Tvorba acetyl-CoA a jeho transport do cytosolu
K syntéze mastných kyselín dochádza počas absorpčného obdobia. Aktívna glykolýza a následná oxidatívna dekarboxylácia pyruvátu prispieva k zvýšeniu koncentrácie acetyl-CoA v mitochondriálnej matrici. Pretože k syntéze mastných kyselín dochádza v cytosóle buniek, acetyl-CoA musí byť transportovaný cez vnútornú mitochondriálnu membránu do cytosólu. Vnútorná mitochondriálna membrána je však nepriepustná pre acetyl-CoA, preto v mitochondriálnej matrici acetyl-CoA kondenzuje s oxaloacetátom za vzniku citrátu za účasti citrátsyntázy:
Acetyl-CoA + oxaloacetát -> citrát + HS-CoA.
Translokáza potom transportuje citrát do cytoplazmy (obr. 8-35).
K prenosu citrátu do cytoplazmy dochádza až pri zvýšení množstva citrátu v mitochondriách, kedy sú izocitrátdehydrogenáza a α-ketoglutarátdehydrogenáza inhibované vysokými koncentráciami NADH a ATP. Táto situácia vzniká v absorpčnom období, kedy pečeňová bunka dostáva dostatočné množstvo energetických zdrojov. V cytoplazme je citrát štiepený enzýmom citrát lyáza:
Citrát + HSKoA + ATP → Acetyl-CoA + ADP + Pi + oxaloacetát.
Acetyl-CoA v cytoplazme slúži ako počiatočný substrát pre syntézu mastných kyselín a oxalacetát v cytosóle prechádza nasledujúcimi transformáciami (pozri diagram nižšie).
Pyruvát je transportovaný späť do mitochondriálnej matrice. NADPH, redukovaný v dôsledku pôsobenia maleínového enzýmu, sa používa ako donor vodíka pre následné reakcie pri syntéze mastných kyselín. Ďalším zdrojom NADPH sú oxidačné kroky v pentózofosfátovej dráhe katabolizmu glukózy.
Tvorba malonyl-CoA z acetyl-CoA - regulačná reakcia pri biosyntéze mastných kyselín.
Prvou reakciou pri syntéze mastných kyselín je premena acetyl-CoA na malonyl-CoA. Enzým katalyzujúci túto reakciu (acetyl-CoA karboxyláza) patrí do triedy ligáz. Obsahuje kovalentne viazaný biotín (obrázok 8-36). V prvom stupni reakcie sa CO 2 vďaka energii ATP kovalentne viaže na biotín, v druhom stupni sa COO prenesie na acetyl-CoA za vzniku malonyl-CoA. Aktivita enzýmu acetyl-CoA karboxylázy určuje rýchlosť všetkých následných reakcií syntézy mastných kyselín.
Reakcie katalyzované syntázou mastných kyselín- enzýmový komplex katalyzujúci reakcie syntézy kyseliny palmitovej, je opísaný nižšie.
Po vytvorení malonyl-CoA pokračuje syntéza mastných kyselín na multienzýmovom komplexe - syntáze mastných kyselín (palmitoylsyntetáza). Tento enzým pozostáva z 2 identických protomérov, z ktorých každý má doménovú štruktúru a teda 7 centier s rôznymi katalytickými aktivitami (obr. 8-37). Tento komplex postupne predlžuje radikál mastnej kyseliny o 2 atómy uhlíka, ktorého donorom je malonyl-CoA. Konečným produktom tohto komplexu je kyselina palmitová, takže pôvodný názov tohto enzýmu je palmitoylsyntetáza.
Prvou reakciou je prenos acetylovej skupiny acetyl-CoA na tiolovú skupinu cysteínu acetyltransacylázovým centrom (obr. 8-38). Malonylový zvyšok sa potom prenesie z malonyl-CoA na sulfhydrylovú skupinu proteínu nesúceho acyl prostredníctvom malonyltransacylázového centra. Potom je komplex pripravený na prvý cyklus syntézy.
Acetylová skupina kondenzuje so zvyškom malonylu na mieste oddeleného C02. Reakcia je katalyzovaná centrom ketoacylsyntázy. Výsledný acetoacetylový radikál
Schéma
Ryža. 8-35. Prenos acetylových zvyškov z mitochondrií do cytosólu. Aktívne enzýmy: 1 - citrátsyntáza; 2 - translokáza; 3 - citrát lyáza; 4 - malátdehydrogenáza; 5 - malik-enzým.
Ryža. 8-36. Úloha biotínu v reakcii karboxylácie acetyl-CoA.
