacji allosterycznej. Regulacja przez fosforylację występuje głównie u ssaków, podczas gdy regulacja allosteryczna występuje u większości organizmów. Regulacja allosteryczna zachodzi w formie sprzężenia zwrotnego – inhibicji przez palmitoilo-CoA i aktywacji przez cytrynian. W przypadku wysokiego poziomu palmitoilo-CoA, końcowego produktu syntezy nasyconych kwasów tłuszczowych, karboksylaza acetylo-CoA zostaje allosterycznie unieczynniona, aby zapobiec gromadzeniu się kwasów tłuszczowych w komórkach. Cytrynian działa aktywująco na karboksylazę acetylo-CoA w warunkach wysokiego poziomu, ponieważ wysoki poziom wskazuje, że jest wystarczająca ilość acetylo-CoA, aby zasilić cykl Krebsa i zachować energię.
Wysoki poziom insuliny w osoczu krwi (np. po posiłkach) powodują depfosforylację karboksylazy acetylo-CoA, sprzyjając tym samym powstawaniu malonylo-CoA z acetylo-CoA, a w konsekwencji przekształcaniu węglowodanów w kwasy tłuszczowe, natomiast epinefryna i glukagon (uwalniane do krwi podczas głodzenia i wysiłku fizycznego) powodują fosforylację tego enzymu, hamując lipogenezę na rzecz utleniania kwasów tłuszczowych na drodze beta-oksydacji.
Nienasycone kwasy tłuszczowe o prostym łańcuchuEdit
Desaturacja beztlenowaEdit
Wiele bakterii wykorzystuje szlak beztlenowy do syntezy nienasyconych kwasów tłuszczowych. Ścieżka ta nie wykorzystuje tlenu i jest zależna od enzymów, które wprowadzają wiązanie podwójne przed wydłużeniem, wykorzystując normalne mechanizmy syntezy kwasów tłuszczowych. U Escherichia coli szlak ten jest dobrze poznany.
- FabA jest β-hydroksydekanoil-ACP dehydrazą – jest specyficzna dla 10-węglowego półproduktu syntezy nasyconych kwasów tłuszczowych (β-hydroksydekanoil-ACP).
- FabA katalizuje dehydratację β-hydroksydekanoil-ACP, powodując uwolnienie wody i wstawienie wiązania podwójnego pomiędzy C7 i C8 licząc od końca metylowego. W ten sposób powstaje półprodukt trans-2-decenylowy.
- Półprodukt trans-2-decenylowy może zostać przeniesiony na normalną ścieżkę syntezy nasyconych kwasów tłuszczowych przez FabB, gdzie wiązanie podwójne zostanie zhydrolizowane, a produktem końcowym będzie nasycony kwas tłuszczowy, lub FabA będzie katalizował izomeryzację do półproduktu cis-3-decenylowego.
- FabB jest syntazą β-ketoacylo-ACP, która wydłuża i kieruje produkty pośrednie do głównego szlaku syntezy kwasów tłuszczowych. Kiedy FabB reaguje z cis-decenylowym intermediatem, produktem końcowym po wydłużeniu będzie nienasycony kwas tłuszczowy.
- Dwa główne nienasycone kwasy tłuszczowe wykonane są palmitooleoyl-ACP (16:1ω7) i cis-vaccenoyl-ACP (18:1ω7).
Większość bakterii, które ulegają desaturacji beztlenowej, zawiera homologi FabA i FabB. Clostridia stanowią główny wyjątek; posiadają one nowy, jeszcze nie zidentyfikowany enzym, który katalizuje tworzenie podwójnego wiązania cis.
Regulacja
Scieżka ta podlega regulacji transkrypcyjnej przez FadR i FabR. FadR jest szerzej badanym białkiem, któremu przypisuje się dwufunkcyjne właściwości. Działa ono jako aktywator transkrypcji fabA i fabB oraz jako represor dla regulonu β-oksydacji. Z kolei FabR działa jako represor transkrypcji fabA i fabB.
