Syntéza a degradace mastných kyselin

Zdeňka Klusáčková

Mastné kyseliny (fatty acids, FA)

většinou sudý počet atomů uhlíku a lineární řetězec

v esterifikované formě jako součást lipidů

v neesterifikované formě v plasmě vazba na albumin

Dělení FA:

dle počtu dvojných vazeb

bez dvojné vazby

jedna dvojná vazba

více dvojných vazeb

nasycené FA (SAFA)

mononenasycené FA (MUFA)

polynenasycené FA (PUFA)

dle délky řetězce

<C6

C6 – C12

C12 – C20

>C20

FA s krátkým řetězcem (SCFA)

FA se středně dlouhým řetězcem (MCFA)

FA se dlouhým řetězcem (LCFA)

FA s velmi dlouhým řetězcem (VLCFA)

Přehled běžných FA

Triacylglyceroly

hlavní zásobní forma FA

acylglyceroly s třemi acylovými skupinami

skladované především v tukové tkáni

význam: skladování energie ve formě TAG

acyl-CoA a glycerol-3-fosfát

zabudování TAG do lipoproteinů o velmi nízké hustotě (VLDL)

vstup VLDL do krevního oběhu

transport TAG z jaterních buněk k ostatním tkáním cestou VLDL

Biosyntéza FA

syntéza TAG v játrech

(zejména kosterní sval, tuková tkáň)

průběh biosyntézy FA při nadbytku energie (zvýšený kalorický příjem)

Biosyntéza FA

převážně v játrech, tukové tkáni, mléčné žláze při laktaci (vždy při přebytku kalorií)

lokalizace: cytoplazma buňky (do C16)

endoplazmatické retikulum, mitochondrie

enzymy: acetyl-CoA-karboxylasa (HCO3- - zdroj CO2, biotin, ATP)

synthasa mastných kyselin (NADPH + H+, kyselina pantothenová)

primární substrát: acetyl-CoA

konečný produkt: palmitát

(elongace = prodlužování řetězce)

postupné prodlužování FA o dva uhlíky v každém cyklu

Biosyntéza FA

uskutečnění biosyntézy FA na multienzymovém komplexu – synthasa FA

průběh biosyntézy FA do délky řetězce C16 (palmitát)

palmitát prekursorem nasycených i nenasycených FA:

nasycené FA (> C16) elongační systémy

nenasycené FA desaturační systémy

Výchozí látky pro biosyntézu FA

Acetyl-CoA1.

zdroj: oxidační dekarboxylace pyruvátu (hlavní zdroj glukóza)

NADPH + H+ 2.

zdroj: pentosový cyklus (hlavní zdroj)

přeměna malátu na pyruvát (NADP+-dependentní malátdehydrogenasa - „jablečný enzym”)

transport přes vnitřní mitochondriální membránu ve formě citrátu

přeměna isocitrátu na α-ketoglutarát (isocitrátdehydrogenasa)

