Stoffklasse: LIPIDEFunktionen in der Zelle

Zellmembranen

Speicherstoffe

Signalstoffe, HormonePigmente

R2

R3

Mg

O

N N

N N

H

H

R5R4

COOR6

1

23

45

67

8

9

10

11

12

13

1313

1415

1617

1819

20

12

21 22

2324

R1

A B

CD

E

21

171

172

173

121

Strukturelle Lipide

Biochemie der Pflanzen G. RichterBiochemistry and Molecular biology of Plants, Buchanan Gruissem Jones

Industrielle Nutzung

Anteilsmässige Verteilung in der Pflanzenzelle von Arabidopsis

Lipide-Struktur-einfache, nicht hydrolisierbare Lipide: -Fettsäuren, Polyisoprenide-komplexe, hydrolisierbare Lipide: -Glycerolipide, Shingolipide

-Biosynthese:

-Fettsäuren -Fettsäuresynthese: Acyl CarrierProtein, Desaturation

-essentielle ungesättigte Fettsäuren

-Membranlipide: -Synthese-Eigenschaften: -Löslichkeit, Organisation

-Lipid-Analytik : -Chromatographie-Massenspektroskopie

-Funktion -Membrankomponenten -Lipiddoppelschicht:

Fluidität, Formfaktoren-Energiespeicher -Triacylglycerol

-Industrielle Nutzung-Signalstoffe -IEP-Pigmente -Carotenoide-Hormone -Jasmonat, Abscisinsäure-Strukturelle Lipide -Wachse

Strukturen 1. Zusammengesetzte Lipide:

Glycerolipide SphingolipidePhospholipid Glycolipid Glucocerebrosid

Carotenoide: Energietransduktion, Photoprotektion

Vorstufe:

2. Einfache, nicht hydrolisierbare Lipide:

1. Zusammengesetzte Lipide: Triacylglycerol

Lipidbiosynthese findet in mehreren Kompartimenten statt

FettsäuresyntheseFettsäureabbau

Phospholipidsynthese

Fettsäuren-Biosynthese:Fettsäuresynthese im ÜberblickSchlüsselreaktionen

1. Synthese von Malonat2. Kondensation Acetyl-SFAS + Malonyl-ACP3. Desaturierung

-Physiologische Rolle ungesättigter Fettsäuren-Verteilung in Organellmembranen-Membranenfluidität -essentielle Fettsäuren

Gesättigte Fettsäuren

Nomenclatur Fettsäuren

• Anzahl der Kohlenstoffatome→18

• Zahl der Doppelbindung→18:1

• Ort der Doppelbindung→18:1∆9

• Cis oder Trans→18:1∆9c

• Ort der Doppelbindungrelativ zur ersten Kohlenstoff der Carbonsäure (∆9) oder zur terminalen Methylgruppe (ωKohlenstoff)→ ω9

ω9

Ölsäure (18:1) ∆9c oder ω9C18H34O2

∆9

Vereinfachtes Schema der De-novoFettsäuresynthese im Chloroplast und Export in

das Cytosolische KompartimentAcetyl-CoA→Malonyl-CoA

Acetyl-ACP Malonyl-ACP

4:0-ACP

6:0-ACP

12:0-ACP 12:0 12:0-S-CoA

14:0-ACP

18:0-ACP 18:0 18:0-S-CoA

18:1-ACP 18:1 18:1-S-CoA

16:0-ACP 16:0 16:0-S-CoA

CytosolChloroplast

Fettsäuresynthese wird eingeleitet durch die Synthese von Malonyl-CoA: Carboxylierung von Acetyl-CoA

Kettenverlängerung durch Kondensation von Acyl-ACP und

Malonyl-ACP

Decarboxylierung der Alkyl-Malonyl-treibt Reaktion

3D NMR Struktur des ACP aus Mycobacterium

Acyl Carrier Protein

Fettsäuresynthese: Einbau von Doppelbindung: Synthese von 18:1 im Chloroplasten als Vorstufe aller ungesättigten C18 Fettsäuren

