Metabolismus lipidů Biosyntéza mastných kyselin a triacylglycerolů Lenka Fialová Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
Hlavní rysy biosyntézy mastných kyselin • syntéza MK může probíhat ve většině živočišných buněk (převažuje v játrech, adipocytech, laktující mléčné žláze) • probíhá v období, kdy je nadbytek energie (období zvýšeného kalorického příjmu) - organismus vytváří MK, v nichž ve formě triacylglycerolů uchovává energii • biosyntéza je lokalizována extramitochondriálně • mastná kyselina se syntetizuje postupným přidáváním dvouuhlíkových jednotek • meziprodukty jsou obdobné meziproduktům při odbourávání MK, reakce jsou však katalyzovány jinými enzymy
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
1
Výchozí látky pro biosyntézu mastných kyselin acetyl-CoA – oxidační dekarboxylací pyruvátu - hlavní zdroj glukosa – z některých aminokyselin – z MK
NADPH – pentosový cyklus - hlavní zdroj – „ jablečný enzym“ (NADP- dependentní malátdehydrogenasa v cytoplazmě)
malát + NADP+
pyruvát + CO2 + NADPH + H+
– isocitrátdehydrogenasa (NAD+ isoenzym je pouze v mitochondriích, NADP+ je v mitochondriích i v cytoplazmě)
Transport acetyl-CoA z matrix mitochondrie do cytoplazmy acetyl-CoA neprostupuje volně vnitřní mitochondriální membránou
transport ve formě citrátu
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
2
Translokace probíhá při vysoké koncentraci citrátu v mitochondriích.
oxalacetát + acetyl-CoA pyruvát karboxylasa
citrátsynthasa
pyruvát dehydrogenasa
CoA
citrát
matrix mitochondrie
pyruvát translokace pyruvátový transportér
trikarboxylátový transportér cytoplazma
citrát CoA
ATP-citrátlyasa
pyruvát ATP ADP +Pi
glukosa
oxalacetát + acetyl-CoA
Kroky syntézy mastných kyselin z acetyl-CoA a potřebné enzymy •
Tvorba malonyl-CoA • acetyl-CoA-karboxylasa
•
Reakce vedoucí k vlastní syntéze mastných kyselin • kyselina palmitová (C16) • synthasa mastných kyselin - cytosol • další nasycené mastné kyseliny ( >C16) • elongační systémy - mitochondrie, endoplazmatické retikulum • nenasycené mastné kyseliny • desaturační systémy - endoplazmatické retikulum
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
3
Tvorba malonyl-CoA syntéza MK začíná karboxylací acetyl-CoA na malonyl-CoA – acetyl-CoA nemá dostatečnou energii, aby vstoupil do reakcí – „aktivující reakce“ pomocí acetyl-CoA karboxylasy • acetyl-CoA karboxylasa obsahuje dvě podjednotky, na každou z nich je kovalentně k lysinovým zbytkům proteinu přes εaminoskupinu navázán biotin (ve funkci nosiče CO2) • je to enzym určující rychlost reakce biosyntézy MK - jeho aktivita je regulována Reakce katalyzovaná acetyl-CoA karboxylasou
O II ATP CH3-C-S-CoA
ADP + Pi
acetyl-CoA
O O II II HO-C-CH2-C-S-CoA
biotin
malonyl-CoA
CO2
Regulace aktivity acetyl-CoA karboxylasy krátkodobá – reverzibilní fosforylace • aktivní enzym • inaktivní enzym
defosforylovaný (účinkem inzulínu) fosforylovaný (účinkem glukagonu, adrenalinu)
inzulín
+ proteinfosfatasa
P
P acetyl-CoA karboxylasa inaktivní -fosforylovaná
ADP
acetyl-CoA karboxylasa aktivní - defosforylovaná
cAMP-dependentní proteinkinasa
ATP
+
glukagon, adrenalin
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
4
Regulace aktivity acetyl-CoA karboxylasy krátkodobá – allosterická regulace • aktivace citrátem polymerace enzymu • inaktivace acyl-CoA s dlouhým řetězcem depolymerace
citrát
+
acetyl-CoA karboxylasa inaktivní dimer
acetyl-CoA karboxylasa aktivní polymer
acyl-CoA s dlouhým řetězcem
Regulace aktivity acetyl-CoA karboxylasy dlouhodobá - adaptivní – dlouhodobý příjem energeticky bohaté potravy (hlavně sacharidů) způsobuje zvýšení syntézy acetyl-CoA karboxylasy a tím i zvýšení syntézy mastných kyselin – nízkokalorická dieta nebo hladovění naopak navozuje snížení syntézy acetyl-CoA karboxylasy a tím snížení syntézy mastných kyselin