Ryža. 8-37. Štruktúrou multienzýmového komplexu je syntéza mastných kyselín. Komplex je dimérom dvoch identických polypeptidových reťazcov, z ktorých každý má 7 aktívnych miest a proteín nesúci acyl (ACP). SH skupiny protomérov patria k rôznym radikálom. Jedna skupina SH patrí cysteínu, druhá patrí zvyšku kyseliny fosfopantetovej. Cysteínová SH skupina jedného monoméru sa nachádza vedľa 4-fosfopanteteinátovej SH skupiny iného protoméru. Protoméry enzýmu sú usporiadané od hlavy k chvostu. Hoci každý monomér obsahuje všetky katalytické miesta, komplex 2 protomérov je funkčne aktívny. Preto sa vlastne syntetizujú 2 mastné kyseliny súčasne. Pre jednoduchosť schémy zvyčajne zobrazujú postupnosť reakcií pri syntéze jednej molekuly kyseliny.
je postupne redukovaný ketoacylreduktázou, potom dehydratovaný a opäť redukovaný enoylreduktázou, aktívnymi centrami komplexu. V dôsledku prvého cyklu reakcií vzniká butyrylový radikál spojený s podjednotkou syntázy mastných kyselín.
Pred druhým cyklom sa butyrylový radikál prenesie z polohy 2 do polohy 1 (kde sa acetyl nachádzal na začiatku prvého cyklu reakcií). Potom butyrylový zvyšok prechádza rovnakými transformáciami a je rozšírený o 2 atómy uhlíka, pochádzajúce z malonyl-CoA.
Podobné cykly reakcií sa opakujú, až kým nevznikne radikál kyseliny palmitovej, ktorý sa pôsobením tioesterázového centra hydrolyticky oddelí od komplexu enzýmov a zmení sa na voľnú kyselinu palmitovú (palmitát, obr. 8-38, 8-39).
Celková rovnica pre syntézu kyseliny palmitovej z acetyl-CoA a malonyl-CoA je nasledovná:
CH3-CO-SKoA + 7 HOOC-CH2-CO-SKoA + 14 (NADPH + H +) → C15H31COOH + 7 CO2 + 6 H20 + 8 HSKoA + 14 NADP+.
Hlavné zdroje vodíka pre syntézu mastných kyselín
V každom cykle biosyntézy kyseliny palmitovej prebiehajú 2 redukčné reakcie,
Ryža. 8-38. Syntéza kyseliny palmitovej. Syntáza mastných kyselín: v prvom protoméri patrí skupina SH k cysteínu, v druhom k fosfopanteteínu. Po skončení prvého cyklu sa butyrylový radikál prenesie na SH skupinu prvého protoméru. Potom sa opakuje rovnaký sled reakcií ako v prvom cykle. Palmitoyl-E je zvyšok kyseliny palmitovej spojený so syntázou mastnej kyseliny. V syntetizovanej mastnej kyseline iba 2 distálne uhlíky, označené *, pochádzajú z acetyl-CoA, zvyšok z malonyl-CoA.
Ryža. 8-39. Všeobecná schéma reakcií na syntézu kyseliny palmitovej.
v ktorom koenzým NADPH slúži ako donor vodíka. K obnoveniu NADP+ dochádza v reakciách:
dehydrogenácia v oxidačných štádiách pentózofosfátovej dráhy katabolizmu glukózy;
dehydrogenácia malátu s jablčným enzýmom;
dehydrogenácia izocitrátu cytosolickou NADP-dependentnou dehydrogenázou.
2. Regulácia syntézy mastných kyselín
Regulačným enzýmom pre syntézu mastných kyselín je acetyl-CoA karboxyláza. Tento enzým je regulovaný niekoľkými spôsobmi.
Asociácia/disociácia komplexov enzýmových podjednotiek. Vo svojej neaktívnej forme je acetyl-CoA karboxyláza samostatný komplex, z ktorých každý pozostáva zo 4 podjednotiek. Enzýmový aktivátor - citrát; stimuluje asociáciu komplexov, v dôsledku čoho sa zvyšuje aktivita enzýmu. Inhibítor - palmitoyl-CoA; spôsobuje disociáciu komplexu a zníženie aktivity enzýmu (obr. 8-40).
Fosforylácia/defosforylácia acetyl-CoA karboxylázy. V postabsorpčnom stave alebo pri fyzickej práci glukagón alebo adrenalín cez adenylátcyklázový systém aktivuje proteínkinázu A a stimuluje fosforyláciu podjednotiek acetyl-CoA karboxylázy. Fosforylovaný enzým je neaktívny a syntéza mastných kyselín sa zastaví. Počas absorpčného obdobia inzulín aktivuje fosfatázu a acetyl-CoA karboxyláza sa defosforyluje (obr. 8-41). Potom pôsobením citrátu dochádza k polymerizácii protomérov enzýmu, ktorý sa stáva aktívnym. Okrem aktivácie enzýmu má citrát ďalšiu funkciu pri syntéze mastných kyselín. Počas absorpčného obdobia sa citrát hromadí v mitochondriách pečeňových buniek, v ktorých je acetylový zvyšok transportovaný do cytosólu.