degradace FA, ketolátek, ketogenních aminokyselin

Výchozí látky pro biosyntézu FA

Acetyl-CoA

pyruvát

oxalacetát acetyl-CoA

citrátcitrát

oxalacetát

malát

pyruvát

cytosol mitochondriální matrixvnitřní

mitochondrilání membrána

pyruvátkarboxylasapyruvátdehydrogenasa

citrátsynthasaATP-citrátlyasa

NADH + H+

NAD+

ATP + HSCoA

acetyl-CoA + ADP + Pi

NADP+

NADPH + H+ + CO 2

glukóza

malátdehydrogenasaNADP+-dependentní

malátdehydrogenasaNAD+-dependentní

Výchozí látky pro biosyntézu FA

NADPH + H+

glukóza

glukóza-6-fosfát

fruktóza-6-fosfát

fruktóza-1,6-bisfosfát

glyceraldehyd-3-fosfát dihydroxyacetonfosfát

pyruvát

citrát

isocitrát

α-ketoglutarát

sukcinyl-CoA

sukcinát

fumarát

malát

oxalacetát

acetyl-CoA

citrát

oxalacetát

malát

acetyl-CoA

NADPH + H+ + CO 2

NADP+

NADP+

NADPH + H+ + CO 2

pentosafosfátová dráha

isocitrát

α-ketoglutarátNADPH + H+

malátdehydrogenasa

isocitrátdehydrogenasa

pyruvát

cytosol

mitochondrie

Biosyntéza FA

Tvorba malonyl-CoA

HCO3- + ATP ADP + Pi

enzym-biotin enzym-biotin-COO-

enzym-biotin

acetyl-CoA

malonyl-CoA

biotinyl-enzym karboxybiotinyl-enzym

+

1 karboxylace biotinu 2 přenos karboxylové skupiny na acetyl-CoA

tvorba malonyl-CoA

enzym – acetyl-CoA-karboxylasa

Biosyntéza FA

Regulace na úrovni ACC

acetyl-CoA malonyl-CoA palmitátglukóza citrát palmitoyl-CoA

acetyl-CoA-karboxylasa

proteinkináza A AMP-dependentní proteinkináza A

inzulin AMPcAMP

glukagon adrenalin

Biosyntéza FA

Synthasa FA

Biosyntéza FA

Průběh biosyntézy FA

acetyl-CoA malonyl-CoA

acetyltransacylasa

acyl(acetyl)-malonyl--enzymový komplex

CoASH CoASH

transacylace

malonyltransacylasa

Biosyntéza FA

acyl(acetyl)-malonyl-enzymový komplex 3-ketoacyl-enzymový komplex(acetacetyl-enzymový komplex)

3-ketoacyl-synthasa

CO2

kondenzační reakce

Průběh biosyntézy FA

Biosyntéza FA

3-ketoacyl-enzymový komplex(acetacetyl-enzymový komplex)

3-hydroxyacyl-enzymový komplex

NADPH + H+ NADP+

3-ketoacyl-reduktasa

Průběh biosyntézy FA

H2O

3-hydroxyacyl- dehydratasa

2,3-nenasycený acyl-enzymový komplex acyl-enzymový komplex

NADPH + H+ NADP+

enoylreduktasa

první redukce dehydratace druhá redukce

Biosyntéza FA

Opakování cyklu

acyl-enzymový komplex(palmitoyl-enzymový komplex)

CoASH

malonyl-CoA

Biosyntéza FA

Uvolnění palmitátu

palmitoyl-enzymový komplex

H2O

+

palmitát

thioesterasa

Biosyntéza FA

Osud palmitátu po biosyntéze FA

palmitát palmitoyl-CoA

acylglyceroly

estery cholesterolu

acyl-CoA

esterifikace

elongace

desaturace

acyl-CoA-synthetasa

ATP + CoA AMP + PPi

Biosyntéza FA

Elongace řetězce mastných kyselin

mikrosomální systém elongace1.

v endoplazmatickém retikulu

malonyl-CoA – donor dvouuhlíkatých jednotek

prodlužování nasycených i nenasycených FA

kyselina palmitová (C16)synthasa mastných kyselin

FA > C16 elongasy (prodlužování řetězce)

mitochondriální systém elongace2.

v mitochondriích

acetyl-CoA – donor dvouuhlíkaté jednotky

NADPH + H+ – donor redukčních ekvivalentů

není obráceným pochodem β-oxidace FA

Biosyntéza FA

Mikrosomální systém prodlužování FA

acetyl-CoA malonyl-CoA 3-ketoacyl-CoA

3-hydroxyacyl-CoA 2,3-nenasycený acyl-CoA acyl-CoA

CoASH + CO2

NADPH + H+ NADP+ H2O NADPH + H+ NADP+

+

synthasa

reduktasa hydratasa reduktasa

CoASH + CO2

+

NADPH + H+ NADP+

H2ONADPH + H+ NADP+

palmitoyl-CoA malonyl-CoA

stearoyl-CoA

Příklad:

Biosyntéza FA

Desaturace řetězce mastných kyselin

v endoplazmatickém retikulu

proces vyžadující O2, NADH, cytochrom b5

Degradace FA

význam: zásadní zdroj energie

(zejména mezi jídly, v noci, při zvýšeném požadavku na přísun energie – cvičení)

uvolnění FA z triacylglycerolů tukové tkáně do krevního oběhu

v krevním oběhu vazba FA na albumin

transport ke tkáním

vstup FA do cílových buněk aktivace na acyl-CoA

přenos acyl-CoA pomocí karnitinu do mitochondrie β-oxidace FA

Hlavní FA uvolňované z tukové tkáně pro získání energie:

kyselina palmitová

kyselina olejová

kyselina stearová

Degradace FA

Mechanismy odbourávání FA

FA s dlouhým řetězcem (LCFA, C12 – C20)

nenasycené FA

FA s lichým počtem uhlíkových atomů

FA s velmi dlouhým řetězcem (VLCFA, > C20)

FA s C10 či C12

FA s dlouhým větveným řetězcem

mitochondriální β-oxidace

mitochondriální β-oxidace modifikovaná

peroxisomální β-oxidace

peroxisomální α-oxidace

ω-oxidace

Degradace FA

Mechanismy odbourávání FA

α-oxidace ω-oxidace

β-oxidace

převážně ve svalech

lokalizace: matrix mitochondrie

peroxisom

enzymy: acyl-CoA-synthetasa

karnitinpalmitoyltransferasa I a II, karnitinacylkarnitintranslokasa

substrát: acyl-CoA

konečný produkt: acetyl-CoA

Degradace FA

β-oxidace FA

dehydrogenasy (FAD, NAD+), hydratasa, thiolasa

případně propionyl-CoA

Degradace FA

β-oxidace FA

postupné zkracování FA o dva uhlíky v každém cyklu

oxidace acetyl-CoA na CO2 a H2O v citrátovém cyklu

vznik 8 molekul acetyl-CoA při úplném odbourání kyseliny palmitové

odštěpení dvou atomů uhlíku ve formě acetyl-CoA

dosažení úplné oxidace FA

PRODUKCE VELKÉHO MNOŽSTVÍ ATP OXIDACÍ FA

produkce NADH, FADH2 reoxidace v dýchacím řetězci za tvorby ATP

Aktivace FA

mastná kyselina ATP

pyrofosfát (PPi)

acyl-CoA AMP

acyl-CoA-synthetasa

acyl-CoA-synthetasa pyrofosfatasa

acyladenylát

mastná kyselina + ATP + CoASH acyl-CoA + AMP + PPi

PPi + H2O 2Pi

2Pi

Degradace FA

Úloha karnitinu při transportu FA do mitochondrie

Přes vnitřní mitochondriální membránu FA přeneseny pomocí karnitinu a tří enzymů:

karnitinpalmitoyltransferasa I (CPT I)

přenos acylu na karnitin

karnitinacylkarnitintranslokasa

přenos acylkarnitinu přes vnitřní mitochondriální membránu

karnitinpalmitoyltransferasa II (CPT II)

přenos acylu z acylkarnitinu zpět na CoA v matrix mitochondrie

Degradace FA

acyl-CoA

trans-Δ2-enoyl-CoA

L-β-hydroxyacyl-CoA

β-ketoacyl-CoA

acyl-CoA acetyl-CoA

acyl-CoA-dehydrogenasa

enoyl-CoA-hydratasa

L-β-hydroxyacyl-CoA--dehydrogenasa

β-ketoacyl-CoA-thiolasa

β-oxidace FA

Kroky cyklu:

dehydrogenace

oxidace pomocí FADvznik nenasycené kyseliny

hydratace

adice vody na β-uhlíku vznik β-hydroxykyseliny

dehydrogenace

oxidace pomocí NAD+

vznik β-oxokyseliny

štěpení za účasti koenzymu A

vznik acetyl-CoAvznik acyl-CoA o dva uhlíky kratší

Degradace FA

Oxidace nenasycených FA

3 acetyl-CoA3 cykly β-oxidace

β-oxidace 1 acetyl-CoA

linoleoyl-CoA

NADPH + H+

NADP+

enoyl-CoA-isomerasa

enoyl-CoA-isomerasa

dienoyl-CoA-reduktasa

acyl-CoA-dehydrogenasa

cis-Δ3, cis-Δ6

trans-Δ2, cis-Δ6

cis-Δ4

trans-Δ2, cis-Δ4

trans-Δ3

trans-Δ2

cis Δ9, cis-Δ12

4 cykly β-oxidace

5 acetyl-CoA

nejzastoupenější nenasycené FA v potravě:

