C - Základy biochemie

Základy biochemie KBC / BCH
Metabolismus lipidů
Inovace studia biochemie prostřednictvím e-learningu
CZ.04.1.03/3.2.15.3/0407
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem
a státním rozpočtem České republiky.
Lipidy a buněčné membrány
• LIPIDY – jsou ve vodě nerozpustné biomolekuly, dobře rozpustné
v organických rozpouštědlech (např. chloroform).
• Buňky jsou ohraničeny biologickými membránami, které oddělují
obsah buněk od vnějšího okolí.
• Biologické
membrány
se
vyznačují
polopropustností
(semipermeabilita). Na membránách se uskutečňují transportní
pochody.
• Membrány jsou dynamické struktury ve kterých se pohybují
proteiny v moři lipidů.
• U eukaryot existují vnější (plasmatické) a vnitřní buněčné
membrány, které tvoří hranice organel jako jsou mitochondrie,
chloroplasty, peroxisomy a lysosomy.
• Dalšími funkcemi biologických membrán nutnými pro život jsou
skladování energie a přenos informací.
Vlastnosti biologických membrán
• 1. Membrány tvoří vrstvené struktury o síle dvou molekul.
Tloušťka membrán je mezi 6 nm až 10 nm.
• 2. Membrány obsahují hlavně lipidy a proteiny v poměru od 1 : 4
až 4 : 1.
• 3. Membránové lipidy jsou malé molekuly s částmi hydrofilními a
hydrofobními. Vytváří lipidové dvojvrstvy.
• 4. Specifické proteiny zprostředkovávají různé funkce membrán.
Proteiny slouží jako pumpy, kanály, receptory, přenašeče energie
a enzymy.
• 5. Membrány jsou nekovalentní seskupení.
• 6. Membrány jsou asymetrické. Dvě strany biologické membrány
se od sebe liší.
• 7. Membrány vytváří fluidní mozaiku.
• 8. Většina membrán je elektricky polarizována.
Řez plasmatickou membránou erythrocytu
Mastné kyseliny – nositelky hydrofobních vlastností
O
C
Palmitát
O
-
-
(ionizovaná forma kyseliny palmitové)
O
C
Oleát
(ionizovaná forma kyseliny olejové)
O
-
-
Názvosloví mastných kyselin
•
Nasycená mastná kyselina s 18 atomy C (C18) se nazývá oktadekanová
(podle uhlovodíku oktadekanu), s dvojnou vazbou pak oktadekenová a se
dvěma dvojnými vazbami oktadekadienová kyselina.
•
Záznam 18 : 0 značí mastnou kyselinu C18 bez dvojné vazby.
Záznam 18 : 2 znamená, že kyselina obsahuje dvě dvojné vazby.
•
Uhlíky mastné kyseliny se číslují od karboxylu, atomy 2 a 3 se také
označují α a β. Koncový methyl se označuje ω-uhlíkový atom.
•
Poloha dvojné vazby se označuje symbolem Δ a číslem v exponentu. Tak
např. cis- Δ9 značí polohu dvojné vazby mezi uhlíky 9 a 10.
•
Dvojné vazby je také možné označovat od ω-uhlíkového atomu (má číslo 1).
Např. ω- 3 mastná kyselina má dvojnou vazbu na třetím uhlíku od konce.
Značení uhlíkových atomů mastných kyselin
O
β
H3C
ω
H2
C
3
C
H2
n
2
C
H2
α
C
1
-
O
-
Některé přírodní živočišné mastné kyseliny
Počet C Počet dvojných
vazeb
Název
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Laurová
Myristová
Palmitová
Stearová
Arachidová
Behenová
Lignocerová
Palmitolejová
Olejová
Linoleová
Linolenová
Arachidonová
12
14
16
18
20
22
24
16
18
18
18
20
0
0
0
0
0
0
0
1
1
2
3
4
Systematický názeb
n-dodekanová
n-tetradekanová
n-hexadekanová
n-oktadekanová
n-eikosanová
n-dokosanová
n-tetrakosanová
cis-Δ9-hexadecenová
cis-Δ9- oktadecenová
cis, cis-Δ9, Δ12-oktadekadienová
all-cis-Δ9, Δ12, Δ15-oktadekatrienová
all-cis-Δ5, Δ8, Δ11, Δ14-eikosatetraenová
Tři typy membránových lipidů:
• Fosfolipidy
• Glykolipidy
• Cholesterol
• Fosfolipidy sestávají ze čtyř složek: mastné kyseliny,
glycerol – základ na který se váží mastné kyseliny, fosfát a
na něj vázaný alkohol. Kromě glycerolu se jako základ může
uplatňovat alkohol sfingosin.
• Fosfolipidy
odvozené
od
glycerolu
se
nazývají
fosfoglyceridy.
• Fosfoglyceridy obsahují glycerol na který jsou vázány dvě
mastné kyseliny a fosforylovaný alkohol.
Fosfatidová kyselina
R1
Acylové skupiny
mastných kyselin
R2
O 1
CH2
C
O
O
C
O
Fosfatidát
2
C H
3
H2C
(diacylglycerol-3-fosfát)
O
2-
P
O
+
O
O
Schematická struktura fosfolipidu
Mastná kyselina
Mastná kyselina
G
l
y
c
e
r
o
l
Fosfát
Alkohol
Alkoholy, které se váží esterovou vazbou na fosfatidát:
-
OOC
HO
C
H2
H
C
HO
+
NH3
Serin
C
H2
H2
C
HO
+
NH3
C
H2
Ethanolamin
HO
C
H2
H
C
C
H2
Glycerol
OH
H
H
OH
H
H
Inositol
+
CH3
H
OH
OH
HO
HO
N
Cholin
H
HO
H2
C
OH
CH3
CH3
Fosfatidylserin – příklad fosfolipidu
R1
R2
O
C
O
C
O
O
CH2
O
C H
H2C
O
P
-
COO
H
O
+
-
O
Fosfatidylserin
CH2
C
NH3
+
Struktura sfingosinu a sfingomyelinu.