Indukcia syntézy enzýmov. Dlhodobá konzumácia potravín bohatých na sacharidy a chudobných na tuky vedie k zvýšeniu sekrécie inzulínu, čo stimuluje indukciu syntézy enzýmov: acetyl-CoA karboxylázy, syntázy mastných kyselín, citrát lyázy,
Ryža. 8-40. Asociácia/disociácia acetyl-CoA karboxylázových komplexov.
Ryža. 8-41. Regulácia acetyl-CoA karboxylázy.
Ryža. 8-42. Predĺženie kyseliny palmitovej v ER. Radikál kyseliny palmitovej je predĺžený o 2 atómy uhlíka, ktorého donorom je malonyl-CoA.
izocitrátdehydrogenáza. Preto nadmerná konzumácia sacharidov vedie k urýchleniu premeny produktov katabolizmu glukózy na tuky. Hladovanie alebo jedlo bohaté na tuky vedie k zníženiu syntézy enzýmov, a teda aj tukov.
3. Syntéza mastných kyselín z kyseliny palmitovej
Predlžovanie mastných kyselín. V ER je kyselina palmitová predĺžená za účasti malonyl-CoA. Postupnosť reakcií je podobná ako pri syntéze kyseliny palmitovej, avšak v tomto prípade nie sú mastné kyseliny spojené so syntázou mastných kyselín, ale s CoA. Enzýmy podieľajúce sa na predlžovaní môžu využívať ako substráty nielen palmitové, ale aj iné mastné kyseliny (obr. 8-42), preto sa v organizme môže syntetizovať nielen kyselina stearová, ale aj mastné kyseliny s veľkým počtom atómov uhlíka.
Hlavným elongačným produktom v pečeni je kyselina stearová (C 18:0), v mozgovom tkanive sa však tvorí veľké množstvo mastných kyselín s dlhším reťazcom - od C 20 do C 24, ktoré sú potrebné na tvorbu sfingolipidy a glykolipidy.
V nervovom tkanive dochádza aj k syntéze iných mastných kyselín, α-hydroxykyselín. Oxidázy so zmiešanou funkciou hydroxylujú kyseliny C22 a C24 za vzniku lignocerových a cerebrónových kyselín, ktoré sa nachádzajú iba v mozgových lipidoch.
Tvorba dvojitých väzieb v radikáloch mastných kyselín. Inkorporácia dvojitých väzieb do radikálov mastných kyselín sa nazýva desaturácia. Hlavné mastné kyseliny vznikajúce v ľudskom tele v dôsledku desaturácie (obr. 8-43) sú palmitooleová (C16:1Δ9) a olejová (C18:1Δ9).
K tvorbe dvojitých väzieb v radikáloch mastných kyselín dochádza v ER v reakciách zahŕňajúcich molekulárny kyslík, NADH a cytochróm b 5 . Enzýmy desaturázy mastných kyselín prítomné v ľudskom tele nemôžu vytvárať dvojité väzby v radikáloch mastných kyselín distálnych od deviateho atómu uhlíka, t.j. medzi deviatou a
Ryža. 8-43. Tvorba nenasýtených mastných kyselín.
metylové atómy uhlíka. Mastné kyseliny rodiny ω-3 a ω-6 sa preto v tele nesyntetizujú, sú nevyhnutné a musia byť dodávané potravou, pretože plnia dôležité regulačné funkcie.
Tvorba dvojitej väzby v radikále mastnej kyseliny vyžaduje molekulárny kyslík, NADH, cytochróm b 5 a cytochróm b 5 reduktázu závislú od FAD. Atómy vodíka odštiepené z nasýtenej kyseliny sa uvoľňujú ako voda. Jeden atóm molekulárneho kyslíka je zahrnutý v molekule vody a druhý je tiež redukovaný na vodu za účasti elektrónov NADH, ktoré sa prenášajú cez FADH 2 a cytochróm b 5 .
Eikosanoidy sú biologicky aktívne látky syntetizované väčšinou buniek z polyénových mastných kyselín obsahujúcich 20 atómov uhlíka (slovo „eikosa“ v gréčtine znamená 20).
