การสังเคราะห์ไขมัน: ประเภทและกลไกหลัก - ชีววิทยา - 2026

การสังเคราะห์ลิพิดประกอบด้วยชุดของปฏิกิริยาของเอนไซม์โดยการที่ไฮโดรคาร์บอนสายสั้นควบแน่นกลายเป็นโมเลกุลสายโซ่ที่ยาวขึ้นซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนทางเคมีที่แตกต่างกันได้ในเวลาต่อมา

ลิปิดเป็นกลุ่มของสารชีวโมเลกุลที่หลากหลายซึ่งสังเคราะห์โดยเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดและมีความเชี่ยวชาญในการทำงานหลายอย่างที่จำเป็นสำหรับการดำรงชีวิตของเซลล์

ตัวอย่างบางส่วนของไขมันที่พบบ่อย: กลีเซอโรฟอสฟอรัสสเตอรอลกลีเซอโรไลปิดกรดไขมันสฟิงโคลิปิดและพรีนอล (ที่มา: ผู้อัปโหลดต้นฉบับคือ Lmaps ที่ English Wikipedia / GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/ fdl-1.2.html) ผ่านทาง Commons ดัดแปลงโดย Raquel Parada)

ไขมันเป็นส่วนประกอบหลักของเยื่อชีวภาพซึ่งเป็นความจริงที่ทำให้โมเลกุลพื้นฐานสำหรับการดำรงอยู่ของเซลล์เป็นเอนทิตีที่แยกออกจากสิ่งแวดล้อม

ไขมันบางชนิดยังมีหน้าที่พิเศษเช่นเม็ดสีปัจจัยร่วมตัวขนส่งผงซักฟอกฮอร์โมนตัวส่งสารภายในและภายนอกเซลล์แองเคอโควาเลนต์สำหรับโปรตีนเมมเบรนเป็นต้น ดังนั้นความสามารถในการสังเคราะห์ไขมันประเภทต่างๆจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการอยู่รอดของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด

สารประกอบกลุ่มใหญ่นี้ถูกจำแนกออกเป็นหลายประเภทหรือกลุ่มย่อย: กรดไขมัน (อิ่มตัวและไม่อิ่มตัว) กลีเซอไรด์ (ฟอสโฟกลีเซอไรด์และกลีเซอไรด์ที่เป็นกลาง) ไขมันที่ไม่ใช่กลีเซอไรด์ (sphingolipids (sphingomyelins และ glycolipids) สเตียรอยด์และไข) และ ไขมันเชิงซ้อน (ไลโปโปรตีน)

ประเภทของไขมันและกลไกการสังเคราะห์หลัก

ลำดับปฏิกิริยาทั้งหมดของเส้นทางการสังเคราะห์ไขมันเป็นแบบเอนเดอร์โกนิกและแบบลดลง กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขาทั้งหมดใช้ ATP เป็นแหล่งพลังงานและตัวพาอิเล็กตรอนที่ลดลงเช่น NADPH เป็นพลังงานลด

ต่อไปจะมีการอธิบายปฏิกิริยาหลักของวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพของไขมันประเภทหลักนั่นคือกรดไขมันและ eicosanoids ของไตรอะซิลกลีเซอรอลและฟอสโฟลิปิดและสเตอรอล (คอเลสเตอรอล)

- การสังเคราะห์กรดไขมัน

กรดไขมันเป็นโมเลกุลที่สำคัญอย่างยิ่งจากมุมมองของไขมันเนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของไขมันที่เกี่ยวข้องมากที่สุดในเซลล์ การสังเคราะห์ของมันตรงกันข้ามกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดในระหว่างการศึกษาครั้งแรกในเรื่องนี้ไม่ได้ประกอบด้วยเส้นทางย้อนกลับของβ-oxidation

ในความเป็นจริงวิถีการเผาผลาญนี้เกิดขึ้นในเซลล์ต่าง ๆ และต้องการการมีส่วนร่วมของตัวกลางสามคาร์บอนที่เรียกว่า malonyl-CoA ซึ่งไม่จำเป็นสำหรับการเกิดออกซิเดชัน

Malonyl-CoA NEUROtiker / โดเมนสาธารณะ

นอกจากนี้ยังมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกลุ่มซัลไฮดริลของโปรตีนที่เรียกว่าตัวขนส่งกลุ่มอะซิล (ACP, Acyl Carrier Proteins)