H3N
+
C
C
HO
Sfingosin
H
H
O
C
R1
NH H
CH3(H2C)12
C
C
HO
H
C
H2
O
P
O
+
O -O
Sfingomyelin
C
H2
H2
C
N
+
CH3
CH3
CH3
C
H2
OH
Glykolipidy - sacharidy obsahující lipidy
• Glykolipidy jsou odvozeny od sfingosinu, jehož aminoskupina je
acylována jako ve sfingomyelinu mastnou kyselinou. Na rozdíl od
sfingomyelinu je na hydroxylu sfingosinu vázán sacharid.
O
Mastná kyselina
Cukerná jednotka
C
R1
NH H
CH3(H2C)12
O
HO
H
Cerebrosid
(glykolipid)
Glukosa
nebo
galaktosa
Cholesterol
• Cholesterol je lipid na bázi steroidního skeletu – steranu.
• V membránách je cholesterol orientován rovnoběžně se
řetězci mastných kyselin. Je až 25 % součástí
membránových lipidů nervových buněk, ale je nepřítomen
v intracelulárních membránách. Cholesterol neobsahují
prokaryotní membrány.
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
HO
Cholesterol
Metabolismus mastných kyselin
• Úloha mastných kyselin:
• 1. Součást biologických membrán – fosfolipidy a glykolipidy.
• 2. Mnohé proteiny jsou modifikovány kovalentní vazbou s
mastnými kyselinami a tímto způsobem jsou lokalizovány v
membránách.
• 3. Mastné kyseliny jsou zásobárnou energie. Obvykle jsou
skladovány jako triacylglyceroly (nebo také neutrální
mastné kyseliny, triglyceridy).
Triacylglyceroly
• Triacylglyceroly skladují velké množství metabolické energie,
protože jsou bezvodé a redukované.
• Kompletní oxidací jednoho gramu mastné kyseliny se získá 38 kJ
energie, zatím co z 1 g sacharidů nebo proteinů pouze 17 kJ.
• Triacylglyceroly jsou výhodně skladovatelnou energií. Jeden
gram tuku skladuje 6 x více energie než 1 g hydratovaného
glykogenu.
• Typický 70 kg vážící muž má energetickou rezervu 420 000 kJ
ve formě triacylglycerolu, 10 000 kJ v proteinech (svaly), 2 500
kJ v glykogenu a 170 kJ v glukose.
• Celková hmotnost triacylglycerolů je 11 kg. Pokud by se takové
množství energie skladovalo v glykogenu, byla by tělesná
hmotnost 55 x vyšší.
• Zásoby glykogenu a glukosy vystačí zásobovat organismus energií
jeden den. Triacylglyceroly týdny.
• U savců je hlavním místem akumulace triacylglycerolů cytoplasma
adiposních buněk (tukových buněk).
Triacylglyceroly z potravy.
• Triacylglyceroly ze střevní sliznice jsou z důvodu nerozpustnosti
převáděny na micely za účasti žlučových kyselin. Žlučové kyseliny
jsou amfipatické (obsahují polární i nepolární části), jsou
syntetizovány v játrech a uvolňovány ze žlučníku.
• Žlučové kyseliny obalí triacylglyceroly a usnadní tak funkci
hydrolytickým lipasam. Např. glykocholát.
O
OH
H
H
CH3
H
CH3
HO
H3C
H
OH
Glykocholát
N
H
COO
-
Hydrolytické štěpení triacylglycerolu pankreatickými lipasami
O
R2
H2C
O
O
O
Triacylglycerol
O
Lipasa
O
O
C H
H2C
R1
R3
R2
-
O
O
C H
CH2OH
O
H2O
H2C
O
R3
Diacylglycerol
R1
O
O
Lipasa
R2
-
O
O
C H
CH2OH
O
H2O
CH2OH
R1
Monoacylglycerol
Resyntéza triacylglycerolů ve sliznici střeva
•
•
•
•
•
•
Resyntetizované triacylglyceroly jsou sbaleny do lipoproteinových
transportních částic – chylomikronů, které přes lymfu vstupují do krve.
Chylomikrony se váží na na membránách (přednostně adiposní tkáně a
svalstva) vázané lipoproteinové lipasy, kde jsou triacylglyceroly opět
hydrolyzovány na mastné kyseliny a monoacylglycerol, aby je bylo možné
transportovat do tkání.
Periferní tkáně využívají energii lipidů skladovaných v adiposní tkáni ve
třech stupních:
1. Mobilizace lipidů – hydrolýza na mastné kyseliny a glycerol, které jsou
transportovány do potřebných tkání.
2. Aktivace mastných kyselin a jejich transport do matrix mitochondrií.
3. Odbourávání mastných kyselin na acetyl CoA, který vstupuje do cyklu
trikarboxylových kyselin.
Tvorba chylomikronů
LUMEN
SVALOVÁ BUŇKA
Triacylglyceroly
Další lipidy a proteiny
H2O
Lipasy
Chylomikrony
Mastné kyseliny
+
Monoacylglyceroly
Triacylglyceroly
Do lymfatického
systému
Hormonální regulace hydrolýzy triacylglycerolů
Lipasy adiposních buněk jsou aktivovány adrenalinem, (nor…), glukagonem a ACTH.
