การสังเคราะห์กรดไขมัน: ที่เกิดขึ้นเอนไซม์ขั้นตอนและปฏิกิริยา - ชีววิทยา - 2026

การสังเคราะห์กรดไขมันเป็นกระบวนการที่ส่วนประกอบพื้นฐานของไขมันที่สำคัญที่สุดในเซลล์ (กรดไขมัน) ถูกสร้างขึ้นซึ่งมีส่วนร่วมในการทำงานของเซลล์ที่สำคัญมาก

กรดไขมันเป็นโมเลกุลอะลิฟาติกกล่าวคือประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนที่จับกันเป็นเส้นตรงไม่มากก็น้อย พวกมันมีกลุ่มเมธิลที่ปลายด้านหนึ่งและกลุ่มคาร์บอกซิลิกที่เป็นกรดที่ปลายอีกข้างหนึ่งซึ่งเรียกว่า "กรดไขมัน"

สรุปการสังเคราะห์กรดไขมัน (ที่มา: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) ผ่าน Wikimedia Commons)

ลิพิดเป็นโมเลกุลที่ใช้โดยระบบสังเคราะห์ทางชีวภาพของเซลล์ที่แตกต่างกันเพื่อสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนอื่น ๆ เช่น:

• ฟอสโฟลิปิดเมมเบรน
• ไตรกลีเซอไรด์ในการกักเก็บพลังงานและ
• จุดยึดของโมเลกุลพิเศษบางชนิดที่พบบนพื้นผิวของเซลล์หลายชนิด (ยูคาริโอตและโปรคาริโอต)

สารประกอบเหล่านี้สามารถดำรงอยู่เป็นโมเลกุลเชิงเส้น (โดยอะตอมของคาร์บอนทั้งหมดอิ่มตัวด้วยโมเลกุลของไฮโดรเจน) แต่สารประกอบที่มีโซ่ตรงและความอิ่มตัวบางส่วนสามารถสังเกตได้เช่นกันนั่นคือด้วยพันธะคู่ระหว่างอะตอมของคาร์บอน

กรดไขมันอิ่มตัวสามารถพบได้ด้วยโซ่ที่แตกแขนงซึ่งมีโครงสร้างซับซ้อนกว่าเล็กน้อย

ลักษณะโมเลกุลของกรดไขมันมีความสำคัญต่อการทำงานของมันเนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีกายภาพหลายประการของโมเลกุลที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับพวกมันโดยเฉพาะจุดหลอมเหลวระดับของบรรจุภัณฑ์และความสามารถในการสร้างไบเลเยอร์

ดังนั้นการสังเคราะห์กรดไขมันจึงเป็นเรื่องที่มีการควบคุมสูงเนื่องจากเป็นชุดของเหตุการณ์ตามลำดับที่มีความสำคัญต่อเซลล์จากหลายมุมมอง

การสังเคราะห์กรดไขมันเกิดขึ้นที่ไหน?

ในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่การสังเคราะห์กรดไขมันเกิดขึ้นในช่องไซโตโซลิกในขณะที่การย่อยสลายส่วนใหญ่เกิดขึ้นระหว่างไซโตซอลและไมโทคอนเดรีย

กระบวนการขึ้นอยู่กับพลังงานที่มีอยู่ในพันธะ ATP, กำลังรีดิวซ์ของ NADPH (โดยปกติจะมาจากทางเดินเพนโตสฟอสเฟต), ไบโอตินโคแฟกเตอร์, ไบคาร์บอเนตไอออน (HCO3-) และแมงกานีสไอออน

ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอวัยวะหลักในการสังเคราะห์กรดไขมัน ได้แก่ ตับไตสมองปอดต่อมน้ำนมและเนื้อเยื่อไขมัน

สารตั้งต้นสำหรับการสังเคราะห์กรดไขมัน de novo คือ acetyl-CoA และผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือโมเลกุลของปาล์มมิเตท

Acetyl-CoA เกิดขึ้นโดยตรงจากการแปรรูปไกลโคไลติกตัวกลางซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมอาหารที่มีคาร์โบไฮเดรตสูงจึงส่งเสริมการสังเคราะห์ไขมัน (lipogenesis) ergo เช่นเดียวกับกรดไขมัน

เอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง

Acetyl-CoA เป็นบล็อกการสังเคราะห์คาร์บอนสองชนิดที่ใช้สำหรับการสร้างกรดไขมันเนื่องจากโมเลกุลเหล่านี้หลายโมเลกุลเข้าร่วมอย่างต่อเนื่องกับโมเลกุล malonyl-CoA ซึ่งเกิดจาก carboxylation ของ acetyl-CoA

เอนไซม์ตัวแรกในเส้นทางและหนึ่งในสิ่งที่สำคัญที่สุดจากมุมมองของการควบคุมคือเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการสร้างคาร์บอกซิเลชันของ acetyl-CoA หรือที่เรียกว่า acetyl-CoA carboxylase (ACC) ซึ่งเป็นสารประกอบเชิงซ้อน สารประกอบเอนไซม์ประกอบด้วยโปรตีน 4 ชนิดและใช้ไบโอตินเป็นปัจจัยร่วม

อย่างไรก็ตามและแม้จะมีความแตกต่างทางโครงสร้างระหว่างสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกัน แต่เอนไซม์ซินเทสของกรดไขมันก็มีส่วนรับผิดชอบต่อปฏิกิริยาการสังเคราะห์ทางชีวภาพหลัก

ในความเป็นจริงเอนไซม์นี้เป็นเอนไซม์คอมเพล็กซ์ที่ประกอบด้วยโมโนเมอร์ที่มีกิจกรรมของเอนไซม์ 7 ชนิดที่แตกต่างกันซึ่งจำเป็นสำหรับการยืดตัวของกรดไขมันที่ "เกิด"

กิจกรรมทั้ง 7 ของเอนไซม์นี้สามารถระบุได้ดังนี้:

- ACP : โปรตีนตัวพากลุ่มอะซิล

- Acetyl-CoA-ACP ทรานส์อะซิทิเลส (AT)

- β-ketoacyl-ACP synthase (KS)

- การถ่ายโอน Malonyl-CoA-ACP (MT)

- β-ketoacyl-ACP reductase (KR)

- β-hydroxyacyl-ACP dehydratase (HD)

- Enoyl-ACP reductase (ER)

ในสิ่งมีชีวิตบางชนิดเช่นแบคทีเรียตัวอย่างเช่นกรดไขมันซินเทสคอมเพล็กซ์ประกอบด้วยโปรตีนอิสระที่เชื่อมโยงซึ่งกันและกัน แต่ถูกเข้ารหัสโดยยีนที่แตกต่างกัน (ระบบสังเคราะห์กรดไขมันประเภท II)

เอนไซม์สังเคราะห์กรดไขมันยีสต์ (ที่มา: Xiong, Y. , Lomakin, IB, Steitz, TA / โดเมนสาธารณะผ่าน Wikimedia Commons)

อย่างไรก็ตามในยูคาริโอตและแบคทีเรียบางชนิด multienzyme มีกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาหลายอย่างที่แยกออกเป็นโดเมนการทำงานที่แตกต่างกันในโพลีเปปไทด์หนึ่งหรือหลายตัว แต่สามารถเข้ารหัสโดยยีนเดียวกัน (ระบบสังเคราะห์กรดไขมันชนิดที่ 1)

ขั้นตอนและปฏิกิริยา

การศึกษาส่วนใหญ่ดำเนินการเกี่ยวกับการสังเคราะห์กรดไขมันเกี่ยวข้องกับการค้นพบในรูปแบบแบคทีเรียอย่างไรก็ตามกลไกการสังเคราะห์ของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตได้รับการศึกษาในเชิงลึกเช่นกัน

สิ่งสำคัญคือต้องกล่าวถึงระบบการสังเคราะห์กรดไขมันชนิดที่ 2 มีลักษณะที่ตัวกลางของอะซิลไขมันทั้งหมดถูกจับกับโปรตีนที่เป็นกรดขนาดเล็กที่เรียกว่าโปรตีนอะซิลทรานสปอร์เตอร์ (ACP) ซึ่งลำเลียงจากเอนไซม์หนึ่งไปยังอีกเอนไซม์หนึ่ง

