סינתזה של ליפידים: סוגים ומנגנונים עיקריים שלהם - ביולוגיה - 2025

הסינתזה של שומנים מורכבים מסדרה של תגובות אנזימטיות שבאמצעותו פחמימנים קצר שרשרת מרוכזות כדי ליצור מולקולות ארוכות שרשרת שיכולה ובהמשך עוברות שינויים כימיים שונים.

ליפידים הם סוג של ביומולקולות מגוונות מאוד המסונתזות על ידי כל התאים החיים ומתמחים בתפקודים מרובים החיוניים לשמירה על חיי הסלולר.

כמה דוגמאות לליפידים נפוצים: גליצרופוספוליפידים, סטרולים, גליצרוליפידים, חומצות שומן, ספינגוליפידים ופרנולים (מקור: המעלה המקורי היה Lmaps בוויקיפדיה האנגלית. / GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/ fdl-1.2.html) דרך Commons, עיבוד על ידי ראקל פרדה)

ליפידים הם המרכיבים העיקריים של ממברנות ביולוגיות, עובדה שהופכת אותם למולקולות יסודיות לקיומם של תאים כישויות מבודדות מסביבתם.

לחלק מהליפידים יש גם פונקציות מיוחדות כמו פיגמנטים, קופקטורים, הובלות, חומרי ניקוי, הורמונים, מסרים תוך-תאיים, עוגנים קוולנטיים לחלבוני קרום וכו '. לכן היכולת לסנתז סוגים שונים של ליפידים הינה קריטית להישרדותם של כל האורגניזמים החיים.

קבוצה גדולה של תרכובות מסווגת באופן מסורתי למספר קטגוריות או תת-קבוצות: חומצות שומן (רוויות ולא רוויות), גליצרידים (פוספוגליצרידים וגליצרידים ניטרליים), ליפידים שאינם גליצרידים (ספינגוליפידים (sphingomyelins ו glycolipids), סטרואידים ושעווה), ו ליפידים מורכבים (ליפופרוטאינים).

סוגי ליפידים ומנגנוני הסינתזה העיקריים שלהם

כל רצפי התגובה של מסלולי הביוסינתזה של השומנים הם אנדרגוניים ורדוקטיביים. במילים אחרות, כולם משתמשים ב- ATP כמקור אנרגיה ומנשא אלקטרונים מופחת, כמו NADPH, ככוח מצמצם.

בשלב הבא, יתוארו התגובות העיקריות של המסלולים הביוסינתטיים של הסוגים העיקריים של ליפידים, כלומר של חומצות שומן ואיקוסנואידים, של טריאציל גליצרולים ופוספוליפידים ושל סטרולים (כולסטרול).

- סינתזה של חומצות שומן

חומצות שומן הן מולקולות חשובות מאין כמוהן מבחינת ליפידים, מכיוון שהן חלק מהליפידים הרלוונטיים ביותר בתאים. הסינתזה שלה, בניגוד למה שחשבו מדענים רבים במהלך המחקרים הראשונים בנושא זה, אינה מורכבת מהדרך הפוכה של חמצון ה- β שלה.

למעשה מסלול מטבולי זה מתרחש בתאי תאים שונים ומחייב השתתפות של ביניים בעל שלוש פחמן המכונה מלוניל-CoA, שאינו הכרחי לחמצון.

מלוניל-CoA. NEUROtiker / רשות הרבים

בנוסף, זה קשור קשר הדוק לקבוצות הגופרית של חלבונים הידועים כחלבוני נשא acyl (ACP, מאנגלית Acyl Carrier Proteins).

בקווים כלליים, סינתזה של חומצות שומן, ובמיוחד אלו של שרשרת ארוכה, היא תהליך רצף בו חוזרים על ארבעה שלבים בכל "תור", ובמהלך כל תור נוצרת קבוצת אציל רוויה שהיא המצע לשלב הבא. , הכרוך בעיבוי נוסף עם מולקולת מלוניל-CoA חדשה.

בכל סיבוב או מחזור של תגובה, שרשרת חומצות השומן מרחיבה שתי פחמימות, עד שהיא מגיעה לאורך של 16 אטומים (פלמיטיט), לאחר מכן היא עוזבת את המחזור.

היווצרות מלוניל-CoA

מתווך זה של שלושה אטומי פחמן נוצר באופן בלתי הפיך מאצטיל-קוא-א, בזכות פעולתו של אנזים אצטיל-קוא-קרבוקסילאז, שיש בו קבוצה תותבתית של ביוטין הנקשרת באופן קוואליאלי לאנזים ושמשתתף בקטליזה זו ב שני מדרגות.

בתגובה זו, קבוצת קרבוקסיל המופקת ממולקולת ביקרבונט (HCO3-) מועברת לביוטין באופן תלוי ATP, שם קבוצת הביוטיניל פועלת כ"טרנספורטר זמני "של המולקולה תוך העברתה לאצטיל-קואה. לייצור מלוניל-CoA.

