21. POGLAVJE: BIOSINTEZA LIPIDOV Flashcards
biološka vloga lipidov
različni poti katabolzima in anabolizma mk
metabolizem lipidov v živalski in rastlinski celici
biološka vloga lipidov
* shranjevanje energije
* sestavljajo celične membrano
* preko njih se pritrdijo membranski proteini * encimski kofaktorji
* signalne molekule
* pigmenti
* detergenti
* transporterji
* antioksidanti
različni poti katabolzima in anabolizma mk
* katabolizem maščobnih kislin
o produkt je acetil-CoA
o elektroni (redukcijska moč) se shranijo v NADH – poteka v mitohondriju
* anabolizem mašobnih kislin
o potrebuje malonil-CoA in acetil-CoA
o reducent je NADPH
o poteka v citosolu v živalih in v kloroplastih v rastlinah
obstajajo razlike med metabolizmom lipidov v rastlinskih in živalskih celicah
-živalske: sinteza maščob in začetna sinteza sterolov v citosolu
- rastline: sinteza maščob v kloroplastu
SINTEZA MAŠČOBNIH KISLIN
- sinteza maščobnih kislin poteka v več ciklih, z dodajanjem ene acetatne enote naenkrat (sinteza obratna od razgradnje)
- acetat se dodaja kot aktiviran malonat v obliki malonil-CoA
- v vsakem ciklu se karbonilni (C=O) ogljik reducira (CH2)
ven gre CO2
maščobna sintaza:
acetat povezan na cistein
začetni acetat je na koncu (omega konec)
v vsakem koraku se acetatu dodata 2 C atoma
karbonil se v vsakem ciklu reducira
CO2 poskrbi da je ireverzibilna reakcija
navadno gre do dolžine palmitinske kisline
Sinteza malonil-CoA (1)
biotin
- 3C prekurzor, potreben za sintezo m.k. se sintetizira iz acetil-CoA in CO2
- reakcijo katalizira acetil-CoA karboksilaza (ACC)
- ACC je bifunkcionalen encim
-biotin-karboksilaza
-transkarboksilaza - ACC vsebuje biotin, ki sodeluje pri prenosu CO2
-CO2 se s pomočjo biotina prenaša med dvema aktivnima mestoma
vse karboksilaze dve aktivni mesti:
-kjer se biotin karboksilira
-kjer se prenese kar. skupina iz biotina na substrat
biotin
* ima dve katalitični mesti; biotin-karboksilazno in transkarboksilazno mesto
* v biotin-karboksilaznem mestu se aktivirata karbonatni ion z ATPjem, karboksilira se biotin, ki je kovalentno pripet na primarni amin lizinske stranske skupine (morš znat narisat!)
* ko pride na transkarboksilazno mesto se karboksilna skupina prenese, v tem mestu je vezavno mesto za acetil-koencim A
* nastane ključen intermediat – malonil-CoA
* acetilna skupina malonil-CoA se ugradi v maščobno kislino, karboksilna skupina izhaja v obliki CO2 (dobro za ireverzibilnost reakcije, reakcija je termodinamsko zelo ugodna)
veliko nalog – če imamo določen C atom radioaktivno označen,kje se bo znašel? lahko da gre ven kot CO2
Sinteza maščobnih kislin
končni cilj
cikli
ACP
- končni cilj je pritrditi 2C acetatno enoto izmalonil-CoA na rastočo verigo in jo reducirati (ravno obratni koraki kot pri beta oksidaciji)
- sinteza m.k. vključuje več ciklov štirih encimsko kataliziranih reakcij
o kondenzacija rastoče verige z aktiviranim acetatom (malonil-CoA)
o redukcija karbonilne v hidroksilno skupino
o dehidratacija alkohola v alken
o redukcija alkena v alkan - rastoča veriga je pritrjena na encim preko tioesterske vezi
- med kondenzacijo se rastoča veriga prenese na acil-prenašalni protein (ACP)
- po drugi redukciji se podaljšana veriga prenese nazaj na sintazo maščobnih kislin
acil-prenašalni protein (ACP)
* vsebuje kovalentno pritrjeno prostetično 4’-fosfo- panteteinsko skupino, aktivna je SH skupina (nastajajo tioestri)
* ACP prinese acetat (v prvem koraku ) ali malonat (v vseh ostalih korakih) na sintazo m.k.