ในยูคาริโอตตรงกันข้ามกิจกรรม ACP เป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลเดียวกันโดยเข้าใจว่าเอนไซม์ชนิดเดียวกันมีไซต์พิเศษสำหรับการจับตัวกลางและการขนส่งผ่านโดเมนตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน

การรวมกันระหว่างโปรตีนหรือส่วน ACP และกลุ่มอะซิลไขมันเกิดขึ้นผ่านพันธะ thioester ระหว่างโมเลกุลเหล่านี้กับกลุ่มเทียม 4'-phosphopantetheine (กรด pantothenic) ของ ACP ซึ่งหลอมรวมกับกลุ่มคาร์บอกซิลของอะซิลไขมัน

1. ในขั้นต้นเอนไซม์ acetyl-CoA carboxylase (ACC) มีหน้าที่เร่งปฏิกิริยาขั้นตอนแรกของ "ความมุ่งมั่น" ในการสังเคราะห์กรดไขมันซึ่งตามที่กล่าวไว้เกี่ยวข้องกับคาร์บอกซิเลชันของโมเลกุล acetyl-CoA เพื่อสร้างตัวกลางของ 3 อะตอมของคาร์บอนที่เรียกว่า malonyl-CoA

คอมเพล็กซ์ซินเทสของกรดไขมันได้รับหมู่อะซิทิลและมาโลนิลซึ่งต้อง "เติม" ไซต์ "ไทออล" ของมันอย่างถูกต้อง

สิ่งนี้เกิดขึ้นครั้งแรกโดยการถ่ายโอน acetyl-CoA ไปยังกลุ่ม SH ของ cysteine ​​ในเอนไซม์β-ketoacyl-ACP synthase ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดย acetyl-CoA-ACP transacetylase

กลุ่ม malonyl ถูกถ่ายโอนจาก malonyl-CoA ไปยังกลุ่ม SH ของโปรตีน ACP ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่เกิดจากเอนไซม์ malonyl-CoA-ACP transferase สร้าง malonyl-ACP

1. ขั้นตอนของการเริ่มต้นการยืดตัวของกรดไขมันตั้งแต่แรกเกิดประกอบด้วยการควบแน่นของ malonyl-ACP กับโมเลกุล acetyl-CoA ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่นำโดยเอนไซม์ที่มีกิจกรรม Synthase β-ketoacyl-ACP ในปฏิกิริยานี้ acetoacetyl-ACP จะถูกสร้างขึ้นและปล่อยโมเลกุล CO2 ออกมา
2. ปฏิกิริยาการยืดตัวเกิดขึ้นในรอบที่มีการเพิ่มคาร์บอน 2 อะตอมในแต่ละครั้งซึ่งแต่ละรอบประกอบด้วยการควบแน่นการลดลงการคายน้ำและเหตุการณ์การลดครั้งที่สอง:

- การควบแน่น: กลุ่ม acetyl และ malonyl กลั่นตัวเป็น acetoacetyl-ACP

- การลดลงของหมู่คาร์บอนิล: กลุ่มคาร์บอนิลของคาร์บอน 3 ของ acetoacetyl-ACP จะลดลงกลายเป็น D-β-hydroxybutyryl-ACP ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยβ-ketoacyl-ACP-reductase ซึ่งใช้ NADPH เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอน

- การคายน้ำ: ไฮโดรเจนระหว่างคาร์บอน 2 และ 3 ของโมเลกุลก่อนหน้าจะถูกขจัดออกไปสร้างพันธะคู่ที่ลงท้ายด้วยการผลิตทรานส์ -∆2-butenoyl-ACP ปฏิกิริยาจะถูกเร่งโดยβ-hydroxyacyl-ACP dehydratase

- การลดพันธะคู่: พันธะคู่ trans-del2-butenoyl-ACP จะลดลงเป็นรูปแบบ butyryl-ACP โดยการกระทำของ enoyl-ACP reductase ซึ่งใช้ NADPH เป็นตัวรีดิวซ์ด้วย

ในการยืดตัวต่อไปโมเลกุล malonyl ใหม่จะต้องจับอีกครั้งกับส่วน ACP ของกรดไขมันซินเทสคอมเพล็กซ์และเริ่มต้นด้วยการควบแน่นด้วยกลุ่มบิวทิลที่เกิดขึ้นในรอบการสังเคราะห์แรก