Syntéza mastných kyselín prebieha v cytoplazme bunky. V mitochondriách dochádza hlavne k predlžovaniu existujúcich reťazcov mastných kyselín. Zistilo sa, že kyselina palmitová (16 atómov uhlíka) sa syntetizuje v cytoplazme pečeňových buniek a v mitochondriách týchto buniek z kyseliny palmitovej už syntetizovanej v cytoplazme bunky alebo z mastných kyselín exogénneho pôvodu, t.j. prichádzajúce z čriev vznikajú mastné kyseliny obsahujúce 18, 20 a 22 atómov uhlíka.
Prvou reakciou biosyntézy mastných kyselín je karboxylácia acetyl-CoA, ktorá vyžaduje bikarbonátové, ATP a mangánové ióny. Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom acetyl-CoA karboxylázou. Enzým obsahuje biotín ako prostetickú skupinu. Avidín, inhibítor biotínu, inhibuje túto reakciu, ako aj syntézu mastných kyselín vo všeobecnosti.
Zistilo sa, že acetyl-CoA karboxyláza pozostáva z rôzneho počtu identických podjednotiek, z ktorých každá obsahuje biotín, biotínkarboxylázu, karboxybiotín transferový proteín, transkarboxylázu a regulačné alosterické centrum, t.j. je polyenzymatický komplex.
Reakcia prebieha v dvoch stupňoch: I - karboxylácia biotínu za účasti ATP a II - prenos karboxylovej skupiny na acetyl-CoA, výsledkom čoho je vznik malonyl-CoA:
Multienzýmový komplex, nazývaný syntetáza mastných kyselín (syntáza), pozostáva zo 6 enzýmov spojených s takzvaným acyltransferovým proteínom (ACP). Tento proteín v systéme syntetázy hrá úlohu CoA. Tu je sled reakcií, ktoré sa vyskytujú počas syntézy mastných kyselín:
tvorba butyryl-ACB dokončí iba prvý zo 7 cyklov, v každom z nich je začiatkom pridanie malonyl-ACB molekuly na karboxylový koniec rastúceho reťazca mastnej kyseliny. V tomto prípade sa distálna karboxylová skupina malonyl-APB odštiepi vo forme C02. Napríklad butyryl-APB vytvorený v prvom cykle interaguje s malonyl-APB:
Syntéza mastných kyselín je dokončená odštiepením HS-ACP z acyl-ACP pod vplyvom enzýmu deacylázy. Napríklad:
Celková rovnica pre syntézu kyseliny palmitovej môže byť napísaná takto:
Tvorba nenasýtených mastných kyselín. predlžovanie mastných kyselín.
palmitolejová a olejová – syntetizované z kyseliny palmitovej a stearovej.
Spolu s desaturáciou mastných kyselín (tvorba dvojitých väzieb) dochádza v mikrozómoch aj k ich predlžovaniu (predlžovaniu) a oba tieto procesy je možné kombinovať a opakovať. K predĺženiu reťazca mastnej kyseliny dochádza postupným pridávaním dvojuhlíkových fragmentov k zodpovedajúcemu acyl-CoA za účasti malonyl-CoA a NADPH. Enzymatický systém katalyzujúci predlžovanie mastných kyselín sa nazýva elongáza. Schéma ukazuje cesty premeny kyseliny palmitovej v reakciách desaturácie a predlžovania.
Regulácia syntézy FA:
asociácia/disociácia komplexov podjednotiek enzýmu Ac-CoA karboxyláza. Aktivátor - citrát; inhibítorom je palmitoyl-CoA.
fosforylácia/de=//=. Fosforylovaný f. neaktívne (glukagón a adrenalín). Inzulín spôsobuje defosforyláciu – stáva sa aktívnym.
indukcia syntézy enzýmov. Nadmerná konzumácia u/v – zrýchlenie premeny produktov katabolizmu na tuky; hladovka alebo strava bohatá na tuky vedie k zníženiu syntézy enzýmov a tukov.
Biosyntéza mastných kyselín prebieha najaktívnejšie v cytosóle buniek pečene, čriev, tukového tkaniva v stave odpočinok alebo po jedle.
Bežne možno rozlíšiť 4 stupne biosyntézy:
1. Tvorba acetyl-SCoA z glukózy, iných monosacharidov alebo ketogénnych aminokyselín.
2. Prenos acetyl-SCoA z mitochondrií do cytosólu:
- možno kombinovať s karnitín, tak ako sa vyššie mastné kyseliny prenášajú vnútri mitochondrií, ale tu ide transport iným smerom,
- zvyčajne zahrnuté v kyselina citrónová vytvorený v prvej CTC reakcii.
Citrát pochádzajúci z mitochondrií sa štiepi v cytosóle ATP citrát lyáza na oxalacetát a acetyl-SCoA.