* ACP prenaša rastočo verigo z enega na drugo aktivno mesto v štirih korakih reakcije
Encim sintaza maščobnih kislin
- je v živalih in glivah velik multifunkcijski polipeptid
- sesalska maščobna sintaza
- vse katalitske domene so zakodirane v eni polipeptidni verigi
- prednost je lažje reguliranje izražanja (reguliramo izražanje samo enega proteina)
- slabost je da lahko pride do mutacij, premika bralnega okvirja in posledično napake pri izražanju
encimske domene sintaze m.k.
- kondenzacija z acetatom
o β-ketoacil-ACP sintaza (KS) - redukcija karbonilne v hidroksilno skupino
o β-ketoacil-ACP reduktaza (KR) - dehidratacija alkohola v alken
o β-hidroksiacil-ACP dehidrataza (DH) - redukcija alkena v alkan
o enoil-ACP reduktaza (ER) - prenos verige
o malonil/acetil-CoA ACP transferaza (MAT) - prenos verige
o acil-prenašalni protein (ACP) - odcep produkta
o tioesteraza (TE)
Potek sinteze
prvi korak
* na maščobno sintazo se pripne acetat iz acetil-CoA na cistein ketoacilni podenoti encima
* gre za prenos, prekine se tioestrska vez, a se vzpostavi nova
drugi korak
- vstopi malonil-CoA, se poveže z maščobno sintazo z acil prenašalnim proteinom
- acil prenašalni protein zamenja tioestrsko vez (žveplo veže malonat), iztopi CoA
- ko se premakne v pozicijo, da je malonil blizu z acetatno skupino, pride do kondenzacije
tretji korak - kondenzacija
* elektronski par na karboksilni skupini se prenese, drug elektronski par napade karbonilni ogljik, ki ima manjko elektronov
* izstopi CO2, pride do kondenzacije
* imamo acetatni del, ki je bil vezan na začetku, sedaj na koncu in del iz malonil-CoA na naslednjem segmentu, oboje vezano na acil prenašalni protein
četrti korak - redukcija
* reducent je NADPH, ki odda dva elektrona (pri reakcijah piši protone!)
* redukcija karbonila do alkohola
peti korak - dehidracija
* kisik in vodik se odcepita v obliki vode, dobimo dvojno vez
* nastopa beta-hidroksiacil dehidrataza
šestii korak - redukcija
* reducent je NADPH, ki odda dva elektrona
* dobimo nasičeno enojno vez, dobimo butiril ACP, ki je produkt
sedmi korak - translokacija
* prenos iz ACP na ketoacil sintazo
osmi korak
- na ACP se ponovno veže malonil, postopek se ponovi
- ko pridemo do C16, tioesteraza odcepi palmitinsko kislino, ki je končni produkt
Bilanca
reakcija je precej potratna
8 acetil CoA + 7ATP + 14NADPH + 14H+ -> palmitat + 8CoA + 7ADP + 7P + 14NADP+ + 6H2O
Vir NADPH
- poteka v citosolu
- dobimo po pentoza fosfatni poti (z oksidacijo glukoze)
- vir je tudi malat; poteče oksidativna fosforilacija (malični encim)
- rastline pa dobivajo NADPH preko fotosinteze
Prenos acetil-CoA iz mitohondrija v citosol v obliki citrata
- acetil-CoA se porabi za sintezo mk
- skozi zunanjo mitohonrdijsko membrano lahko prosto prehaja, v notranji membrani pa imamo citratne transporterje
- acetil-CoA se pretvori v citrat, ki lahko vstopi v citosol, kjer se pretvori nazaj v oksaloacetat in acetil-CoA
- oksaloacetat se reducira v malat
- malat lahko direktno vstopi v mitohonrdij prek malatnega transporterja ali pa se pretvori v piruvat (dobimo zraven še NADPH) in nato vstopi v matrix
- če primankuje NADPH poteka pot preko maličnega encima (z nastankom piruvata)
Regulacija sinteze m.k.