Insulin inhibuje.
Hormon
+
Adenylátcyklasa
GT P
Volné mastné kyseliny
7TM receptor
Glycerol
ATP
cAMP
Proteinkinasa
Další lipasy
Proteinkinasa
Diacylglycerol
Triacylglycerollipasa
Triacylglycerollipasa
P
Triacylglycerol
Lipolýzou uvolněné mastné kyseliny se váží na sérový albumin,
který slouží jako jejich nosič do tkání.
Glycerol se absorbuje v játrech.
O
-
O
R2
H2C
O
O
O
O
C H
H2C
O
Triacylglycerol
O
R1
Lipasa
R3 3 H2O
3 H+
R1
CH2OH
HO
C H
CH2OH
O
+
-
O
R2
O
Glycerol
-
O
R3
Mastné kyseliny
Glycerol se přeměňuje na meziprodukty glykolýzy
CH2OH
HO
C
H
CH2OH
Glycerol
Glycerolkinasa
ATP
ADP
CH2OH
HO
C
Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa
H
2-
CH2O PO3
L-Glycerol-3-fosfát
NAD+
NADH + H+
H
CH2OH
O
Triosafosfátisomerasa
C
2-
CH2O PO3
Dihydroxyacetonfosfát
H
C
C
O
OH
2-
CH2O PO3
D-Glyceraldehyd-3-fosfát
Aktivace mastných kyselin.
Na vnější membráně mitochondrie jsou mastné kyseliny aktivovány za katalýzy
acyl CoAsynthetasy (také thiokinasa mastných kyselin):
O
O
-
+
ATP
O
R
CoA
+
Acyladenylát
O
O
+
R
PPi
AMP
R
Mastná kyselina
+
AMP
Acyladenylát
HS
CoA
R
S
Acyl-CoA
AMP
Vstup mastných kyselin do matrix.
Tvorba acylkarnitinu – karnitinacyltransferasa I.
Na vnitřní straně mitochondriální membrány se za katalýzy
karnitinacyltransferasy II přenáší acyl na CoA SH.
R
O
H3C
O
R
S
CoA
Acyl-CoA
+
H3C
N
HO
+
H
O
H3C
-
O
H3C
Karnitin
H3C
N
O
+
H
O
-
O
H3C
Karnitin
+
HS
CoA
Aktivovaná mastná kyselina je přenášena do matrix vázána
na karnitin přes translokasu.
Acyl-CoA
CoA
Karnitin
Acylkarnitin
Cytosol
Translokasa
Matrix
Karnitin
Acyl-CoA
Acylkarnitin
CoA
Odbourávání nasycených acyl CoA – β – oxidace.
1. Acyl CoAdehydrogenasa (FAD) – tvorba trans-Δ2-enoyl CoA.
R
C
H2
H2
C
O
C
H2
C
S
CoA
Acyl-CoA
FAD
OXIDACE
FADH2
R
C
H2
H
C
O
C
H
C
S
Trans-Δ2-Enoyl-CoA
CoA
2. Enoyl CoAhydratasa
R
C
H2
O
H
C
C
C
H
S
CoA
Trans-Δ2-Enoyl-CoA
H2O
HO
R
C
H2
HYDRATACE
O
H
C
C
C
H
S
H
L-3-Hydroxyacyl-CoA
CoA
3. L-3-Hydroxyacyl CoAdehydrogenasa
HO
R
C
H2
O
H
C
C
C
S
CoA
H
H
L-3-Hydroxyacyl-CoA
NAD+
OXIDACE
H+ + NADH
R
C
H2
O
O
C
C
C
H
S
H
3-Ketoacyl-CoA
CoA
4. β-Ketothiolasa
R
C
H2
O
O
C
C
C
H
H
3-Ketoacyl-CoA
CoA
HS
S
CoA
THIOLÝZA
O
O
R
C
H2
C
S
CoA
+
Acyl-CoA
(zkrácený o 2 uhlíkové atomy)
H
C
C
H
S
H
Acetyl-CoA
CoA
Výtěžek kompletní oxidace palmitátu:
• Palmitoyl CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoA + 7 H2O →
→ 8 acetyl CoA + 7 FADH + 7 NADH + 7 H+
2
V dýchacím řetězci se získá z jednoho NADH asi 2, 5 ATP
a z jednoho FADH2 asi 1, 5 ATP.
Sečteno:
7 x FADH2 = 10, 5 ATP
7 x NADH = 17, 5 ATP
Oxidace 8 acetyl CoA v citrátovém cyklu = 80 ATP
Součet : 108 ATP
Spotřeba na aktivaci mastné kyseliny: 2 ATP
Konečný součet : 106 ATP
Odbourávání nenasycených mastných kyselin. Cis izomer je
převeden na trans isomerasou.
H
H
H3C
C
(CH2)4
C
H
H
C
H2
O
C
C
C
H2
C
S
CoA
Cis-Δ3-Enoyl-CoA-isomerasa
H3C
(CH2)4
C
H
H2
C
C
H
O
H
C
H2
C
C
H
C
S
CoA
Další dvojná vazba mezi uhlíky 4 a 5 je odstraněna redukcí:
O
H
H3C
(CH2)4
C
C
C
H
H
5
4
C
C
S
CoA
H
3
2
1
2,4-Dienoyl-CoA
H+ + NADPH
2,4-Dienoyl-CoA-reduktasa
NADP+
H3C
(CH2)4
H2
C
5
O
H
C
H
4
C
3
C
H2
2
C
1
Trans-Δ3-Enoyl-CoA
S
CoA
Odbourávání mastných kyselin s lichým počtem uhlíků vede
k sukcinyl CoA.