Tvorba acetyl-SCoA z kyseliny citrónovej
Oxalacetát sa ďalej redukuje na malát a ten buď vstupuje do mitochondrií (jablčno-aspartátový čln) alebo je dekarboxylovaný na pyruvát jablčným enzýmom ("jablčný" enzým).
3. Tvorba malonyl-SCoA z acetyl-SCoA.
Karboxylácia acetyl-SCoA je katalyzovaná acetyl-SCoA karboxyláza, multienzýmový komplex troch enzýmov.
Tvorba malonyl-SCoA z acetyl-SCoA
4. Syntéza kyseliny palmitovej.
Implementovaná multienzymatické komplex" syntáza mastných kyselín" (synonymum palmitát syntáza), ktorý zahŕňa 6 enzýmov a proteín nesúci acyl (ACP).
Proteín nesúci acyl obsahuje derivát kyseliny pantoténovej - 6-fosfopanteteín(FP) so skupinou HS, ako je HS-CoA. Jeden z enzýmov komplexu, 3-ketoacylsyntáza, má tiež HS skupinu v zložení cysteínu. Interakcia týchto skupín určuje začiatok a pokračovanie biosyntézy mastných kyselín, konkrétne kyseliny palmitovej. Syntetické reakcie vyžadujú NADPH.
Aktívne skupiny syntázy mastných kyselín
V prvých dvoch reakciách sa malonyl-SCoA postupne viaže na fosfopanteteín proteínu nesúceho acyl a acetyl-SCoA na cysteín 3-ketoacylsyntázy.
3-ketoacylsyntáza katalyzuje tretiu reakciu - prenos acetylovej skupiny na C 2 malonyl s elimináciou karboxylovej skupiny.
Ďalej ketoskupina v redukčných reakciách ( 3-ketoacylreduktázy), dehydratácia (dehydratáza) a opäť zotavenie (enoylreduktáza) sa mení na metylén za vzniku nasýteného acylu, spojené s fosfopanteteínom.
Acyltransferáza prenáša výsledný acyl na cysteín 3-ketoacylsyntázy malonyl-SCoA sa naviaže na fosfopanteteín a cyklus sa opakuje 7-krát, kým sa nevytvorí zvyšok kyseliny palmitovej. Potom sa kyselina palmitová odštiepi šiestym enzýmom komplexu, tioesterázou.
Reakcie syntézy mastných kyselín
Predlžovanie reťazca mastných kyselín
Syntetizovaná kyselina palmitová, ak je to potrebné, vstupuje do endoplazmatického retikula. Tu s malonyl-S-CoA a NADPH reťazec sa predĺži na C18 alebo C20.
Nenasýtené mastné kyseliny (olejová, linolová, linolénová) sa môžu predlžovať aj za vzniku derivátov kyseliny eikozanovej (C 20). Ale dvojitá väzba je zavedená živočíšnymi bunkami nie viac ako 9 atómov uhlíkaω3- a ω6-polynenasýtené mastné kyseliny sa preto syntetizujú iba zo zodpovedajúcich prekurzorov.
Napríklad kyselina arachidónová môže byť vytvorená v bunke iba v prítomnosti kyseliny linolénovej alebo linolovej. V tomto prípade sa kyselina linolová (18:2) dehydrogenuje na kyselinu y-linolénovú (18:3) a predĺži sa na kyselinu eikozotriénovú (20:3), ktorá sa ďalej dehydrogenuje na kyselinu arachidónovú (20:4). Takto vznikajú mastné kyseliny ω6-série
Na tvorbu mastných kyselín ω3 série, napríklad kyseliny timnodónovej (20:5), je potrebná prítomnosť kyseliny α-linolénovej (18:3), ktorá je dehydratovaná (18:4), predĺžená (20:4). ) a opäť dehydratovaná (20:5).
Predtým sa predpokladalo, že procesy štiepenia sú obrátením procesov syntézy, vrátane syntézy mastných kyselín sa považovala za proces obrátený k ich oxidácii.
Teraz sa zistilo, že mitochondriálny systém biosyntézy mastných kyselín, ktorý zahŕňa mierne modifikovanú sekvenciu β-oxidačnej reakcie, iba predlžuje mastné kyseliny so stredne dlhým reťazcom, ktoré už v tele existujú, zatiaľ čo úplná biosyntéza kyseliny palmitovej z acetyl- CoA aktívne pokračuje. mimo mitochondriíúplne iným spôsobom.
Uvažujme o niektorých dôležitých črtách dráhy biosyntézy mastných kyselín.