โดยทั่วไปการสังเคราะห์กรดไขมันโดยเฉพาะอย่างยิ่งสายโซ่ยาวเป็นกระบวนการต่อเนื่องโดยทำซ้ำสี่ขั้นตอนในแต่ละรอบและในแต่ละรอบจะมีการสร้างกลุ่มอะซิลอิ่มตัวซึ่งเป็นสารตั้งต้นสำหรับขั้นต่อไป ซึ่งเกี่ยวข้องกับการควบแน่นอีกครั้งด้วยโมเลกุล malonyl-CoA ใหม่

ในแต่ละรอบหรือรอบของปฏิกิริยาโซ่ของกรดไขมันจะขยายคาร์บอนสองตัวออกไปจนมีความยาวถึง 16 อะตอม (ปาล์มมิเตต) หลังจากนั้นจะออกจากวัฏจักร

การก่อตัวของ Malonyl-CoA

ตัวกลางของคาร์บอนสามอะตอมนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้จาก acetyl-CoA เนื่องจากการกระทำของเอนไซม์ acetyl-CoA carboxylase ซึ่งมีกลุ่มไบโอตินเทียมที่จับกับโควาเลนต์กับเอนไซม์และมีส่วนร่วมในการเร่งปฏิกิริยานี้ใน สองขั้นตอน

ในปฏิกิริยานี้หมู่คาร์บอกซิลที่ได้จากโมเลกุลไบคาร์บอเนต (HCO3-) จะถูกถ่ายโอนไปยังไบโอตินในลักษณะที่ขึ้นกับ ATP โดยที่กลุ่มไบโอตินิลทำหน้าที่เป็น "ตัวลำเลียงชั่วคราว" ของโมเลกุลในขณะที่ถ่ายโอนไปยังอะซิทิล - โคอา , ผลิต malonyl-CoA

ในลำดับการสังเคราะห์กรดไขมันตัวรีดิวซ์ที่ใช้คือ NADPH และกลุ่มที่กระตุ้นคือกลุ่ม thiol สองกลุ่ม (-SH) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของคอมเพล็กซ์หลายเอนไซม์ที่เรียกว่ากรดไขมันซินเทสซึ่งมีความสำคัญที่สุดในการเร่งปฏิกิริยา สังเคราะห์.

ในสัตว์มีกระดูกสันหลังคอมเพล็กซ์ซินเทสของกรดไขมันเป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่พอลิเปปไทด์ขนาดใหญ่เพียงเส้นเดียวซึ่งมีการแสดงกิจกรรมของเอนไซม์ 7 ลักษณะของเส้นทางการสังเคราะห์เช่นเดียวกับกิจกรรมไฮโดรไลติกที่จำเป็นในการปลดปล่อยตัวกลางที่ส่วนท้ายของ สังเคราะห์.

โครงสร้างของเอนไซม์สังเคราะห์กรดไขมัน (ที่มา: Boehringer Ingelheim / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) ผ่าน Wikimedia Commons)

กิจกรรมของเอนไซม์ทั้ง 7 ของคอมเพล็กซ์นี้ ได้แก่ โปรตีนตัวขนส่งกลุ่มอะซิล (ACP), acetyl-CoA-ACP transacetylase (AT), β-ketoacyl-ACP synthase (KS), malonyl-CoA-ACP transferase (MT), β- ketoacyl-ACP reductase (KR), β-hydroxyacyl-ACP dehydratase (HD) และ enoyl-ACP reductase (ER)

ก่อนที่ปฏิกิริยาการควบแน่นจะเกิดขึ้นเพื่อประกอบห่วงโซ่กรดไขมันกลุ่มไธออลทั้งสองในคอมเพล็กซ์ของเอนไซม์จะกลายเป็น "ประจุ" กับกลุ่มอะซิลประการแรก acetyl-CoA จะถูกถ่ายโอนไปยังกลุ่ม -SH ของ a cysteine ​​ในส่วนสังเคราะห์ synt-ketoacyl-ACP ของคอมเพล็กซ์ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ acetyl-CoA-ACP transacetylase (AT)

ต่อจากนั้นกลุ่ม malonyl จะถูกถ่ายโอนจากโมเลกุล malonyl-CoA ไปยังกลุ่ม -SH ของส่วนลำเลียงกลุ่ม acyl (ACP) ของเอนไซม์คอมเพล็กซ์ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ malonyl-CoA-ACP transferase (MT) ซึ่งยัง เป็นส่วนหนึ่งของกรดไขมันซินเทสคอมเพล็กซ์

ลำดับของสี่ปฏิกิริยาสำหรับแต่ละ "รอบ" ของวงจรปฏิกิริยามีดังนี้:

1. การควบแน่น: กลุ่ม acetyl และ malonyl ที่ "มีประจุ" บนเอนไซม์ควบแน่นเพื่อสร้างโมเลกุล acetoacetyl-ACP ซึ่งยึดติดกับ ACP moiety ผ่านกลุ่ม -SH ในขั้นตอนนี้จะมีการสร้างโมเลกุล CO2 และเร่งปฏิกิริยาโดย synt-ketoacyl-ACP synthase (กลุ่ม acetyl อยู่ในตำแหน่ง "เทอร์มินัลเมธิล" ของคอมเพล็กซ์ acetoacetyl-ACP)
2. การลดลงของกลุ่มคาร์บอนิล: กลุ่มคาร์บอนิลในตำแหน่ง C3 ของ acetoacetyl-ACP จะลดลงเป็น D-β-hydroxybutyryl-ACP ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยβ-ketoacyl-ACP reductase ซึ่งใช้ NADPH เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอน
3. การคายน้ำ: คาร์บอน C2 และ C3 ของ D-β-hydroxybutyryl-ACP ไม่มีโมเลกุลของน้ำสร้างพันธะคู่ที่ลงท้ายด้วยการผลิตสารประกอบใหม่ทรานส์ -∆2-butenoyl-ACP กระบวนการนี้เป็นสื่อกลางโดยเอนไซม์β-hydroxyacyl-ACP dehydratase (HD)
4. การลดพันธะคู่: พันธะคู่ของสารประกอบที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการคายน้ำจะอิ่มตัว (ลดลง) เพื่อให้ butyryl-ACP ผ่านปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ enoyl-ACP reductase (ER) ซึ่งใช้ NADPH เป็นตัวรีดิวซ์ด้วย .

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์เกิดขึ้นจนกว่าจะมีการสร้างโมเลกุลของปาล์มมิเตต (คาร์บอน 16 อะตอม) ซึ่งไฮโดรไลซ์จากเอนไซม์คอมเพล็กซ์และปล่อยออกมาเป็นสารตั้งต้นที่เป็นไปได้สำหรับกรดไขมันที่มีโซ่ยาวซึ่งผลิตโดยระบบการยืดตัว ของกรดไขมันที่อยู่ในส่วนเรียบของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมและในไมโทคอนเดรีย

การปรับเปลี่ยนอื่น ๆ ที่โมเลกุลเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้เช่น desaturations ถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ที่แตกต่างกันซึ่งโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นในเรติคูลัมเอนโดพลาสมิกแบบเรียบ

- การสังเคราะห์ eicosanoids

Eicosanoids เป็นไขมันในเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลของสาร "ระยะสั้น" ซึ่งผลิตโดยเนื้อเยื่อบางส่วนเพื่อสื่อสารกับเซลล์ในเนื้อเยื่อข้างเคียง โมเลกุลเหล่านี้สังเคราะห์จากกรดไขมันไม่อิ่มตัวเชิงซ้อน 20 คาร์บอนอะตอม

prostaglandins

ในการตอบสนองต่อการกระตุ้นของฮอร์โมนเอนไซม์ฟอสโฟลิเปสเอจะโจมตีเมมเบรนฟอสโฟลิปิดและปล่อยอาราคิโดเนตจากกลีเซอรอล 2 คาร์บอน สารประกอบนี้ถูกเปลี่ยนเป็นพรอสตาแกลนดินโดยอาศัยเอนไซม์ของเรติคูลัมเอนโดพลาสมิกแบบเรียบที่มีฤทธิ์ในการทำงานของร่างกาย: ไซโคลออกซีจีเนส (COX) หรือโปรสตาแกลนดิน H2 synthase

Thromboxanes

Prostaglandins สามารถเปลี่ยนเป็น thromboxanes ได้เนื่องจาก thromboxane synthase ที่มีอยู่ในเกล็ดเลือด (thrombocytes) โมเลกุลเหล่านี้มีส่วนร่วมในขั้นตอนเริ่มต้นของการแข็งตัวของเลือด

- การสังเคราะห์ไตรอะซิลกลีเซอรอล

กรดไขมันเป็นโมเลกุลพื้นฐานสำหรับการสังเคราะห์สารประกอบที่ซับซ้อนอื่น ๆ ในเซลล์เช่นไตรอะซิลกลีเซอรอลหรือกลีเซอโรฟอสโฟลิปิดของเยื่อหุ้มเซลล์ (กระบวนการที่ขึ้นอยู่กับความต้องการเมตาบอลิซึมของเซลล์)