Desaturacja tlenowaEdit
Desaturacja tlenowa jest najbardziej rozpowszechnioną ścieżką syntezy nienasyconych kwasów tłuszczowych. Jest on wykorzystywany u wszystkich eukariotów i niektórych prokariotów. Ta ścieżka wykorzystuje desaturaz do syntezy nienasyconych kwasów tłuszczowych z pełnej długości substratów nasyconych kwasów tłuszczowych. Wszystkie desaturazy wymagają tlenu i ostatecznie zużywają NADH, mimo że desaturacja jest procesem oksydacyjnym. Desaturaza jest specyficzna dla wiązania podwójnego, które indukuje w substracie. U Bacillus subtilis desaturaza, Δ5-Des, jest specyficzna dla indukowania wiązania podwójnego cis w pozycji Δ5. Saccharomyces cerevisiae zawiera jedną desaturazę, Ole1p, która indukuje wiązanie cis-dwukrotne w pozycji Δ9.
W ssakach tlenowa desaturacja jest katalizowana przez kompleks trzech enzymów związanych z błoną komórkową (reduktaza NADH-cytochrom b5, cytochrom b5 i desaturaza). Enzymy te pozwalają tlenowi cząsteczkowemu, O2, oddziaływać z łańcuchem nasyconych acylo-CoA, tworząc wiązanie podwójne i dwie cząsteczki wody, H2O. Dwa elektrony pochodzą z NADH + H+ i dwa z pojedynczego wiązania w łańcuchu kwasu tłuszczowego. Te enzymy ssaków są jednak niezdolne do wprowadzania podwójnych wiązań przy atomach węgla poza C-9 w łańcuchu kwasu tłuszczowego…) Dlatego też ssaki nie mogą syntetyzować linoleinianu lub linolenianu (które mają wiązania podwójne odpowiednio w pozycji C-12 (= Δ12) lub C-12 i C-15 (= Δ12 i Δ15), jak również w pozycji Δ9), ani wielonienasyconego, 20-węglowego kwasu arachidonowego, który pochodzi z linoleinianu. Wszystkie te kwasy są określane jako niezbędne kwasy tłuszczowe, co oznacza, że są one wymagane przez organizm, ale mogą być dostarczane tylko przez dietę. (Kwas arachidonowy jest prekursorem prostaglandyn, które pełnią wiele funkcji jako hormony lokalne.)
Odd-chain fatty acidsEdit
Odd-chain fatty acids (OCFAs) są to kwasy tłuszczowe, które zawierają nieparzystą liczbę atomów węgla. Najczęściej spotykane OCFA to nasycone pochodne C15 i C17, odpowiednio kwas pentadekanowy i kwas heptadekanowy. Synteza parzystych kwasów tłuszczowych odbywa się poprzez złożenie prekursorów acetylo-CoA, jednak jako primer do biosyntezy długołańcuchowych kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla wykorzystywany jest propionyl-CoA zamiast acetylo-CoA.
RegulacjaW B. subtilis szlak ten jest regulowany przez system dwuskładnikowy: DesK i DesR. DesK jest kinazą związaną z błoną komórkową, a DesR jest regulatorem transkrypcji genu des. Regulacja ta jest zależna od temperatury; gdy następuje jej spadek, gen ten jest pobudzany. Nienasycone kwasy tłuszczowe zwiększają płynność błony i stabilizują ją w niższych temperaturach. DesK jest białkiem sensorowym, które w przypadku spadku temperatury ulega autofosforylacji. DesK-P przekaże swoją grupę fosforylową do DesR. Dwa białka DesR-P dimeryzują się i wiążą się z promotorami DNA genu des i rekrutują polimerazę RNA do rozpoczęcia transkrypcji.
Pseudomonas aeruginosa
Ogólnie, zarówno beztlenowa jak i tlenowa synteza nienasyconych kwasów tłuszczowych nie zachodzi w tym samym systemie, jednak Pseudomonas aeruginosa i Vibrio ABE-1 są wyjątkami.Podczas gdy P. aeruginosa ulega przede wszystkim desaturacji beztlenowej, ulega również dwóm szlakom tlenowym. Jeden z nich wykorzystuje Δ9-desaturazę (DesA), która katalizuje tworzenie wiązań podwójnych w lipidach błonowych. Inny szlak wykorzystuje dwa białka, DesC i DesB, działające wspólnie jako Δ9-desaturazy, które wstawiają wiązanie podwójne do cząsteczki nasyconego kwasu tłuszczowego-CoA. Ten drugi szlak jest regulowany przez białko represorowe DesT. DesT jest również represorem ekspresji fabAB dla beztlenowej desaturacji w obecności egzogennych nienasyconych kwasów tłuszczowych. Funkcjonuje to w celu koordynacji ekspresji tych dwóch szlaków w organizmie.