- Quá trình tổng hợp axit béo xảy ra ở đâu?
- Enzyme liên quan
- Các giai đoạn và phản ứng
- Quy định
- Người giới thiệu
Quá trình tổng hợp axit béo là quá trình sản xuất các thành phần cơ bản của lipid quan trọng nhất trong tế bào (axit béo), tham gia vào nhiều chức năng rất quan trọng của tế bào.
Axit béo là các phân tử béo, nghĩa là chúng về cơ bản được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon và hydro liên kết với nhau theo một cách ít nhiều tuyến tính. Chúng có một nhóm metyl ở một đầu và một nhóm cacboxylic có tính axit ở đầu kia, chúng được gọi là "axit béo".
Tóm tắt tổng hợp axit béo (Nguồn: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) qua Wikimedia Commons)
Lipid là các phân tử được sử dụng bởi các hệ thống sinh tổng hợp tế bào khác nhau để hình thành các phân tử khác phức tạp hơn như:
- màng phospholipid
- chất béo trung tính để dự trữ năng lượng và
- mỏ neo của một số phân tử đặc biệt được tìm thấy trên bề mặt của nhiều loại tế bào (tế bào nhân thực và tế bào nhân sơ)
Những hợp chất này có thể tồn tại dưới dạng phân tử mạch thẳng (với tất cả các nguyên tử cacbon bão hòa với các phân tử hydro), nhưng những hợp chất có mạch thẳng và một số chất bão hòa cũng có thể được quan sát thấy, tức là có liên kết đôi giữa các nguyên tử cacbon của chúng.
Axit béo bão hòa cũng có thể được tìm thấy với các chuỗi phân nhánh, có cấu trúc phức tạp hơn một chút.
Các đặc tính phân tử của axit béo rất quan trọng đối với chức năng của chúng, vì nhiều đặc tính hóa lý của các phân tử do chúng tạo thành phụ thuộc vào chúng, đặc biệt là điểm nóng chảy, mức độ đóng gói và khả năng tạo thành lớp kép của chúng.
Do đó, việc tổng hợp các axit béo là một vấn đề được kiểm soát chặt chẽ, vì nó là một chuỗi các sự kiện tuần tự quan trọng đối với tế bào theo nhiều quan điểm.
Quá trình tổng hợp axit béo xảy ra ở đâu?
Ở hầu hết các sinh vật sống, quá trình tổng hợp axit béo xảy ra trong ngăn tế bào, trong khi sự phân hủy của chúng xảy ra chủ yếu giữa tế bào và ti thể.
Quá trình này phụ thuộc vào năng lượng chứa trong các liên kết ATP, vào sức khử của NADPH (thường có nguồn gốc từ con đường pentose phosphate), vào đồng yếu tố biotin, vào các ion bicacbonat (HCO3-) và các ion mangan.
Ở động vật có vú, các cơ quan chính để tổng hợp axit béo là gan, thận, não, phổi, tuyến vú và mô mỡ.
Cơ chất ngay lập tức cho quá trình tổng hợp axit béo de novo là acetyl-CoA và sản phẩm cuối cùng là phân tử palmitate.
Acetyl-CoA có nguồn gốc trực tiếp từ quá trình xử lý các chất trung gian glycolytic, đó là lý do tại sao chế độ ăn nhiều carbohydrate thúc đẩy quá trình tổng hợp lipid (lipogenesis) ergo, cũng như các axit béo.
Enzyme liên quan
Acetyl-CoA là khối tổng hợp hai carbon được sử dụng để hình thành các axit béo, vì một số phân tử này được liên kết liên tiếp với phân tử malonyl-CoA, được hình thành bằng cách cacboxyl hóa acetyl-CoA.
Enzyme đầu tiên trong lộ trình, và là một trong những enzyme quan trọng nhất theo quan điểm điều chỉnh của nó, là enzyme phụ trách quá trình carboxyl hóa acetyl-CoA, được gọi là acetyl-CoA carboxylase (ACC), là một phức hợp Một hợp chất enzym được tạo thành từ 4 protein và sử dụng biotin làm đồng yếu tố.
Tuy nhiên, và bất chấp sự khác biệt về cấu trúc giữa các loài khác nhau, enzyme tổng hợp axit béo chịu trách nhiệm cho các phản ứng sinh tổng hợp chính.