1. K syntéze dochádza v cytosóle, na rozdiel od rozpadu, ktorý sa vyskytuje v mitochondriálnej matrici.
2. Medziprodukty syntézy mastných kyselín sú kovalentne spojené so sulfhydrylovými skupinami acyltransferového proteínu (ACP), zatiaľ čo medziprodukty štiepenia mastných kyselín sú spojené s koenzýmom A.
3. Mnohé z enzýmov syntézy mastných kyselín vo vyšších organizmoch sú organizované do multienzýmového komplexu nazývaného syntetáza mastných kyselín. Naproti tomu sa nezdá, že by sa enzýmy, ktoré katalyzujú rozklad mastných kyselín, asociovali.
4. Rastúci reťazec mastných kyselín sa predlžuje postupným pridávaním dvojuhlíkových zložiek pochádzajúcich z acetyl-CoA. Malonyl-APB slúži ako aktivovaný donor dvojuhlíkových zložiek v štádiu predlžovania. Reakcia predĺženia je spustená uvoľnením C02.
5. Úlohu redukčného činidla pri syntéze mastných kyselín plní NADPH.
6. Na reakciách sa podieľa aj Mn 2+.
7. Predlžovanie pôsobením komplexu syntetázy mastných kyselín sa zastaví v štádiu tvorby palmitátu (C 16). Ďalšie predlžovanie a zavádzanie dvojitých väzieb sa uskutočňuje inými enzýmovými systémami.
Tvorba malonylového koenzýmu A
Syntéza mastných kyselín začína karboxyláciou acetyl-CoA na malonyl-CoA. Táto ireverzibilná reakcia je kritickým krokom v syntéze mastných kyselín.
Syntéza malonyl-CoA je katalyzovaná acetyl-CoA karboxyláza a vykonáva sa na úkor energie ATR. Zdrojom C02 na karboxyláciu acetyl-CoA je hydrogénuhličitan.
Ryža. Syntéza malonyl-CoA
Acetyl-CoA karboxyláza obsahuje ako prostetickú skupinu biotín.
Ryža. Biotín
Enzým sa skladá z rôzneho počtu identických podjednotiek, z ktorých každá obsahuje biotín, biotín karboxyláza, karboxybiotín transferový proteín, transkarboxyláza, ako aj regulačné alosterické centrum, t.j. predstavuje polyenzýmový komplex. Karboxylová skupina biotínu je kovalentne pripojená k e-aminoskupine lyzínového zvyšku proteínu nesúceho karboxybiotín. Karboxylácia biotínovej zložky vo vytvorenom komplexe je katalyzovaná druhou podjednotkou, biotínkarboxylázou. Tretia zložka systému, transkarboxyláza, katalyzuje prenos aktivovaného CO2 z karboxybiotínu na acetyl-CoA.
Enzým biotín + ATP + HCO 3 - ↔ CO 2 ~ Enzým biotín + ADP + P i,
CO 2 ~ Biotín-enzým + Acetyl-CoA ↔ Molonyl-CoA + Biotín-enzým.
Dĺžka a flexibilita väzby medzi biotínom a jeho nosným proteínom umožňuje presunúť aktivovanú karboxylovú skupinu z jedného aktívneho miesta enzýmového komplexu do druhého.
V eukaryotoch existuje acetyl-CoA karboxyláza ako enzymaticky neaktívny protomér (450 kDa) alebo ako aktívny vláknitý polymér. Ich vzájomná premena je regulovaná alostericky. Kľúčovým alosterickým aktivátorom je citrát, čo posúva rovnováhu smerom k aktívnej vláknitej forme enzýmu. Optimálna orientácia biotínu vzhľadom na substráty sa dosahuje vo vláknitej forme. Na rozdiel od citrátu palmitoyl-CoA posúva rovnováhu smerom k inaktívnej protomérnej forme. Palmitoyl-CoA, konečný produkt, teda inhibuje prvý kritický krok v biosyntéze mastných kyselín. Regulácia acetyl-CoA karboxylázy v baktériách sa výrazne líši od regulácie v eukaryotoch, pretože v nich sú mastné kyseliny primárne prekurzormi fosfolipidov a nie rezervným palivom. Citrát tu nemá žiadny vplyv na bakteriálnu acetyl-CoA karboxylázu. Aktivitu transkarboxylázovej zložky systému regulujú guanínové nukleotidy, ktoré koordinujú syntézu mastných kyselín s rastom a delením baktérií.
Stavebným kameňom pre syntézu mastných kyselín v cytosóle bunky je acetyl-CoA, ktorý vzniká dvoma spôsobmi: buď ako výsledok oxidačnej dekarboxylácie pyruvátu. (pozri obr. 11, štádium III), alebo ako výsledok b-oxidácie mastných kyselín (pozri obr. 8).