Převedení L-methylmalonyl CoA na sukcinyl CoA probíhá za účasti enzymu
mathylmalonyl CoA mutasy jehož koenzymem je derivát vitaminu B12 –
kobalamin.
O
H3C
C
H2
C
S
Propionyl-CoA
-
CoA
ATP + HCO3-
O
ADP + Pi
O
O
C
C
H3C
C
O
O
S
CoA
H
D-Methylmalonyl-CoA
-
O
C
H3C
C
C
S
CoA
H
L-Methylmalonyl-CoA
O
-
C
O
H2
C
O
C
H2
C
Sukcinyl-CoA
S
CoA
Odbourávání mastných kyselin na peroxisomech
• Peroxisomy obsahují velké množství enzymu katalasy, který
katalyzuje dismutaci peroxidu vodíku na vodu a kyslík !!!
• Na peroxisomech se mastné kyseliny jen zkracují na délku
oktanoyl CoA, který je posléze snadněji odbouráván v
matrix mitochondrií β-oxidací.
V prvním stupni peroxisomální oxidace mastných kyselin
katalyzuje flavoproteinová dehydrogenasa, která přenáší elektrony
na kyslík za tvorby peroxidu vodíku (Rozdíl od β-oxidace).
H3C
C
H2
H2
C
O
C
H2
C
S
CoA
H3C
C
H2
H
C
O
C
H
C
S
Acyl-CoA-dehydrogenasa Acyl-CoA-dehydrogenasa
(ox, FAD)
(red, FADH2)
O2
H2O2
Katalasa
H2O + 1/2 O2
CoA
Další
oxidace
Tvorba a funkce ketolátek
• Vstup acetyl CoA do citrátového cyklu závisí na dostupnosti
oxaloacetátu. Při nedostatku sacharidů se hladina oxaloacetátu
snižuje a tím zpomaluje citrátový cyklus. Oxaloacetát se získává
karboxylací pyruvátu.
• Známá biochemický bonmot: TUKY HOŘÍ V OHNI SACHARIDů.
• Při hladovění nebo diabetu je oxaloacetát spotřebováván na
tvorbu glukosy.
• Za této situace se dva acetyl CoA kondenzují za tvorby
acetoacetyl CoA. Ten reaguje s dalším acetyl CoA za tvorby 3hydroxy-3-methylglutaryl CoA (HMG – CoA) a CoA. HMG-CoA se
posléze štěpí na acetyl CoA a acetoacetát.
• Hlavním místem tvorby ketolátek jsou jaterní mitochondrie.
Role acetoacetátu
• Srdeční sval a kůra ledvin preferují acetoacetát před
glukosou.
• Taktéž mozek se za hladovění adaptuje na acetoacetát.
Při dlouhodobém hladovění je až 75 % energie mozku z
acetoacetátu !!!
• Acetoacetát
má
regulační
roli.
Vysoká
hladina
acetoacetátu v krvi je signálem přítomnosti vysokého
množství acetyl CoA což vede k poklesu lipolýzy v
adiposních tkáních.
• Ketolátky jsou ve vodě rozpustnou transportní formou
acetylů.
3-Ketothiolasa – tvorba acetoacetyl CoA
O
H3C
C
O
S
Acetyl-CoA
CoA
+
H3C
C
S
Acetyl-CoA
CoA
1
H3C
CoA
O
O
C
C
C
H2
S
Acetoacetyl-CoA
CoA
Hydroxymethylglutaryl CoAsynthasa
H3C
O
O
C
C
C
H2
O
S
Acetoacetyl-CoA
CoA
+
H3C
C
S
Acetyl-CoA
O
2
CoA
-
O
H2O
CoA
C
HO
C
H2
CH3
C
C
H2
O
C
S
CoA
3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA
Hydroxymethylglutaryl CoA štěpící enzym
O
-
O
C
HO
C
H2
CH3
C
C
H2
O
C
S
3
CoA
-
O
O
3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA
H3C
C
O
O
C
C
C
H2
Acetoacetát
S
CoA
CH3
D-3-Hydroxybutyrátdehydrogenasa.
Acetoacetát spontánně dekarboxyluje na aceton.
O
-
O
C
O
C
H2
C
Acetoacetát
O
4
-
CH3
O
H+ + NADH
NAD+
C
H
C
H2
OH
C
CH3
D-3-Hydroxybutyrát
O
H3C
CO2
C
Aceton
CH3
Acetoacetát je aktivován přenosem CoA ze sukcinyl CoA a
posléze štěpen specifickou thiolasou na dva acetyl CoA.
V játrech transferasa není !
Acetoacetát
Sukcinyl-CoA
CoA-transferasa
Sukcinát
Acetoacetyl-CoA
CoA
Thiolasa
2 Acetyl-CoA
Živočichové nedokáží převést mastné kyseliny na glukosu !!!
• Proč ?
• Acetyl-CoA nemůže být převeden na pyruvát nebo
oxaloacetát, neboť vstupuje do citrátového cyklu a oba
uhlíky se v jeho průběhu odštěpí jako CO2.
• Rostliny mají další dva enzymy v tzv. glyoxylátovém cyklu a
jsou schopné převést acetyl CoA na oxaloacetát.
Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin.
• 1. Syntéza mastných kyselin probíhá v cytoplasmě, odbourávání v
matrix mitochondrií.
• 2. Meziprodukty syntézy mastných kyselin jsou kovalentně
vázány na sulfhydrylové skupiny ACP (acyl carrier protein),
kdežto meziprodukty degradace jsou vázány na SH skupinu CoA.