- predvsem na ravni tvorbe malonil-CoA
- acetil-CoA karboksilaza je inhibirana s strani produkta, ki nastaja – palmitoil-CoA (negativna povratna zanka)
- vplivajo tudi različni hormoni (vsi, ki kažejo na pomankanje energije, vzbudijo signalne poti, ki povzročijo fosforilacijo karboksilaze – neaktivna)
o glukagon: premalo glukoze, vse usmerimo v sintezo glukoze
o adrenalin: rabimo energijo za boj - ko ni karboksilirana, tvori vlakna na sliki b
Inzulin v regulaciji sinteze m.k.
* inzulin aktivira poti, ki vodijo do sinteze triacilglicerolov
* inzulin sporoča, da je veliko OH
* acetil-CoA lahko organizmi predelajo in shranijo v obliki maščobnih kislin
Sinteza nenasičenih maščobnih kislin
- vretenčarji lahko dodajo eno cis dvojno vez palmitatu in stearatu
- vretenčarji ne morejo dodati dodatnih dvojnih vezi med C10 in metilnim koncem
- zato moramo linolno in linolensko kislino dobiti s hrano; sta esencialni maščobni kislini (iz njih lahko sintetiziramo druge produkte)
- rastline, alge in nekateri insekti lahko sintetizirajo linolensko k. iz oleinske k.
Pri vretenčarjih je desaturaza maščobnih kislin oksidaza, ki vsebuje Fe
* O2 sprejme 4 elektrone od dveh substratov naenkrat
* dva elektrona od maščobne kisline
* dva elektrona od 2xFe2+ v citokromu b5
* imamo desaturazo, ki lahko naredi dvojno vez, če ni preveč pri koncu
* elektrone dobi iz NADPHja
* kisik se reducira v vodo
* en del elektronov pa se porabi za redukcijo mk
Pri rastlinah
* v rastlinah so kot substrat desaturaz običajno na fosfatidilholin vezane m.k.
* reakcija poteka v ER
* te mk, ki so vezane na
fosfatidiholin predstavljajo substrat desaturaze, ki potem desaturirajo drugo verigo (ker imajo tako aktivno mesto)
* nenasičene mk najdemo na drugem mestu
Oksidaze, monooksigenaze in dioksigenaze
- molekularni kisik lahko služi kot akceptor elektronov
- oksidaze ne vgradijo kisika v produkt (organsko molekulo)
o kisik se običajno reducira v vodikov peroksid – največkrat so flavini redoks kofaktorji - monooksigenaze vgradijo enega od kisikovih atomov v produkt
o iz drugega kisika nastane voda
o običajno nastopa Fe kot redoks kofaktor - dioksigenaze vgradijo oba kisika v produkt reakcije
SINTEZA EIKOZANOIDOV
- signalne molekule, ki nastanejo z oksidacijo esencialnih m.k. z 20C atomi
- prostaglandini, prostaciklini, tromboksani in levkotrieni
- nastanejo z oksidacijo arhidonske kisline (s ciklooksidenazami)
- oksidacijo katalizirajo različne ciklooksigenaze - ne rabijo kovin za kofaktorje
- ciklooksigenaze so tarča mnogih anti-inflamatornih zdravil
- PGG2 in PGH2 sta prekurzorja vseh ostalih prostaglandinov in tromboksanov
- arahidonska kislina je sestavni del fosfolipidov naših celičnih membran
- fosfolipaza A2 odcepi arahidonsko kislino iz fosfolipidov
(izpitno vprašanje!) - arahidonska kislina ima 4 dvojne vezi
- ciklooksigenaza (COX) oksidira arahidonsko kislino, dobimo prekurzorje PGG2 in PGH2
- COX (ni citokrom oksigenaza!), so tarča nesteroidnih antiinflamatornih zdravil (npr. aspirin) – inhibirajo nastanek tarčnih molekul, ki nam sporočajo bolečino
- aspirin je acetilsalicilna kislina, ki kovalentno modificira serin v COX (moraš znat narisat!)