Obrázok 11 - Schéma premeny sacharidov na lipidy
Pripomeňme, že premena pyruvátu vzniknutého pri glykolýze na acetyl-CoA a jeho tvorba pri b-oxidácii mastných kyselín prebieha v mitochondriách. Syntéza mastných kyselín prebieha v cytoplazme. Vnútorná membrána mitochondrií je nepriepustná pre acetyl-CoA. Jeho vstup do cytoplazmy sa uskutočňuje typom uľahčenej difúzie vo forme citrátu alebo acetylkarnitínu, ktoré sa v cytoplazme premieňajú na acetyl-CoA, oxaloacetát alebo karnitín. Hlavnou cestou prenosu acetyl-coA z mitochondrií do cytosolu je však citrát (pozri obr. 12).
Spočiatku intramitochondriálny acetyl-CoA interaguje s oxaloacetátom, čo vedie k tvorbe citrátu. Reakciu katalyzuje enzým citrátsyntáza. Výsledný citrát je transportovaný cez mitochondriálnu membránu do cytosolu pomocou špeciálneho trikarboxylátového transportného systému.
V cytosóle citrát reaguje s HS-CoA a ATP, opäť sa rozkladá na acetyl-CoA a oxalacetát. Táto reakcia je katalyzovaná ATP-citrát lyázou. Už v cytosóle sa oxalacetát za účasti cytosolického dikarboxylátového transportného systému vracia do mitochondriálnej matrice, kde sa oxiduje na oxalacetát, čím sa dokončuje takzvaný kyvadlový cyklus:
Obrázok 12 - Schéma prenosu acetyl-CoA z mitochondrií do cytosólu
Biosyntéza nasýtených mastných kyselín prebieha v opačnom smere ako ich b-oxidácia, rast uhľovodíkových reťazcov mastných kyselín sa uskutočňuje postupným pridávaním dvojuhlíkového fragmentu (C2) - acetyl-CoA na ich konce. (pozri obr. 11, štádium IV.).
Prvou reakciou biosyntézy mastných kyselín je karboxylácia acetyl-CoA, ktorá vyžaduje ióny CO2, ATP, Mn. Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom acetyl-CoA – karboxylázou. Enzým obsahuje biotín (vitamín H) ako prostetickú skupinu. Reakcia prebieha v dvoch stupňoch: 1 - karboxylácia biotínu za účasti ATP a II - prenos karboxylovej skupiny na acetyl-CoA, výsledkom čoho je vznik malonyl-CoA:
Malonyl-CoA je prvý špecifický produkt biosyntézy mastných kyselín. V prítomnosti vhodného enzýmového systému sa malonyl-CoA rýchlo premieňa na mastné kyseliny.
Treba si uvedomiť, že rýchlosť biosyntézy mastných kyselín je určená obsahom cukrov v bunke. Zvýšenie koncentrácie glukózy v tukovom tkanive ľudí, zvierat a zvýšenie rýchlosti glykolýzy stimuluje syntézu mastných kyselín. To naznačuje, že metabolizmus tukov a sacharidov sú navzájom úzko prepojené. Dôležitú úlohu tu zohráva reakcia karboxylácie acetyl-CoA s jeho transformáciou na malonyl-CoA, katalyzovaná acetyl-CoA karboxylázou. Aktivita posledne menovaného závisí od dvoch faktorov: prítomnosti mastných kyselín s vysokou molekulovou hmotnosťou a citrátu v cytoplazme.
Akumulácia mastných kyselín má inhibičný účinok na ich biosyntézu; inhibuje aktivitu karboxylázy.
Osobitnú úlohu má citrát, ktorý je aktivátorom acetyl-CoA karboxylázy. Citrát zároveň zohráva úlohu spojenia medzi metabolizmom sacharidov a tukov. V cytoplazme má citrát dvojaký účinok pri stimulácii syntézy mastných kyselín: po prvé ako aktivátor acetyl-CoA karboxylázy a po druhé ako zdroj acetylových skupín.
Veľmi dôležitým znakom syntézy mastných kyselín je, že všetky medziprodukty syntézy sú kovalentne spojené s acylovým nosným proteínom (HS-ACP).
HS-ACP je nízkomolekulárny proteín, ktorý je termostabilný, obsahuje aktívnu HS-skupinu a vo svojej prostetickej skupine obsahuje kyselinu pantoténovú (vitamín B3). Funkcia HS-ACP je podobná funkcii enzýmu A (HS-CoA) pri b-oxidácii mastných kyselín.