• 3. Enzymy syntézy mastných kyselin vyšších organismů jsou
spojeny do polypeptidového řetězce zvaného synthasa mastných
kyselin. Enzymy degradace jsou v matrix volně.
• 4. Řetězec mastných kyselin se prodlužuje o dva uhlíky z acetyl
CoA. Aktivovaným donorem dvou uhlíků je malonyl CoA a
prodlužování řetězce je poháněno odštěpováním CO2.
• 5. Redukčním činidlem při syntéze je NADPH, oxidačními činidly
při degradaci jsou FAD a NAD+.
• 6. Prodlužování řetězce na synthase mastných kyselin končí
tvorbou palmitátu (C16). Další prodlužování řetězce a tvorba
nenasycených kyselin probíhá na jiných enzymech.
Klíčovým krokem syntézy mastných kyselin je tvorba
malonyl CoA.
Acetyl CoA + ATP + HCO3- → malonyl CoA + ADP + Pi + H+
• Katalyzuje acetyl CoA karboxylasa (obsahuje biotin).
• Reakce probíhá ve dvou stupních:
Biotin–enzym + ATP + HCO3- → CO2-biotin-enzym +ADP + Pi
CO2-biotin-enzym + acetyl CoA → malonyl CoA + biotin-enzym
• Acetyl CoA karboxylasa je regulačním enzymem metabolismu
mastných kyselin.
ACP – fosfopanteteinové raménko, na kterém jsou vázány
meziprodukty syntézy mastných kyselin.
Fosfopantetheinové
raménko
ACP (proteinový nosič)
Koenzym A
Jednotlivé kroky syntézy mastných kyselin.
•
1. Syntéza malonyl CoA: acetyl CoAkarboxylasa
•
2. Navázání acetyl CoA na ACP: acetyltransacylasa
•
3. Navázání malonyl CoA na ACP: malonyltransacylasa
•
4. Kondenzační reakce: acylmalonyl ACP kondenzační enzym
Acetyl ACP + malonyl ACP → acetoacetyl ACP + ACP + CO2
•
5. První redukce: β-ketoacyl ACP reduktasa
Acetoacetyl ACP + NADPH + H+ → D-3-hydroxybutyryl ACP + NADP+
•
6. Dehydratace: 3-hydroxyacyldehydratasa
D-3-Hydroxybutyryl ACP → krotonyl ACP + H2O
•
7. Druhá redukce: enoyl ACP reduktasa
Krotonyl ACP + NADPH + H+ → butyryl ACP + NADP+
Kondenzace - zjednodušeně
O
H3C
C
S
Acetyl-ACP
ACP
+
-
O
O
O
C
C
C
H2
KONDENZACE
S
Malonyl-ACP
ACP
H3C
ACP + CO2
O
O
C
C
C
H2
S
Acetoacetyl-ACP
ACP
Elongace řetězce je zahájena spojením acetylu za účasti
kondenzačního enzymu CE.
O
H3C
C
S
Acetyl-CE
CE
+
-
O
O
O
C
C
C
H2
KONDENZACE
S
Malonyl-ACP
ACP
H3C
CE + CO2
O
O
C
C
C
H2
S
Acetoacetyl-ACP
ACP
První redukce
H3C
O
O
C
C
C
H2
S
Acetoacetyl-ACP
ACP
REDUKCE
H+ + NADPH
HO
H3C
NADP+
O
H
C
C
H2
C
S
ACP
D-3-Hydroxybutyryl-ACP
Dehydratace
HO
H3C
O
H
C
C
H2
C
DEHYDRATACE
S
ACP
D-3-Hydroxybutyryl-ACP
H3C
H2O
O
H
C
C
C
S
H
Krotonyl-ACP
ACP
Druhá redukce
O
H
H3C
C
C
C
S
H
Krotonyl-ACP
ACP
REDUKCE
H+ + NADPH
H3C
NADP+
H2
C
O
C
H2
C
S
Butyryl-ACP
ACP
Další postup syntézy mastných kyselin
• V dalším kole syntézy se kondenzuje malonyl – ACP s
butyryl ACP za tvorby C6-β-ketoacyl ACP. Poté následuje
první redukce, dehydratace a druhá redukce za tvorby C6 –
acyl ACP.
• Prodlužování řetězce se opakuje až do délky C16 – palmitát.
• Thioesterasa je enzym, který odštěpuje palmitát z ACP
a tak je syntéza ukončena.
Savčí synthasa mastných kyselin.
• Savčí synthasa mastných kyselin se liší od synthasy z E. coli.
Savčí je homodimer 260 kDa podjednotek.
• Každá z podjednotek má tři domény spojené pohyblivými regiony.
• Doména 1 – vstup substrátu a kondenzační jednotka obsahuje
obě transferasy a β-ketoacylsynthasu (kondenzační enzym).
• Doména
2
–
redukční
jednotka
–
obsahuje
β-ketoacylreduktasu, dehydratasu a enoylreduktasu.
• Doména 3 – obsahuje thioesterasu odštěpující palmitát.
ACP,
Savčí synthasa mastných kyselin
Doména 1 (modrá) AT-acetyltransferasa, MT-malonyltransferasa, CEkondenzační enzym. Doména 2 (žlutá) ACP, β-ketoacylreduktasa (KR),
dehydratasa (DH), enoylreduktasa (ER). Doména 3 (červená) thioesterasa
(TE). Flexibilní raménka (zelená).
AT
MT
DH
ER
KR
ACP
TE
CE
Cys
SH
SH
TRANSLOKACE
HS
SH
Cys
REDUKCE
TE
ACP
KR
ER
KONDENZACE
DH
MT
Uvolnění
palmitátu
CE
Vstup
substrátu
AT
Synthasa mastných kyselin funguje jako dimer.