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
5
Syntéza kyseliny palmitové synthasa mastných kyselin – příklad multifunkčního enzymu – dimer tvořený dvěma identickými podjednotkami uspořádanými v konfiguraci hlava k patě – každá podjednotka zahrnuje sedm enzymových aktivit a je uspořádaná do tří domén • sedm různých katalytických míst je umístěno na jednom polypeptidovém řetězci • dobrá koordinace různých enzymových aktivit
– současně probíhá syntéza dvou mastných kyselin
Synthasa mastných kyselin nosičový protein - „acyl carrier protein“ (ACP)
doména 3 uvolnění palmitátu
Cys
malonyltransacylasa thioesterasa dehydratasa acetyltransacylasa enoylreduktasa ketoacylsynthasa ketoacylreduktasa (kondenzační enzym) 4´-fosfopantethein doména 2 doména 1 redukční jednotka
SH
vstup substrátů, kondenzační jednotka
SH
SH
SH 4´-fosfopantethein
funkční rozdělení podjednotek
Cys
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
6
Reakce katalyzované synthasou MK vedoucí ke vzniku palmitátu • • • • •
vstup substrátů kondenzace redukce dehydratace redukce opakování 7x palmitoyl-enzym
• hydrolýza palmitát
Průběh syntézy mastných kyselin vstup substrátů - kondenzační jednotka CYS
ACP
ACP
CYS
ACP
CoA
CYS
acetyl-CoA
⏐ S
⏐ S
⏐ HS
⏐ S
⏐ O=C ⏐ H3C
⏐ ⏐ HS SH malonyl-CoA
CoA
´
⏐ C=O ⏐ CH2 ⏐ COO-
⏐ C=O ⏐ CH2 ⏐ C=O ⏐ CH3
CO2 kondenzace
napojení substrátů acetyl-malonyl-enzym
3-ketoacyl-enzym
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
7
Průběh syntézy mastných kyselin redukce 3-ketoacyl-enzymu - redukční jednotka
⏐ NADPH +H+ S
⏐ HS
⏐ S
⏐ C=O NADP+ ⏐ CH druhá redukce ⏐⏐ CH ⏐ CH3
3-hydroxyacyl-enzym 3-ketoacyl-enzym
ACP
⏐ ⏐ HS S ⏐ ⏐ C = O NADP+ C=O H2O ⏐ ⏐ CH2 CH2 první redukce dehydratace ⏐ ⏐ C=O HC- OH ⏐ ⏐ CH3 CH3
CYS
ACP CYS
ACP
CYS
ACP CYS
⏐ ⏐ ⏐ NADPH +H+ HS S HS
⏐ C=O ⏐ H CH ⏐ HCH ⏐ CH3
acyl-enzym
2,3-nenasycený acyl-enzym
Průběh syntézy mastných kyselin
⏐ C=O ⏐ HCH ⏐ HCH ⏐ CH3
přesun
⏐ O=C napojení dalšího ⏐ malonyl-CoA HCH ⏐ HCH ⏐ CH3
ACP
⏐ ⏐ malonyl-CoA HS SH CoA
CYS
ACP
ACP ⏐ S
CYS
CYS ⏐ HS
⏐ HS
⏐ S
⏐ ⏐ O=C C=O ⏐ ⏐ HCH CH2 ⏐ ⏐ HCH ´ COO⏐ CH3
acyl-enzym
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
8
Průběh syntézy mastných kyselin uvolnění palmitátu - thiosterasa
⏐ C=O ⏐ (CH2)13 ⏐ CH2 ⏐ CH3
H2O
ACP
ACP ⏐ S
CYS
CYS ⏐ HS
⏐ HS
⏐ SH
+
palmitát
acyl-enzym
Bilance syntézy palmitátu (16C) Rovnice pro syntézu malonyl-CoA 7 CH3CO-S-CoA + 7 ATP + 7 CO2 7 HOOC-CH2CO-S-CoA + 7 ADP + 7 Pi
Rovnice pro syntézu palmitátu (kondenzační a redukční reakce) CH3CO-S-CoA + 7 HOOC-CH2CO-S-CoA + 14 NADPH + 14 H+ CH3 -(CH2)14 -COOH + 7 CO2 + 6 H2O + 8 CoASH + 14 NADP+
Souhrnná rovnice pro syntézu palmitátu z acetyl-CoA 8 CH3CO-S-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H+ CH3 -(CH2)14 -COOH + 7 ADP + 7 Pi+ 6 H2O + 8 CoASH + 14 NADP+
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
9
Další přeměny kyseliny palmitové • palmitát je produktem dráhy katalyzované synthasou mastných kyselin • palmitát je prekursorem nasycených i nenasycených mastných kyselin vytvoření dvojných vazeb desaturasy
COOH MK >C16 prodlužování řetězce elongasy
kyselina palmitová synthasa MK
• různými kombinacemi elongace a desaturace mohou vznikat různé nasycené i nenasycené mastné kyseliny • desaturace a elongace se uplatňují v případě, kdy potrava neposkytuje dostatečné množství potřebných mastných kyselin
Elongace mastných kyselin systém v endoplazmatickém retikulu • prodlužuje nasycené i nenasycené MK • na acyl-CoA se aduje malonyl-CoA O O O II II II acyl-CoA R-C-S-CoA + -O-C-CH2-C-S-CoA malonyl-CoA O O II II R-C-CH2-C-S-CoA + CoA + CO2