สัตว์ผลิตไตรอะซิลกลีเซอรอลและกลีเซอโรฟอสโฟลิปิดจากสารตั้งต้นทั่วไป 2 ชนิด ได้แก่ อะซิลโคเอที่มีไขมันและแอล - กลีเซอรอล 3 - ฟอสเฟต กรดอะซิล - โคเอผลิตโดยสังเคราะห์อะซิล - โคเอที่มีส่วนร่วมในβ-oxidation ในขณะที่ L-glycerol 3-phosphate ได้จากไกลโคไลซิสและโดยการทำงานของเอนไซม์ทางเลือก 2 ชนิด: กลีเซอรอล 3-phosphate ดีไฮโดรจีเนสและกลีเซอรอลไคเนส

ไตรอะซิลกลีเซอรอลเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของไขมันอะซิล - โคเอสองโมเลกุลกับไดอะซิลกลีเซอรอล 3 - ฟอสเฟตหนึ่งโมเลกุล ปฏิกิริยาการถ่ายโอนเหล่านี้ถูกเร่งปฏิกิริยาโดยตัวถ่ายโอนเอซิลเฉพาะ

ในปฏิกิริยานี้กรดฟอสฟาติดิคจะถูกผลิตขึ้นในขั้นต้นซึ่งถูกปรับลดฟอสฟอรัสโดยเอนไซม์ฟอสฟาติดิคแอซิดฟอสฟาเตสเพื่อผลิต 1,2-diacylglycerol ซึ่งสามารถรับโมเลกุลที่สามของไขมัน acyl-CoA ได้อีกครั้งซึ่งผลิตไตรอะซิลกลีเซอรอล

- การสังเคราะห์ฟอสโฟลิปิด

ฟอสโฟลิปิดเป็นโมเลกุลที่มีความผันแปรสูงเนื่องจากหลายโมเลกุลสามารถเกิดขึ้นได้จากการรวมกันของกรดไขมันและกลุ่ม "ส่วนหัว" ที่แตกต่างกันกับกลีเซอรอล (กลีเซอโรฟอสโฟลิปิด) หรือสฟิงโกซิน (sphingolipids) โครงกระดูกที่มีลักษณะเฉพาะ

การประกอบทั่วไปของโมเลกุลเหล่านี้ต้องการการสังเคราะห์ของกลีเซอรอลหรือกระดูกสันหลังของสฟิงโกซีนการรวมตัวกับกรดไขมันที่สอดคล้องกันไม่ว่าจะโดยการเอสเทอริฟิเคชันหรือการอยู่ท่ามกลางการเพิ่มกลุ่ม "ส่วนหัว" ที่ชอบน้ำผ่านพันธะฟอสโฟดิสเตอร์และ หากจำเป็นให้เปลี่ยนแปลงหรือแลกเปลี่ยนกลุ่มหลัง

ในยูคาริโอตกระบวนการนี้เกิดขึ้นในเรติคูลัมเอนโดพลาสมิกแบบเรียบและในเยื่อไมโทคอนเดรียด้านในซึ่งสามารถคงอยู่ได้อย่างไม่มีกำหนดหรือจากที่ที่สามารถย้ายตำแหน่งไปยังที่อื่นได้

ขั้นตอนปฏิกิริยา

ขั้นตอนแรกของปฏิกิริยาการสังเคราะห์ของกลีเซอโรฟอสโฟลิปิดนั้นเทียบเท่ากับกระบวนการผลิตไตรอะซิลกลีเซอรอลเนื่องจากโมเลกุลของกลีเซอรอล 3 - ฟอสเฟตจะถูกเอสเทอร์ไปยังกรดไขมันสองโมเลกุลที่คาร์บอน 1 และ 2 กลายเป็นกรดฟอสฟาติดิก เป็นเรื่องปกติที่จะพบฟอสโฟลิปิดที่มีกรดไขมันอิ่มตัวใน C1 และไม่อิ่มตัวใน C2 ของกลีเซอรอล

กรดฟอสฟาติดิคสามารถผลิตได้โดยการฟอสโฟรีเลชันของโมเลกุลไดอะซิลกลีเซอรอลที่สังเคราะห์แล้วหรือ "รีไซเคิล"

กลุ่ม "หัว" ที่มีขั้วของโมเลกุลเหล่านี้เกิดขึ้นผ่านพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ สิ่งแรกที่ต้องเกิดขึ้นเพื่อให้กระบวนการนี้เกิดขึ้นอย่างถูกต้องคือ "การกระตุ้น" ของกลุ่มไฮดรอกซิลกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งที่มีส่วนร่วมในกระบวนการนี้โดยการจับกับนิวคลีโอไทด์เช่นไซติดีนไดฟอสเฟต (CDP) ซึ่งอีกกลุ่มหนึ่งถูกแทนที่ด้วยนิวคลีโอฟิล ไฮดรอกซิลที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา

ถ้าโมเลกุลนี้จับกับไดอะซิลกลีเซอรอล CDP-diacylglycerol (กรดฟอสฟาติดิคในรูปแบบ "เปิดใช้งาน") จะเกิดขึ้น แต่สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้กับกลุ่มไฮดรอกซิลของกลุ่ม "หัว"

ตัวอย่างเช่นในกรณีของ phosphatidylserine ไดอะซิลกลีเซอรอลถูกกระตุ้นโดยการควบแน่นของโมเลกุลของกรดฟอสฟาติดิคกับโมเลกุลไซติดีนไตรฟอสเฟต (CTP) สร้าง CDP-diacylglycerol และกำจัดไพโรฟอสเฟต

ถ้าโมเลกุลของ CMP (cytidine monophosphate) ถูกแทนที่โดยการโจมตีของนิวคลีโอฟิลิกของไฮดรอกซิลของซีรีนหรือของไฮดรอกซิลที่ 1 คาร์บอนของกลีเซอรอล 3 - ฟอสเฟต, phosphatidylserine หรือ phosphatidylglycerol 3-phosphate สามารถปล่อยออกมาได้ซึ่งฟอสเฟตโมโนเอสเตอร์สามารถถูกปล่อยออกมา ผลิตฟอสฟาติดิลกลีเซอรอล

โมเลกุลทั้งสองที่ผลิตด้วยวิธีนี้ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับไขมันเมมเบรนอื่น ๆ ซึ่งมักใช้เส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพร่วมกัน

- การสังเคราะห์คอเลสเตอรอล

คอเลสเตอรอลเป็นโมเลกุลที่จำเป็นสำหรับสัตว์ที่เซลล์สามารถสังเคราะห์ได้ดังนั้นจึงไม่จำเป็นในอาหารประจำวัน โมเลกุลของคาร์บอน 27 อะตอมนี้ผลิตจากสารตั้งต้น: อะซิเตต

โมเลกุลที่ซับซ้อนนี้เกิดขึ้นจาก acetyl-CoA ในสี่ขั้นตอนหลัก:

1. การควบแน่นของอะซิเตทสามหน่วยเพื่อสร้าง mevalonate ซึ่งเป็นโมเลกุลกลาง 6 คาร์บอน (โมเลกุลของ acetoacetyl-CoA แรกถูกสร้างขึ้นด้วย acetyl-CoA (เอนไซม์ thiolase) สองตัวและอีกตัวหนึ่งของβ-hydroxy-β-methylglutaryl-CoA ( HMG-CoA) (เอนไซม์ HMG-CoA synthetase) Mevalonate ถูกสร้างขึ้นจาก HMG-CoA และด้วยเอนไซม์ HMG-CoA reductase
2. การแปลง mevalonate เป็นหน่วยไอโซพรีน กลุ่มฟอสเฟต 3 กลุ่มแรกจะถูกถ่ายโอนจากโมเลกุล 3 ATP ไปยัง mevalonate ฟอสเฟตตัวใดตัวหนึ่งหายไปพร้อมกับหมู่คาร์บอนิลที่อยู่ติดกันและเกิด ∆3-isopentenyl pyrophosphate ซึ่ง isomerized เพื่อผลิต pyrophosphate dimethylallyl
3. พอลิเมอไรเซชันหรือการควบแน่นของหน่วยไอโซพรีน 6 C 5 ให้เป็น C 30 สควาลีน (โมเลกุลเชิงเส้น)
4. Squalene cyclization เพื่อสร้างวงแหวน 4 วงของนิวเคลียสสเตียรอยด์ของคอเลสเตอรอลและการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ตามมา ได้แก่ การออกซิเดชั่นการย้ายถิ่นและการกำจัดหมู่เมธิลเป็นต้นซึ่งทำให้เกิดคอเลสเตอรอล

อ้างอิง

1. Garrett, RH, & Grisham, CM (2001). หลักการทางชีวเคมี: โดยมุ่งเน้นที่มนุษย์ บริษัท สำนักพิมพ์ Brooks / Cole
2. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA และ Rodwell, VW (2014) ภาพประกอบชีวเคมีของฮาร์เปอร์ Mcgraw-Hill
3. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008) หลักการทางชีวเคมีของ Lehninger Macmillan
4. Jacquemyn, J. , Cascalho, A. , & Goodchild, RE (2017) รายละเอียดของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม - การสังเคราะห์ไขมันแบบควบคุม รายงาน EMBO, 18 (11), 1905-1921
5. Ohlrogge, J. , & Browse, J. (1995). การสังเคราะห์ไขมัน เซลล์พืช, 7 (7), 957.