Ke kondenzaci dochází mezi malonylem zavěšeným na jedné podjednotce
ACP a acetylem na SH kondenzačního enzymu druhé podjednotky.
CE
ACP
CE
SH
S
C
ACP
SH
HS
O
O
H3C
H2C
S
ACP
C
C
O
CH3
KONDENZACE
-
O
SH
CE
H2C
CO2
S
ACP
C
C
O
O
SH
CE
Obě redukce a dehydratace na fosfopantheteinovém raménku
ACP.
CE
ACP
CE
SH
HS
CH3
H2C
S
ACP
C
C
O
ACP
SH
HS
CH3
REDUKCE
H2C
O
SH
CE
S
ACP
C
CH2
O
SH
CE
Translokací se přenese řetězec z ACP na SH skupinu
kondenzačního enzymu stejné podjednotky.
CE
ACP
CE
SH
HS
CH3
H2C
S
ACP
C
SH
HS
CH3
TRANSLOKACE
H2C
CH2
O
SH
CE
ACP
SH
ACP
O
CH2
C
S
CE
Další malonyl se naváže na raménko ACP druhé podjednotky.
Probíhá druhá kondenzace na protilehlou podjednotku dimeru.
CE
ACP
CE
SH
HS
S
HS
SH
ACP
O
C
O
CH3
H2C
ACP
CH3
H2C
CH2
C
Malonyl-CoA
S
CE
CoA
SH
ACP
O
CH2
O
CH2
C
-
S
CE
C
O
Stechiometrie syntézy palmitátu
• Stechiometrie syntézy palmitátu:
Acetyl CoA + 7 malonyl CoA + 14 NADPH + 20 H+ →
→ palmitát + 7 CO2 + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O
• Stechiometrie syntézy malonyl CoA:
7 Acetyl CoA + 7 CO2 + 7 ATP → 7 malonyl CoA + 7 ADP + 7 Pi + 14 H+
• Celkově:
8 Acetyl CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 6 H+ →
→ palmitát + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O + 7 ADP + 7 Pi
Citrát jako nositel acetylů z matrix mitochondrie do cytosolu
• K syntéze palmitátu je třeba:
8 acetyl CoA, 14 NADPH a 7 ATP
(8 NADPH se získá transportem citrátu do cytoplasmy a zbylých 6 v
pentosafosfátové dráze).
• Acetyl CoA je v matrix a vnitřní mitochondrální membrána acetyl
CoA nepropouští !!
• Při vysokých hladinách citrátu je transportován do cytosolu, kde je
štěpen ATP citrátlyasou.
Citrát + ATP + CoA + H2O → acetyl CoA + ADP + Pi + oxaloacetát
• Do cytosolu tak vstupuje spolu s acetyl CoA oxaloacetát.
Transfer acetylCoA do cytosolu:
MITOCHONDRIE
Acetyl-CoA
Citrát
CYTOSOL
Citrát
Acetyl-CoA
Oxaloacetát
NADH
Oxaloacetát
Malát
Pyruvát
Pyruvát
NADPH
Zdroje NADPH pro syntézu mastných kyselin
•
•
Oxaloacetát vytvořený při transportu citrátu do cytosolu by se měl
vrátit do matrix. Vnitřní mitochondriální membrána je pro oxaloacetát
nepropustná.
Oxaloacetát je redukován za účasti NADH na malát cytosolovou
malátdehydrogenasou:
Oxaloacetát + NADH + H+ → malát + NAD+
•
Malát je oxidačně dekarboxylován NADP+-malátovým enzymem (také
jablečný enzym):
Malát + NADP+ → pyruvát + CO2 + NADPH
•
Konečně pyruvát vstupuje do mitochondrie, kde je karboxylován
pyruvátkarboxylasou:
Pyruvát + CO2 + ATP + H2O → oxaloacetát + ADP + Pi + 2 H+
•
Sumární rovnice:
NADP+ + NADH + ATP + H2O → NADPH + NAD+ + ADP + Pi + H+
Regulace metabolismu mastných kyselin
• Syntéza mastných kyselin probíhá za situace, kdy je dostatek
sacharidů a energie a nedostatek mastných kyselin.
• Ústřední klíčovou roli hraje acetyl CoA karboxylasa.
• Karboxylasa je pod kontrolou adrenalinu, glukagonu a insulinu.
• Insulin stimuluje syntézu mastných kyselin aktivací karboxylasy,
glukagon a adrenalin mají opačný účinek.
• Citrát, znak dostatku stavebních jednotek a energie, aktivuje
karboxylasu.
• Palmitoyl CoA a AMP, naopak, inhibují karboxylasu.
Prodlužování řetězce a tvorba nenasycených mastných kyselin
probíhá na cytosolární straně membrány endoplasmatického
retikula.
• Tvorba oleoyl CoA (cis Δ9-dvojná vazba) ze stearoyl CoA:
Stearoyl CoA + NADH + H+ + O2 → oleoyl CoA + NAD+ + 2 H2O
• Katalyzují tři membránové enzymy.
• Savci nemají enzymy katalyzující vstup dvojné vazby za uhlík C-9
řetězce mastných kyselin.
• Savci nemohou syntetizovat linoleát (18 : 2 cis Δ9, Δ12) a linolenát
(18 : 3 cis Δ9, Δ12, Δ15).
• Obě mastné kyseliny jsou pro savce esenciální – musí být dodány
s potravou.
Biosyntéza cholesterolu
• Cholesterol má 27 uhlíkových atomů a všechny mají původ v
acetyl CoA.