prodloužení od karboxylového konce
• následuje redukce pomocí NADPH mitochondriální systém • na acyl-CoA se aduje acetyl CoA • používá se pro syntézu strukturních lipidů v mitochondriích • v podstatě obrácená β-oxidace
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
10
Desaturace mastných kyselin •
součásti desaturačního systému – komplexy membránově vázaných bílkovin na endoplazmatickém retikulu jaterních buněk
• cytochrom b5 reduktasa (flavoprotein) • cytochrom b5 • desaturasa acyl-CoA mastných kyselin (monooxygenasový systém simultánně oxiduje dva substráty- NAD(P)H a MK)
cyt b5
•
membrána endoplazmatického retikula
cyt b5 reduktasa
desaturasa
pro zavedení dvojné vazby do řetězce mastných kyselin je nutný vtok elektronů a molekulární kyslík
stearoyl-CoA + NAD(P)H + H+ + O2
oleoyl-CoA + NAD(P)+ + 2 H2O
nasycená MK
H
CO-S-CoA + O2
H3C H 2 cyt b5 Fe2+
Cyt b5 reduktasa FAD
2 cyt b5 Fe3+
Cyt b5 reduktasa FADH2
NADPH + H+ (NADH)
desaturasa NADP+ (NAD+)
nenasycená MK
CO-S-CoA
+
H3C
2 H2O
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
11
Desaturace mastných kyselin • savci – jsou vybaveni 4 desaturasami – dvojné vazby mohou vznikat v poloze ∆ 4,5,6,9 – dvojné vazby nemohou být vytvářeny za 9. uhlíkem kys. linolová (ω6) a linolenová (ω3) jsou esenciální
• rostliny – vznik dvojných vazeb i v poloze mezi terminálním methylovým uhlíkem a ∆9 – dvojné vazby mohou vznikat v poloze ∆ 6,9,12,15
rostliny ∆ 6 desaturasa
∆12 desaturasa
∆ 4 desaturasa
9. uhlík
COOH ∆15 desaturasa
∆ 9 desaturasa
∆5 desaturasa
savci
Další přeměny kyseliny palmitové - shrnutí k. palmitová 16:0
desaturace
elongace
k. palmitoolejová 16:1∆9
k. stearová 18:0
elongace delší nasycené MK
desaturace k. olejová 18:1 ∆9 desaturace (pouze v rostlinách) k. linolová 18:2 ∆9,12 esenciální MK
desaturace
desaturace (pouze v rostlinách) k.α-linolenová 18:3 ∆9,12,15 esenciální MK
k. γ-linolenová 18:3 ∆6,9,12 elongace k. eikosatrienová 20:3
ω3 další polynenasycené MK EPA (k. eikosapentaenová) DHA (k. dokosahexaenová)
ω6
∆8,11,14
desaturace k. arachidonová 20:4 ∆5,8,11,14
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
12
Biosyntéza triacylglycerolů glycerol-3-fosfát
fosfatidát
triacylglycerol
Biosyntéza fosfatidátu společný meziprodukt je glycerol-3-fosfát glycerol (vedlejší produkt mobilizace triacylglycerolů) glycerolkinasa acyl-CoA CoA acyl-CoA CoA glycerol-3-fosfát acyltransferasy
fosfatidát
glycerol-3-fosfátdehydrogenasa dihydroxyacetonfosfát (meziprodukt glykolýzy)
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
13
Biosyntéza triacylglycerolů 1,2-diacylglycerol
fosfatidát CH 2O-CO-R1 R2-CO-OCH
R2-CO-OCH
OH
CH 2OPOH O
CH 2O-CO-R1
hydrolasa
H2O
CH 2-OH
Pi acyl-CoA
acyltransferasa CoA-SH
CH 2O-CO-R1 R2-CO-OCH CH 2O CO R3
triacylglycerol
Použitá literatura • • • • • • • • • • • •
Barter P. J., Rye K. A. (1996) Atherosclerosis 121, 1 - 12. Dlouhý P., Marhol P. (1999) DMEV 4, 211 - 135. Glatz J.F.C. et al. (1997) Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids, 57, 3 - 9. Champe P.C., Harvey R.A. Biochemistry, 2nd edition, Lippincott-Raven, 1994. Murray R.K. et al. Harperova Biochemie, H&H, 1998. Murray R.K. et al. Harper´s Illustrated Biochemistry, 26th edition, Lange Medical Books/McGraw-Hill, 2003. Nelson D.L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd edition, Worth Publishers, 2000. Pokorný J. (2004) DMEV 3, 134 - 141. Sim K.G. et al. (2002) Clin. Chim. Acta, 323, 37 - 58. Suchánek P., Poledne R. (2001) DMEV 1, 65 - 71. Voet D., Voetová J.G. Biochemie. Victoria Publishing,1990. Zadák Z. et al. (2000) Vnitř. Lék., 46, 510 - 514.
(C) Ústav lékařské biochemie 1. LF UK
14