- ko se to zgodi, se zapre en hidrofobni kanalček v COX, arahidonska k. ne more vstopiti in se oksidirati, prekurozrji prostaglandinov ne morajo nastati
- prepreči se tudi tvorba tromboksanov, aspirin redči kri! (ne smeš jemati pred operacijami), pomaga proti strjevanju krvi
- ibuprofen in naproksen zablokirata katalitično aktivnost COX, preprečita vezavo
SINTEZA TRIACILGLICEROLOV
- glicerol lahko sintetiziramo iz glukoze preko dihidroksiaceton fosfata, glicerol 3-fosfat dehidrogenaza ga pretvori v glicerol 3 – fosfat
- ali pa direktno fosforiliramo glicerol
- glicerol 3-fosfat je substrat za produkcijo triacilglicerolov, acil CoA pa potem dodatno vstopi v reakcijo (2x)
- nastane fosfatidilna kislina, ki je ključni intermediat za sintezo fosfolipidov
- če se nanjo pripne še en acil CoA dobimo triacilglicerol
Gliceroneogeneza
* piruvat se pretvori v oksaloacetat, ta naprej v fosfoenolpiruvat, ki privede do nastanka dihidroksiaceton fosfata
* zakaj je gliceroneogeneza pomembna? v adipocitih se lipidi shranjujejo v obliki triacilglicerolov
Regulacija gliceroneogeneze
- MK med adipoznim tkivom in jetri stalno krožijo
- MK gredo po krvi, krožijo, jih je veliko, ko pridejo v
jetra, tam poteka gliceroneogeneza - ko imamo MK preveč, se shranijo v maščobnem tkivu
- procesi regulirani, glukokortikoidi drugače delujejo na jetra kot adipozna tkiva
o v jetrih spodbujajo sintezo glicerola
o v adipoznem tkivu inhibirajo
gliceroneogenezo
SINTEZA FOSFOLIPIDOV
- lahko se aktivira glicerol s CDP, nastane CDP-diacilglicerol
- druga možnost je da se aktivira vstopajoča skupina, ki se veže na 1,2-diacilglicerol
- v obeh primerih na koncu nastane glicerofosfolipid, odcepi se CMP
- fosfatidilserin in fosfatidiletanolamin sta pogosta fosfolipida (zapomni si kako izgledajo!)
- kardiolipin v bakterijah
SINTEZA HOLESTEROLA
- pomemben lipid, sinteza je zapletena
- z izotopskimi označitvami so ugotovili, da vsi C atomi
izvirajo iz acetata - holesterol je komponenta celičnih membran, skrbi za
ravnovesje med fluidnostjo in rigidnostjo (cis dvojne vezi) - ima polarno OH skupino
- oblika onemogoča, da bi se MK preveč trdno spakirale
- iz acetata se sintetizira mevalonat, ki se aktivira v izopren
- izoprenske podenote se med seboj povežejo (6 enot), tvori se skvalen
- ko se vse podenote povežejo med seboj, dobimo holesterol
Koraki v biosintezi
5.1.1. Tvorba mevalonata
5.1.2. Tvorba aktiviranega izoprena
5.1.3. Tvorba skvalena
5.1.4. Ciklizacija skvalena in tvorba holesterola
Tvorba mevalonata
Tvorba aktiviranega
Tvorba mevalonata
* HMG-CoA reduktaza je tarča cardio-vaskularnih zdravil
* iz acetil-CoA s tiolazo nastane acetoacetil-CoA
* preko HMG-CoA sintaze nastane beta-
hidroksi-beta-metilglutaril-CoA
* HMG-CoA s pomočjo NADPH pretvori metilglutaril-CoA do mevalonata (moraš znat narisat vse korake!)