โครงสร้างของ palmitate (ที่มา: Edgar181 / โดเมนสาธารณะผ่าน Wikimedia Commons)

ในแต่ละขั้นตอนการยืดตัวจะมีการใช้โมเลกุล malonyl-CoA ใหม่เพื่อขยายโซ่ไปยังคาร์บอน 2 อะตอมและปฏิกิริยาเหล่านี้จะทำซ้ำจนกว่าจะถึงความยาวที่เหมาะสม (คาร์บอน 16 อะตอม) หลังจากนั้นเอนไซม์ thioesterase จะปลดปล่อย กรดไขมันที่สมบูรณ์โดยการให้น้ำ

Palmitate สามารถประมวลผลเพิ่มเติมได้โดยเอนไซม์ประเภทต่างๆที่ปรับเปลี่ยนลักษณะทางเคมีกล่าวคือสามารถนำมาใช้ไม่อิ่มตัวยืดความยาว ฯลฯ

ระเบียบข้อบังคับ

เช่นเดียวกับเส้นทางการสังเคราะห์หรือการย่อยสลายทางชีวภาพการสังเคราะห์กรดไขมันถูกควบคุมโดยปัจจัยต่าง ๆ :

- ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของไบคาร์บอเนตไอออน (HCO3-) วิตามินบี (ไบโอติน) และอะซิติล - โคเอ (ในระหว่างขั้นตอนเริ่มต้นของทางเดินซึ่งเกี่ยวข้องกับคาร์บอกซิเลชันของโมเลกุลอะซิทิล - โคเอโดยใช้คาร์บอกซิลตัวกลาง ของไบโอตินในรูปแบบ malonyl-CoA)

- เป็นเส้นทางที่เกิดขึ้นเพื่อตอบสนองต่อลักษณะพลังงานของเซลล์เนื่องจากเมื่อมี "เชื้อเพลิงเมตาบอลิก" ในปริมาณที่เพียงพอส่วนเกินจะถูกเปลี่ยนเป็นกรดไขมันที่เก็บไว้สำหรับการเกิดออกซิเดชันในเวลาต่อมาในช่วงที่พลังงานขาดดุล

ในแง่ของการควบคุมเอนไซม์ acetyl-CoA carboxylase ซึ่งแสดงถึงขั้นตอนที่ จำกัด ของทางเดินทั้งหมดจะถูกยับยั้งโดย palmitoyl-CoA ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์หลักของการสังเคราะห์

ในทางกลับกันตัวกระตุ้น allosteric คือซิเตรตซึ่งนำการเผาผลาญจากการออกซิเดชั่นไปสู่การสังเคราะห์เพื่อจัดเก็บ

เมื่อความเข้มข้นของไมโทคอนเดรียของ acetyl-CoA และ ATP เพิ่มขึ้นซิเตรตจะถูกขนส่งไปยังไซโตซอลซึ่งเป็นทั้งสารตั้งต้นสำหรับการสังเคราะห์อะซิติล - โคเอและสัญญาณกระตุ้นการทำงานของอะซิติลโคเอคาร์บอกซิเลส

เอนไซม์นี้สามารถควบคุมได้โดยฟอสโฟรีเลชันซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่เกิดจากการทำงานของฮอร์โมนของกลูคากอนและอะดรีนาลีน

อ้างอิง

1. McGenity, T. , Van Der Meer, JR, & de Lorenzo, V. (2010). คู่มือจุลชีววิทยาของไฮโดรคาร์บอนและไขมัน (หน้า 4716) KN Timmis (เอ็ด) เบอร์ลิน: Springer
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA และ Rodwell, VW (2014) ภาพประกอบชีวเคมีของฮาร์เปอร์ McGraw-Hill
3. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). หลักการทางชีวเคมีของ Lehninger (หน้า 71-85) นิวยอร์ก: WH Freeman
4. นูมาเอส. (2527). การเผาผลาญกรดไขมันและการควบคุม เอลส์
5. Rawn, JD (1989). ฉบับชีวเคมี - นานาชาติ. North Carolina: Neil Patterson Publishers, 5.