Trên thực tế, enzym này là một phức hợp enzym bao gồm các đơn phân có 7 hoạt tính enzym khác nhau, cần thiết cho sự kéo dài của axit béo khi mới "sinh ra".
7 hoạt động của enzym này có thể được liệt kê như sau:
- ACP : protein mang nhóm acyl
- Acetyl-CoA-ACP transacetylase (AT)
- Tổng hợp β-ketoacyl-ACP (KS)
- Malonyl-CoA-ACP transferase (MT)
- β-ketoacyl-ACP reductase (KR)
- β-hydroxyacyl-ACP khử nước (HD)
- Enoyl-ACP reductase (ER)
Ví dụ, ở một số sinh vật như vi khuẩn, phức hợp tổng hợp axit béo được tạo thành từ các protein độc lập liên kết với nhau, nhưng được mã hóa bởi các gen khác nhau (hệ thống tổng hợp axit béo loại II).
Enzyme tổng hợp axit béo trong nấm men (Nguồn: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / Public domain, qua Wikimedia Commons)
Tuy nhiên, ở nhiều sinh vật nhân thực và một số vi khuẩn, multienzyme chứa một số hoạt động xúc tác được phân tách thành các vùng chức năng khác nhau, trong một hoặc nhiều polypeptit, nhưng có thể được mã hóa bởi cùng một gen (hệ thống tổng hợp axit béo loại I).
Các giai đoạn và phản ứng
Hầu hết các nghiên cứu được thực hiện liên quan đến tổng hợp axit béo liên quan đến những phát hiện được thực hiện trong mô hình vi khuẩn, tuy nhiên, cơ chế tổng hợp của các sinh vật nhân thực cũng đã được nghiên cứu sâu hơn.
Điều quan trọng cần đề cập là hệ thống tổng hợp axit béo loại II có đặc điểm là tất cả các chất trung gian acyl béo được liên kết cộng hóa trị với một protein có tính axit nhỏ được gọi là protein vận chuyển acyl (ACP), vận chuyển chúng từ enzym này sang enzym kế tiếp.
Ngược lại, ở sinh vật nhân thực, hoạt động của ACP là một phần của cùng một phân tử, người ta hiểu rằng cùng một loại enzim có vị trí đặc biệt để liên kết các chất trung gian và vận chuyển chúng qua các vùng xúc tác khác nhau.
Sự kết hợp giữa protein hoặc phần ACP và các nhóm acyl béo xảy ra thông qua liên kết thioester giữa các phân tử này và nhóm giả 4'-phosphopantetheine (axit pantothenic) của ACP, được hợp nhất với nhóm cacboxyl của acyl béo.
- Ban đầu, enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC) chịu trách nhiệm xúc tác bước đầu tiên của quá trình "cam kết" trong quá trình tổng hợp axit béo, như đã đề cập, liên quan đến quá trình carboxyl hóa phân tử acetyl-CoA để tạo thành chất trung gian của 3 nguyên tử cacbon được gọi là malonyl-CoA.
Phức hợp tổng hợp axit béo nhận các nhóm acetyl và malonyl, các nhóm này phải "điền vào" các vị trí "thiol" của nó một cách chính xác.
Điều này xảy ra ban đầu bằng cách chuyển acetyl-CoA đến nhóm SH của cysteine trong enzyme β-ketoacyl-ACP synthase, một phản ứng được xúc tác bởi acetyl-CoA-ACP transacetylase.
Nhóm malonyl được chuyển từ malonyl-CoA sang nhóm SH của protein ACP, một sự kiện được thực hiện qua trung gian của enzyme malonyl-CoA-ACP transferase, tạo thành malonyl-ACP.
- Bước bắt đầu kéo dài axit béo khi sinh ra bao gồm sự ngưng tụ của malonyl-ACP với một phân tử acetyl-CoA, một phản ứng được chỉ đạo bởi một enzyme có hoạt tính tổng hợp β-ketoacyl-ACP. Trong phản ứng này, acetoacetyl-ACP sau đó được hình thành và một phân tử CO2 được giải phóng.
- Phản ứng kéo dài xảy ra theo chu kỳ trong đó 2 nguyên tử cacbon được thêm vào cùng một lúc, trong đó mỗi chu kỳ bao gồm sự ngưng tụ, sự khử, sự khử nước và sự kiện khử thứ hai:
- Sự ngưng tụ: các nhóm acetyl và malonyl ngưng tụ để tạo thành acetoacetyl-ACP
- Tính khử của nhóm cacbonyl: nhóm cacbonyl của cacbon 3 của acetoacetyl-ACP bị khử, tạo thành D-β-hydroxybutyryl-ACP, một phản ứng được xúc tác bởi β-ketoacyl-ACP-reductase, sử dụng NADPH làm chất cho điện tử.