• Syntéza cholesterolu se uskutečňuje ve třech stupních:
• A) Syntéza isopentenyldifosfátu, jako aktivní isoprenové
jednotky.
• B) Kondenzace šesti molekul isopentenyldifosfátu za tvorby
skvalenu.
• C) Cyklizace skvalenu řadou reakcí na tetracyklický produkt,
který je bezprostředně převeden na cholesterol.
• Cholesterol:
Modulátor fluidity živočišných membrán
Prekurzor steroidních hormonů
Prekurzor žlučových kyselin
Prekurzor vitaminu D
Značení uhlíkových atomů cholesterolu v návaznosti na značení
acetylu.
H3C
C
HO
C
C
C
CH3
C
C
C
C
C
C
C
C
C
CH3
C
C
C
C
C
C
CH3
C
CH3
C
C
C
H3C
C
Číslování uhlíků cholesterolu a steroidů
21 H3C
20
18 CH3
19 CH3
2
3
HO
1
A
4
10
5
11
9
B
6
12
C
13
14
8
7
17
D 16
15
22
23
24
25
27 CH3
CH3
26
Syntéza isopentenyldifosfátu v cytosolu
• Meziprodukty jsou 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA (HMG-CoA)
a mevalonát.
• HMG-CoA se v mitochondriích převádí na acetyl CoA a
acetoacetát (ketolátky) !!!!
• Syntéza mevalonátu je klíčovým stupněm syntézy cholesterolu.
Redukce HMG-CoA enzymem HMG-CoA reduktasou je
ireversibilním stupněm, kontrolním bodem syntézy. Reduktasa je
integrální součástí membránových proteinů v endoplasmatickém
retikulu.
HMG-CoA + 2 NADPH + 2 H+ → mevalonát + 2 NADP+ + CoA
Přeměny 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA v cytosolu
a mitochondrii
CYTOSOL
H3C
O
O
C
C
C
H2
+
S
2 H
+
2 NADPH
CoA
O
Acetoacetyl-CoA
-
+
O
O
H3C
C
S
CoA
H2O
CoA
C
H3C
C
H2
OH
C
C
H2
CoA
+
2 NADP+
O
-
O
H3C
C
C
H2
C
C
H2
CH2
Mevalonát
O
C
OH
OH
S
CoA
O
3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA
(HMG-CoA)
C
H3C
Acetyl-CoA
CoA
S
Acetyl-CoA
O
-
O
MITOCHONDRIE
C
+
C
H2
CH3
C
Acetoacetát
O
Syntéza isopentenyldifosfátu
COO
-
COO
CH3
OH
CH2 OH
-
COO
CH3
ATP
ADP
Mevalonát
ATP
P
O
COO
CH3
OH
CH2 O
-
O
+
O
5-Fosfomevalonát
2-
ADP
ATP
P
O
H2C
CH3
OH
CH2 O
-
-
O
+
O
ADP
P
O
+
O
5-Difosfomevalonát
O
2-
CH3
2-
O PO 3
CH2 O
P
O
-
CO2 + Pi
O
+
O
P
O
O
+
O
2-
CH2 O
P
O
-
O
+
O
P
O
+
O
3-Isopentenyldifosfát
O
2-
Izomerizace isopentenyldifosfát – dimethylallyldifosfát
H2C
H3C
CH3
CH3
3-
CH2O PO2PO3
3-Isopentenyldifosfát
3-
CH2O PO2PO3
Dimethylallyldifosfát
Mechanismus kondenzace allylového substrátu
(dimethylallyldifosfát) s 3-isopentenyldifosfátem.
Kondenzace hlava – ocas.
3-Isopentenyldifosfát
CH3
3-
PO2PO3
CH3
CH3
R
H
Allylový substrát
PPi
CH2O
H2C
+
CH2O
R
3PO2PO3
-
CH2
H
Allylový karbanion
Geranyldifosfát
CH3
3-
H3C
OPO 2PO 3
Dimethylallyldifosfát
CH3
3-
H2C
OPO 2PO3
3-Isopentenyldifosfát
PPi
CH3
3-
OPO 2PO3
CH3
H3C
Geranyldifosfát
Geranyl = dimethylallyldifosfát + isopentenyldifosfát;
Farnesyl = geranyl + isopentenyldifosfát.
3-
PO2PO 3
CH3
+
H2C
CH3
CH2
R
C
H2
CH3
CH2O
H
CH2O
H2C
CH3
+
H
3-
PO2PO3
CH2
R
H
H
Geranyl-(farnesyl)-difosfát
Skvalen = 2 x farnesyldifosfát + NADPH
Kondenzace hlava – ocas.
CH3
3-
OPO2PO3
CH3
CH3
H3C
Farnesyldifosfát
Farnesyldifosfát + NADPH
PPi + NADP+ + H+
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
Skvalen
CH3
Cyklisace skvalenu na lanosterol přes skvalen epoxid
a protosterolový kationt.
O2 + NADPH + H+
H2O + NADP+
O
Skvalen
Skvalen epoxid
H+
H
H3C
+
CH3
H
CH3
H
H3C
H
CH3
CH3
H
H+
HO
H3C
H
CH3
Lanosterol
HO
CH3
CH3
H
Protosterolový kation
Lanosterol přechází řadou reakcí na cholesterol.
Odstranění tří methylů, redukce jedné dvojné vazby NADPH
a přesun druhé dvojné vazby.
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
H3C
CH3
H3C
19 KROKŮ
CH3
CH3
HO
CH3
HCOOH + 2 CO2
HO
H3C
CH3
Lanosterol
Cholesterol
Regulace syntézy cholesterolu.