Acetyl-CoA→Malonyl-CoA

Acetyl-ACP Malonyl-ACP

4:0-ACP

6:0-ACP

12:0-ACP 12:0 12:0-S-CoA

14:0-ACP

18:0-ACP 18:0 18:0-S-CoA

18:1-ACP 18:1 18:1-S-CoA

16:0-ACP 16:0 16:0-S-CoA

CytosolChloroplast

Desaturierung der Fettsäuren durch Stearoyl-ACP ∆9 Desaturase

Oxidation ist anAktivierung von O2 gebunden

Zusammenfassung

• Lipidstrukturen: zusammengesetzte Lipide: bestehen aus Bausteinen aus unterschiedlichen Biosynthese wegen: Beispiel Glycerolipide: Glycerin+Fettsäure

• Fettsäurebiosynthese: -findet im Chloroplasten statt-Synthese von Malonyl-CoA (Carboxylierung von AcetylCoA) initiertFettsäuresynthese-Kondensation von Acetyl-S-FAS und Malonyl-CoA treibt Fettsäuresynthese -Produktion von ungesättigten Fettsäuren durch Desaturasen: Koordinationszustände des binuklearen Eisenzentrums als Grundlage für die durch O2 betriebene Katalyse

Stearoyl-ACP∆9-Desaturase: 3D Struktur

Aktive Zentrum Nicht-Häm Dieisen Zentrum

Aktive Zentrum der Desaturase: Nicht-Häm Di-Eisenzentrum

2 Histidin und 4 Glutamat Liganden

1. Ruhezustand:Diferric Fe (FeIII), µ-oxo

2. Reduktion zum Diferrous Fe (FeII)

3. Bindung von O2 führt zum peroxo Intermediate

(FeIII)

4. Spaltung des O2, Oxidation zum aktivierten

diferryl Fe (FeIV) Intermediate5. Abspaltung des H

Es entsteht ein Radical der Fettsäure

6. Abspaltung des benach-barten H, Doppelbindung

Katalytischer Mechanismus der FAD

Anlagerung des Substrats 18:0 Acyl~ACP

‚Near attack configuration‘: Substrat Konformation ähnlich zuÜbergangzustands

Reactions of diiron enzyme steroyl acyl carrier protein desaturase. Fox et al. Acc. Chem Research 2004

Desaturasen in ER sind Membranproteine

• Nur Pflanzen haben lösliche Desaturasen• Acyl-ACP ist Substrat (und nicht z.B. Acyl-

CoA oder Phospholipide)• NADPH liefert Reduktionsequivalente zur

Ferredoxin• Ferredoxin liefert Reduktionsequivalente an

Desaturase• In Anwesenheit von O2 werden H Atome am

C9 and C10 entfernt• Oxidationsreaktion O2 + 4e- +4H+ → 2H2O

Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (Polyensäuren)

Mutationen der FADs in

Arabidopsiszeigt Spezifität

und Lokalisation der

Enzyme für Acyl-Ketten

In Pflanzen sind die mehrfach ungesättigte Fettsäuren essentiell für autotrophes Wachstum

Lipide in Chloroplastenmembranen

Pflanzen: Rapsöl, Leinöl

Fetter Fische: Eicosapentaensäure

Zusammenfassung• Lipidstrukturen: zusammengesetzte Lipide: bestehen aus

Bausteinen aus unterschiedlichen Biosynthese wegen: Beispiel Glycerolipide: Glycerin+Fettsäure

• Fettsäurebiosynthese -findet im Chloroplasten statt-Synthese von Malonyl-CoA (Carboxylierung von AcetylCoA) initiertFettsäuresynthese-Kondensation von Acetyl-S-FAS und Malonyl-ACP treibt Fettsäuresynthese (Schrittmacherreaktion)-Desaturierung: Produktion von ungesättigten Fettsäuren durch Desaturasen: Koordinationszustände des Di-Eisenzentrums als Grundlage für die durch O2 betriebene Katalyse

• Mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind essentiell für photoautotrophes Wachstum

• Essentielle Fettsäuren für Säugetiere: z.B. Linolsäure als Vorstufen für Eicosanoide