* na HMG-CoA lahko vplivamo z zdravili
Tvorba aktiviranega izoprena
* mevalonat moramo aktivirati z ATP, fosforilna skupina se pripne gor
* 5-fosfomevalonat porabi še en ATP, nastane 5-pirofosfomevalonat
* v naslednjem koraku se znebimo enega C atoma, porabi se še en ATP
* nato pride do dekarboksilacije, dobimo pomemben aktiviran izporen, ki je osnova za sintezo holesterola
* sledi izomerizacija (spremeni se postavitev dvojne vezi)
Tvorba skvalena
Ciklizacija skvalena in tvorba holesterola
Tvorba skvalena
* pirofosfat je dobra izstopajoča skupina v reakcijah nukleofilne substitucije
* dimetilalil pirofosfat in izopentil pirofosfat reagirata »head to tail«, odcepi se en pirofosfat, nastane prekurzor C10 (geranil pirofosfat)
* v naslednjem koraku dobimo C15 (farnezil pirofosfat)
* 2 farnezilpirofosfata reagirata, dobimo skvalen C30
Ciklizacija skvalena in tvorba holesterola
* skvalen je prekurzor, iz katerega lahko nastane holesterol
* skvalen monooksigenaza pretvori skvalen v skvalen 2,3-epoksid (poteče redukcija)
* lahko dobimo stigmasterol, lanosterol ali ergostenol
* pomembni prekurzorji za hormone in holesterol
* iz lanosterola lahko dobimo holesterol
- lanosterol se pretvori v holesterol preko
mnogo reakcij, ne rabiš jih poznat
Pomen holesterola
- sestavni del membrane - vpliva na fluidnost (zmanjša ekstreme), zmanjša prepustnost,
sidrišče za proteine (naše celice znajo sintetizirati holesterol!) - prekurzor žolčnih kislin
- prekurzor steroidnih hormonov
- prekurzor vitamina D (rahitis, če ni UV)
- celična membrana ni homogena
- razlikuje se lateralno in vertikalno
- obstajajo različni rafti/otočki, ki so obogateni z različnimi lipidi, npr. sfingolipidi, na takih mestih več holesterola
- meristoilacija je postranslacijska sprememba proteinov, kjer se maščoba pritrdi na protein, največkrat preko cisteina
- holesterol pomemben prekurzor vitamina D
- za nastanek potrebujemo sončno svetlobo (omogoča pretvorbo dehidroholesterola v holekalciferol)
- pozimi velikokrat zbolimo, ker nimamo dovolj vitamina D (pomembna funkcija pri imunološkem odzivu organizma)
- ni pa se dobro predozirati z vitaminom D!