degradace nenasycené FA β-oxidací k místu dvojné vazby

přeměna cis-izomeru FA specifickou isomerasou na trans-izomer

pokračování procesu β-oxidace k místu další dvojné vazby

Degradace FA

kyselina olejová, linolová

odstranění dvojné vazby mezi C4 a C5 redukcí

tvorba dvojné vazby mezi C2 a C3 dehydrogenací

intramolekulární přesun dvojné vazby

další proces β-oxidace

Degradace FA

Oxidace FA s lichým počtem atomů uhlíku

propionyl-CoA

D-methylmalonyl-CoA

L-methylmalonyl-CoA

sukcinyl-CoA

HCO3- + ATP

ADP + Pi

propionyl-CoA-karboxylasa (biotin)

methylmalonyl-CoA-mutasa (B12)

methylmalonyl-CoA-racemasa

zkrácení FA na C5

vznik acetyl-CoA a propionyl-CoA

karboxylace propionyl-CoA

epimerizace D-formy na L-formu

intramolekulární přeskupení za vzniku sukcinyl-CoA

vstup sukcinyl-CoA do citrátového cyklu

zastavení β-oxidace

Degradace FA

Peroxisomální oxidace FA

A) mastné kyseliny s velmi dlouhým řetězcem VLCFA („very-long chain FA”, > 20 C)

Odlišnosti v průběhu β-oxidace FA v mitochondrii a v peroxisomu :

1. krok – dehydrogenace pomocí FAD

mitochondrie: elektrony z FADH2 předávány do dýchacího řetězce, kde jsou přenášeny na O2 za vzniku H2O a energie ATP

peroxisom: elektrony z FADH2 předávány na O2 za vzniku H2O2,

který je rozkládán katalasou na H2O a O2

3. krok – dehydrogenace pomocí NAD+

mitochondrie: reoxidace NADH v dýchacím řetězci

peroxisom: reoxidace NADH není možná, export do cytosolu či do mitochondrie

transport acyl-CoA do peroxisomu bez účasti karnitinu

Degradace FA

Peroxisomální oxidace FA

Odlišnosti v průběhu β-oxidace FA v mitochondrii a v peroxisomu :

4. krok – štěpení za účasti koenzymu A

mitochondrie: metabolizace v citrátovém cyklu

peroxisom: export do cytosolu, do mitochondrie (oxidace)

acetyl-CoA

využití pro syntézu cholesterolu a žlučových kyselin

využití pro syntézu mastných kyselin fosfolipidů

Degradace FA

Peroxisomální oxidace FA

zkrácení FA na C4 - C6

možný přenos acetylů z acetyl-CoAi zkrácené FA v peroxisomu na karnitinza vzniku acetylkarnitinu, resp. acylkarnitinu

přesun acylkarnitinu do mitochondrie

přeměna acylkarnitinu na acyl-CoA v mitochondrii

vstup acyl-CoA do β-oxidace

VLCFA – FA s velmi dlouhým řetězcem, VLACS – acyl-CoA-synthetasa pro FA s velmi dlouhým řetězcem, MCFA – FA se středně dlouhým řetězcem,SCFA – FA s krátkým řetězcem, CAT – karnitinacetyltransferasa, COT – karnitinoktanoyltransferasa, CAC – karnitinacylkarnitintranslokasa,CPTI – karnitinpalmitoyltransferasa I, CPT II – karnitinpalmitoyltransferasa II

