Metabolismus lipidů - Ústav lékařské biochemie

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