•
Dospělý člověk syntetizuje denně 800 mg cholesterolu (játra, střevo).
•
Syntéza cholesterolu je regulována jeho buněčnou hladinou
zpětnovazebně přes aktivitu a množství HMG-CoA reduktasy !!
•
1. Rychlost syntézy reduktasové mRNA je kontrolována zvláštním
proteinem (regulatory element binding protein SREBP) – transkripční
faktor. Nízká hladina cholesterolu aktivuje SREBP, vysoká inhibuje.
•
2. Rychlost translace reduktasové mRNA je inhibována nesteroidními
metabolity odvozenými od mevalonátu a cholesterolem z potravy.
•
3. Odbourávání reduktasy – proteolýza je spuštěna při vysokých
koncentracích cholesterolu.
•
4. Fosforylace snižuje aktivitu reduktasy. AMP aktivovaná proteinkinasa
vypíná syntézu cholesterolu. Syntéza se zastavuje při nízkých hladinách
ATP.
Inhibitory syntézy cholesterolu.
• Syntéza cholesterolu může být
efektivně
blokována
třídou
sloučenin zvaných statiny (např.
lovastatin
také
s
názvem
mevacor). Jedná se o silné
inhibitory (Ki = 1 nM) HMG-CoA
reduktasy.
• Obvykle se podávají s inhibitory
reabsorpce žlučových kyselin.
• Atherosklerosa !!
HO
COO
-
OH
H3C
O
H
O
Lovastatin
CH3
H3C
CH3
Syntéza žlučových kyselin.
Polární deriváty cholesterolu – vysoce efektivní detergenty.
Cholesterol
O
OH
H3C
COO
-
OH
CH3
H3C
SCoA
CH3
H3C
CH3
CH3
HO
CH3
OH
HO
Trihydroxykoprostanoát
OH
CH3
Cholyl-CoA
Taurin
Glycin
O
OH
H3C
CH3
O
NH
COO
CH3
HO
CH3
OH
-
H3C
CH3
CH3
OH
Glykocholát
HO
CH3
OH
Taurocholát
-
NH
SO 3
Steroidní hormony.
• Cholesterol je prekurzorem
pěti hlavních tříd steroidních
hormonů:
• Progestageny,
glukokortikoidy,
mineralokortikoidy,
androgeny a estrogeny.
• Regulace genové exprese.
• Biosyntetická cesta tříd
steroidních hormonů.
Cholesterol (C27)
Pregnenolon (C21)
Progestageny (C21)
Glukokortikoidy (C21)
Androgeny (C19)
Mineralokortikoidy (C21)
Estrogeny (C18)
Funkce a místo syntézy steroidních hormonů
• Progestagen progesteron – připravuje dělohu pro přijetí vajíčka.
• Androgeny (jako testosteron) – vývoj sekundárních pohlavních
znaků mužů.
• Estrogeny (jako estron) – vývoj sekundárních pohlavních znaků
žen, ovariální cyklus.
• Glukokortikoidy (jako kortisol) – propagace glukoneogeneze s
tvorby glykogenu, inhibice zánětů.
• Mineralokortikoidy (aldosteron) – zvýšení reabsorbce Na+
a vylučování K+ a H+ což vede ke zvýšení objemu a tlaku krve.
• Hlavními místy syntézy steroidních hormonů jsou:
• Žluté tělísko (Corpus luteum) pro progestageny. Vaječníky pro
estrogeny. Varlata pro androgeny. Kůra nadledvinek pro
glukokortikoidy a mineralokortikoidy.
Vitaminy D – kontrola hladiny Ca2+ a fosfátů.
Aktivním hormonem je kalcitriol. Nejedná se o pravý steroid, ale funkčně
působí podobně tím, že se váže na strukturně podobný receptor za tvorby
komplexního faktoru regulujícího genovou expresi.
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
Ultrafialové záření
HO
HO
7-Dehydroxycholesterol
Provitamin D3
H3C
CH3
H3C
CH3
OH
CH3
H3C
OH
Kalcitriol
(1,25-Dihydroxycholekalciferol)
CH3
H3C
CH2
HO
CH3
CH2
HO
Vitamin D3
(Cholekalciferol)
Isopentenyldifosfát je prekurzorem terpenů, řetězců ubichinonu,
chlorofylu, karotenoidů a vitaminu K.
Myrcen
(bobkový list)
Limonen
(citronová silice)
Zingiberen
(zázvor)
Vitamin K2 a ubichinon
O
O
Isoprenová jednotka
(
O
Vitamin K2
)
6
CH3
H
MeO
Isoprenová jednotka
(
MeO
O
Ubichinon
(Koenzym Q10)
)
H
10
CH3
Fytol a karotenoidy
• Fytol-vedlejší řetězec chlorofylu je složen ze čtyř isoprenových
jednotek.
• Karotenoidy – barviva rajčat a mrkve. Absorbují světlo, protože
obsahují konjugované dvojné vazby (mezi 400 až 500 nm).
• Jejich C40 uhlíkatý řetězec je skládán z C5 jednotek až po
geranylgeranyldifosfát C20, jehož dvě molekuly kondenzují
způsobem hlava-ocas za tvorby fytoenu C40.
• Fytoen přejde po dehydrogenaci na lykopen. Cyklizací obou konců
lykopenu získáme β-karoten – prekurzor retinalu.
Karotenoidy
Lykopen
β-Karoten
Fotoreceptorová molekula rhodopsin sestává z proteinu opsin
a 11-cis – retinalu jako prosthetické skupiny.
Absorpční maximum rhodopsinu je 500 nm.
H3C
CH3
CH3
CH3
H3C
H
11-cis-Retinal
O