Počas konštrukcie reťazca mastných kyselín tvoria medziprodukty esterové väzby s ABP (pozri obr. 14):
Cyklus predlžovania reťazca mastných kyselín zahŕňa štyri reakcie: 1) kondenzáciu acetyl-APB (C2) s malonyl-APB (C3); 2) zotavenie; 3) dehydratácia a 4) druhá regenerácia mastných kyselín. Na obr. 13 je znázornená schéma syntézy mastných kyselín. Jeden cyklus predlžovania reťazca mastných kyselín zahŕňa štyri po sebe idúce reakcie.
Obrázok 13 - Schéma syntézy mastných kyselín
V prvej reakcii (1) - kondenzačnej reakcii - acetylové a malonylové skupiny navzájom interagujú za vzniku acetoacetyl-ABP so súčasným uvoľňovaním C02 (Ci). Táto reakcia je katalyzovaná kondenzačným enzýmom b-ketoacyl-ABP syntetázou. C02 odštiepený z malonyl-APB je rovnaký CO2, ktorý sa zúčastnil acetyl-APB karboxylačnej reakcie. V dôsledku kondenzačnej reakcie teda dochádza k tvorbe štvoruhlíkovej zlúčeniny (C4) z dvoj-(C2) a trojuhlíkovej (C3) zložky.
V druhej reakcii (2), redukčnej reakcii katalyzovanej b-ketoacyl-ACP reduktázou, sa acetoacetyl-ACP premení na b-hydroxybutyryl-ACB. Redukčným činidlom je NADPH + H +.
V tretej reakcii (3) dehydratačného cyklu sa molekula vody odštiepi z b-hydroxybutyryl-APB za vzniku krotonyl-APB. Reakcia je katalyzovaná b-hydroxyacyl-ACP dehydratázou.
Štvrtou (poslednou) reakciou (4) cyklu je redukcia krotonil-APB na butyryl-APB. Reakcia prebieha za pôsobenia enoyl-ACP reduktázy. Úlohu redukčného činidla tu plní druhá molekula NADPH + H +.
Potom sa cyklus reakcií opakuje. Povedzme, že sa syntetizuje kyselina palmitová (C 16). V tomto prípade je tvorba butyryl-ACB ukončená len prvým zo 7 cyklov, v každom z nich je začiatkom pridanie molekuly molonyl-ACB (C 3) - reakcia (5) na karboxylový koniec rastúci reťazec mastných kyselín. V tomto prípade sa karboxylová skupina odštiepi vo forme C02 (C1). Tento proces možno znázorniť takto:
C3 + C2® C4 + C1-1 cyklus
Cyklus C4 + C3® C6 + C1-2
Cyklus C6 + C3® C8 + C1-3
Cyklus C8 + C3® C10 + C1-4
Cyklus C10 + C3® C12 + C1-5
Cyklus C12 + C3® C14 + C1-6
Cyklus C14 + C3® C16 + C1-7
Syntetizovať sa dajú nielen vyššie nasýtené mastné kyseliny, ale aj nenasýtené. Mononenasýtené mastné kyseliny vznikajú z nasýtených v dôsledku oxidácie (desaturácie) katalyzovanej acyl-CoA oxygenázou. Na rozdiel od rastlinných tkanív majú živočíšne tkanivá veľmi obmedzenú schopnosť premieňať nasýtené mastné kyseliny na nenasýtené. Zistilo sa, že dve najbežnejšie mononenasýtené mastné kyseliny, palmitolejová a olejová, sa syntetizujú z kyseliny palmitovej a stearovej. V tele cicavcov vrátane ľudí sa z kyseliny stearovej (C 18:0) nedajú tvoriť napríklad kyseliny linolová (C 18:2) a linolénová (C 18:3). Tieto kyseliny sú klasifikované ako esenciálne mastné kyseliny. Medzi esenciálne mastné kyseliny patrí aj kyselina arachidová (C 20:4).
Spolu s desaturáciou mastných kyselín (tvorba dvojitých väzieb) dochádza aj k ich predlžovaniu (predlžovaniu). Okrem toho je možné oba tieto procesy kombinovať a opakovať. K predĺženiu reťazca mastnej kyseliny dochádza postupným pridávaním dvojuhlíkových fragmentov k zodpovedajúcemu acyl-CoA za účasti malonyl-CoA a NADPH+H+.
Obrázok 14 ukazuje transformačné dráhy kyseliny palmitovej v desaturačných a predlžovacích reakciách.
Obrázok 14 - Schéma premeny nasýtených mastných kyselín
do nenasýtených
Syntéza akejkoľvek mastnej kyseliny je ukončená odštiepením HS-ACP z acyl-ACB pod vplyvom enzýmu deacylázy. Napríklad:
Výsledný acyl-CoA je aktívna forma mastnej kyseliny.