- Sự khử nước: các hydro giữa cacbon 2 và 3 của phân tử trước đó bị loại bỏ, tạo thành một liên kết đôi kết thúc bằng việc tạo ra trans -∆2-butenoyl-ACP. Phản ứng được xúc tác bởi β-hydroxyacyl-ACP mất nước.
- Giảm liên kết đôi: liên kết đôi trans-del2-butenoyl-ACP bị khử để tạo thành butyryl-ACP do tác dụng của enoyl-ACP reductase, cũng sử dụng NADPH như một chất khử.
Để tiếp tục kéo dài, một phân tử malonyl mới phải liên kết lại với phần ACP của phức hợp tổng hợp axit béo và bắt đầu bằng sự ngưng tụ của nó với nhóm butyryl được hình thành trong chu kỳ tổng hợp đầu tiên.
Cấu trúc của palmitate (Nguồn: Edgar181 / Public domain, qua Wikimedia Commons)
Ở mỗi bước kéo dài, một phân tử malonyl-CoA mới được sử dụng để phát triển chuỗi lên 2 nguyên tử cacbon và các phản ứng này được lặp lại cho đến khi đạt được độ dài thích hợp (16 nguyên tử cacbon), sau đó một enzym thioesterase sẽ giải phóng axit béo hoàn chỉnh bằng cách thủy hóa.
Palmitate có thể được xử lý thêm bằng các loại enzym khác nhau làm thay đổi các đặc tính hóa học của nó, nghĩa là, chúng có thể tạo ra tình trạng không bão hòa, kéo dài độ dài của nó, v.v.
Quy định
Giống như nhiều con đường sinh tổng hợp hoặc phân hủy, tổng hợp axit béo được điều chỉnh bởi các yếu tố khác nhau:
- Nó phụ thuộc vào sự hiện diện của các ion bicacbonat (HCO3-), vitamin B (biotin) và acetyl-CoA (trong bước đầu tiên của con đường, liên quan đến quá trình cacboxyl hóa phân tử acetyl-CoA bằng chất trung gian cacboxyl hóa của biotin để tạo thành malonyl-CoA).
- Đó là một con đường xảy ra để đáp ứng với các đặc điểm năng lượng tế bào, bởi vì khi có đủ lượng "nhiên liệu chuyển hóa", lượng dư thừa sẽ được chuyển hóa thành các axit béo được dự trữ cho quá trình oxy hóa tiếp theo trong thời gian thiếu hụt năng lượng.
Về cơ chế điều hòa enzyme acetyl-CoA carboxylase, đại diện cho bước giới hạn của toàn bộ con đường, nó bị ức chế bởi palmitoyl-CoA, sản phẩm chính của quá trình tổng hợp.
Mặt khác, chất hoạt hóa allosteric của nó là citrate, hướng chuyển hóa từ quá trình oxy hóa sang tổng hợp để lưu trữ.
Khi nồng độ acetyl-CoA và ATP của ty thể tăng lên, citrate được vận chuyển vào tế bào, nơi nó vừa là tiền chất để tổng hợp acetyl-CoA trong tế bào vừa là tín hiệu hoạt hóa dị ứng cho acetyl-CoA carboxylase.
Enzyme này cũng có thể được điều chỉnh bằng cách phosphoryl hóa, một sự kiện được kích hoạt bởi hoạt động nội tiết tố của glucagon và epinephrine.
Người giới thiệu
- McGenity, T., Van Der Meer, JR, & de Lorenzo, V. (2010). Sổ tay vi sinh vật học hydrocacbon và lipid (trang 4716). KN Timmis (Biên tập). Berlin: Springer.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA, & Rodwell, VW (2014). Hóa sinh minh họa của Harper. Mcgraw-hill.
- Nelson, DL & Cox, MM (2009). Các nguyên tắc của Lehninger về hóa sinh (trang 71-85). New York: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Chuyển hóa axit béo và quy định của nó. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Hóa sinh-Ấn bản quốc tế. Bắc Carolina: Nhà xuất bản Neil Patterson, 5.