zastavení β-oxidace

Degradace FA

Peroxisomální oxidace FA

B) mastné kyseliny s dlouhým větveným řetězcem

blokace β-oxidace přítomností alkylové skupiny na Cβ

α-oxidace

hydroxylace na Cα

odštěpení původní karboxylové skupiny ve formě CO2

methylová skupina v poloze α

přenos FA ve formě acylkarnitinu do mitochondrie

zkrácení FA na cca 8 uhlíků

dokončení β-oxidace v mitochondrii

Refsumova choroba

vzácné, autosomálně recesivně dědičné onemocnění

fytanová kyselina produkt metabolismu fytolu (součástí chlorofylu)

v mléce, živočišných tucích

snížená aktivita peroxisomální α-hydroxylasy akumulace kyseliny fytanové

(tkáně nervového systému, sérum)

ataxie, noční slepota, poruchy sluchu, kožní změny aj.

Degradace FA

ω-oxidace FA

minoritní dráha oxidace FA

v endoplasmatickém retikulu

postupná oxidace na ω-uhlíku

-CH3 - CH2OH -COOH

vznik dikarboxylové kyseliny

vstup dikarboxylové kyseliny do β-oxidace

zkrácení FA na kyselinu adipovou (C6) či suberovou (C8)

vyloučení močí

Degradace FA

Regulace β-oxidace FA

acetyl-CoA malonyl-CoA CPT I β-oxidace

ACC

A) energetickými nároky buňky

hladinou ATP, NADH:

FA nemohou být oxidovány rychleji, než jsou NADH a FADH2 reoxidovány v dýchacím řětězci

B) na úrovni karnitinpalmitoyltransferasy I (CPT I)

CPT I inhibována malonyl-CoA, který vzniká v syntéze FA účinkem acetyl-CoA karboxylasy (ACC)

aktivní syntéza FA inhibice β-oxidace

Srovnání biosyntézy a degradace FA

v játrech

lokalizace: matrix mitochondrie

substrát: acetyl-CoA

produkt: aceton

acetacetát

Ketolátky

Ketogeneze

D-β-hydroxybutyrát

zdroj: syntéza při nadbytku acetyl-CoA

význam: energetické substráty pro extrahepatální tkáně

Ketolátky

Ketogeneze

Ketolátky

Ketogeneze

acetacetát

spontánní dekarboxylace na aceton

přeměna na D-β-hydroxybutyrát enzymem D-β-hydroxybutyrát dehydrogenasou

odpadní produkt (plíce, moč)

energetické substráty pro extrahepatální tkáně

Ketolátky

Využití ketolátek

citrátový cyklus

zdroj energie pro extrahepatální tkáně

(zejména srdce, kosterní sval)

za hladovění hlavní zdroj energie pro mozek

uvolnění energie

ve vodě rozpustné ekvivalenty FA

Ketolátky

Tvorba, využití, exkrece ketolátek

acetyl-CoA

oxidace v citrátovém cyklu (játra)

přeměna na ketolátky (játra - mitochondrie)

uvolnění ketolátek do krve

transport ke tkáním

Ketolátky

lipolýza

FFA v plasmě

β-oxidace FA

nadbytek acetyl-CoA

ketogeneze

zvýšená ketogeneze:

hladovění

delší cvičení

diabetes mellitus

dieta s vysokým obsahem tuků

dieta s nízkým obsahem sacharidů

využití ketolátek jako energetického zdroje

šetření glukosy a svalových proteinů

(kosterní sval, buňky střevní mukosy, adipocyty, mozek, srdce aj.)

Ketogeneze

Použitá literatura a zdroje

http://www.hindawi.com/journals/jobes/2011/482021/fig2/

Marks, A.; Lieberman, M. Marks' basic medical biochemistry: a clinical approach. 3rd edition. Lippincott Williams & Wilkins, 2009.

Meisenberg, G.; Simmons, W. H. Principles of medical biochemistry. 2nd edition. Elsevier, 2006.

Matouš a kol. Základy lékařské chemie a biochemie. Galén, 2010.

Devlin, T. M. Textbook of biochemistry: with clinical correlations. 6th edition. Wiley-Liss, 2006.

Murray et al. Harper's Biochemistry. 25th edition. Appleton & Lange, 2000.