holesterol pomemben prekurzor različnih
steroidnih hormonov
Prenos holesterola po krvi
- poznamo različne razrede lipoproteinov
- hilomikroni (najmanj gosti), VLDL, LDL, HDL
- fosfolipidni monosloj, v notranjosti lipidi in holesterol
- LDL »slab holesterol«, HDL pa »dober« (pogovorno)
skala ni enotna; hilomikroni so še 3x večji
poznati moraš ApoA-I in ApoB-100 (veže na LDL receptor, omogoči, da se delci endocitozirajo)
- eksogena pot: ključna za transport maščob iz hrane (zunanji vir)
o maščobe se v tankem črevesu razgradijo in nato zopet sintetizirajo do TAG, ki se vgradijo v hilomikrone, ki potujejo po krvnem obtoku
o del MK se razgradi že v kapilarah (vstopijo v miocite, adipozno tkivo, mlečne žleze), del pa vstopi v jetra, kjer se sintetizirajo lipoproteini z manjhno gostoto - endogena pot: transport lipidov znotraj organizma
o VLDL potujejo po krvi v hepatična tkiva; najprej nastanejo IDL (intermediate density lipoproteins), nato LDLji, ki lahko vstopajo v celice prek endocitoze
o del se vrne nazaj v jetra - reverzni transport holesterola: transport holesterola iz
delov, kjer ni potreben
o višek holesterola (iz npr. makrofagov, ki poberejo holesterol iz sten žil) lahko potuje s pomočjo HDLja v celice, kjer je holesterol potreben (nazaj v jetra)
o HDL pobira holesterol in ga vrača, LDL pa ga razprši po organizmu (»slab holesterol«)
pomembno razmerje HDL, LDL
HDL: počistijo nabran holesterol, naredijo holesterolne estre
ApoA I
ApoB
ApoA I protein aktivira LCAT
* LCAT encim uporabi fosfatidilholin, zato da prenese eno MK na holesterol, dobimo holesterol ester
* na tak način se lahko znebimo holesterola
receptorsko regulirana endocitoza
* celice imajo receptorje za ApoB-100 protein, ga prepoznajo
* to omogoči endocitozo LDL, združi se z lizosomom
* ragradi se vsebina LDL, še pred tem pa se receptorji vrnejo nazaj na membrano
* ostala vsebina se razgradi in porabi v celici
LDL v žilah
- če imamo preveč LDLja, se na žilah nabirajo lipoproteini, imunski sistem to pozna kot tujek
- monociti se diferenciirajo v makrofage, ki fagocitozirajo LDL
- ker pa ne znajo dobro presnoviti vsebine, nastanejo penaste celice
- pride do tega, da se začnejo nabirati lipidne kapljice v celicah, to povzroči probleme pri signalizaciji
- nastajajo vse večji plaki, kar lahko povzroči škodo tkivu ali pa se zamaši žila à to lahko vodi do odmrtja tkiva (posledično tudi do smrti!)
- ateroskleroza je ena izmed pogostejših razlogov za smrt
- če imamo preveč LDL, to najprej popravimo z dieto, lahko pa tudi zavremo sintezo holesterola
Holesterol kot prekurzor hormonov, vitaminov
- sinteza spolnih hormonov
- progesteron je skupni prekurzor, lahko nastanejo testosteron, kortizol in različni kortikoidi in mineralnokortikoidi
- reakcije na desni ne
rabiš poznat, obstaja
citokrom P-450
(pogosto nastopa pri
rekcijah oksidacij v
jetrih) - veliko različnih hormonov, vitaminov
nastane iz izopentil pirofosfata
Regulacija biosinteze holesterola
Hormonska regulacija
* holesterola ne sintetiziramo, ko nimam dovolj energije (hormoni, ki kažejo na pomankanje energije, inhibirajo HMG-CoA reduktazo)
* sam holesterol vpliva na inhibicijo, stimulira njegovo proteolizo
* inzulin pa povečuje sintezo holesterola
Regulacija na nivoju transkripcije
* različni proteini zaznavajo stopnjo sterolov v celici
* SREBP (»sterol regulatory element binding protein« - od sterola odvisni protein, ki se veže na elemente, ki so pomembni za sintezo holesterola)
* Insig protein je nasičen s steroli, drži proteine v membrani ER; ko se nasičenost zniža, ubikitin označi insig, le-ta se razgradi, SCAP in SREPB lahko potujeta v notranjost
* Proteaze sprostijo regulatorno domeno SREPB v Golgijevem aparatu, ki lahko potem vstopi v jedro in vpliva na transkripcijo
Regulacija z inhibitorji - statini
* statini inhibirajo HMG-CoA
* imajo podobno strukturo kot mevalonat, vežejo se v HMG-CoA
* veliko zdravil vsebuje statine (ko jih enkrat začnemo jemati, smo od njih odvisni)