ברצף סינתזת חומצות השומן, גורם ההפחתה בו נעשה שימוש הוא NADPH והקבוצות המפעילות הן שתי קבוצות תיאול (-SH) המהוות חלק ממתחם רב-אנזים הנקרא חומצת שומן סינתז, שהוא החשוב ביותר בקטליזה. מְלָאכוּתִי.

אצל בעלי חוליות, מתחם חומצות השומן הוא חלק משרשרת פוליפפטיד גדולה אחת, בה מיוצגות 7 הפעילויות האנזימטיות האופייניות לנתיב הסינתזה, כמו גם הפעילות ההידרוליטית הנחוצה לשחרור הביניים בסוף סִינתֶזָה.

מבנה האנזים של חומצת שומן סינתז (מקור: Boehringer Ingelheim / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) באמצעות Wikimedia Commons)

7 הפעילויות האנזימטיות של קומפלקס זה הן: חלבון טרנספורטר של קבוצת acyl (ACP), אצטיל-CoA-ACP טרנסצילאז (AT), ß-ketoacyl-ACP synthase (KS), מלוניל-CoA-ACP transferase (MT), β- ketoacyl-ACP reductase (KR), β-hydroxyacyl-ACP dehydratase (HD) ו- enoyl-ACP reductase (ER).

לפני שיכולות להתרחש תגובות עיבוי להרכבת שרשרת חומצות השומן, שתי קבוצות התיול במתחם האנזים הופכות ל"טענות "בקבוצות האציל: ראשית, אצטיל-CoA מועבר לקבוצת -SH של ציסטאין בחלק הסינתזה β-ketoacyl-ACP במתחם, תגובה המונזזת על ידי האנזים אצטיל-CoA-ACP טרנסצטילאז (AT).

בהמשך מועברת קבוצת מלוניל ממולקולת מלוניל-CoA לקבוצת -SH של חלק הטרנספורטר של קבוצת acyl (ACP) של קומפלקס האנזים, תגובה המנותזת על ידי אנזים מלוניל-CoA-ACP טרנספרז (MT), שגם הוא זהו חלק מתסביך חומצות השומן הסינתזות.

הרצף של ארבע תגובות לכל "סיבוב" של מחזור התגובה הוא כדלקמן:

1. עיבוי: קבוצות האצטיל והמלוניל "הטעונות" על האנזים מתעבים ויוצרים מולקולת acetoacetyl-ACP, המחוברת לחלק ACP דרך קבוצת -SH. בשלב זה, מולקולת CO2 מיוצרת ומנותזת על ידי סינתזה ß-ketoacyl-ACP (קבוצת האצטיל תופסת את עמדת ה"מתיל המתכתי "של מתחם acetoacetyl-ACP).
2. הפחתה של קבוצת הקרבוניל: קבוצת הפחמן בעמדה C3 של acetoacetyl-ACP מצטמצמת ליצירת D-β-hydroxybutyryl-ACP, תגובה המנותזת על ידי ß-ketoacyl-ACP reductase, המשתמש ב- NADPH כתורם אלקטרונים.
3. התייבשות: הפחמן C2 ו- C3 של D-β-hydroxybutyryl-ACP נטולי מולקולות מים, ויוצרים קשר כפול שמסתיים בייצור התרכובת החדשה trans -∆2-butenoyl-ACP. תהליך זה מתווך על ידי אנזים β-hydroxyacyl-ACP dehydratase (HD).
4. הפחתה של קשר כפול: הקשר הכפול של התרכובת הנוצרת בשלב ההתייבשות רווי (מופחת) כדי לתת בוטיריל-ACP דרך התגובה המנותזת על ידי האנזים אנול-ACP רדוקטאז (ER) שמשמש גם ב- NADPH כחומר מקטין. .

תגובות סינתזה מתרחשות עד שנוצרת מולקולה של פלמיטיט (16 אטומי פחמן), המוזרמת מהמתחם האנזימטי ומשוחררת כמבשר אפשרי לחומצות שומן עם שרשראות ארוכות יותר, המיוצרות על ידי מערכות התארכות. של חומצות שומן הממוקמות בחלק החלק של הרקמה האנדופלמטית ובמיטוכונדריה.

השינויים האחרים שיכולים לעבור מולקולות אלה, כמו למשל Desaturations, מנותזים על ידי אנזימים שונים, המופיעים בדרך כלל בתכנית האנדופלסמה החלקה.

- סינתזה של איקוזנואידים

איקוזנואידים הם ליפידים תאיים המתפקדים כמולקולות שליח "לטווח קצר", המיוצרים על ידי רקמות מסוימות כדי לתקשר עם תאים ברקמותיהם הסמוכות. מולקולות אלה מסונתזות מחומצות שומן רב בלתי-רוויות של 20 אטומי פחמן.

פרוסטגלנדינים

בתגובה לגירוי הורמונלי, האנזים פוספוליפאז A תוקף את הפוספוליפידים הממברניים ומשחרר ארכידונאט מהפחמן הדו-חמצני של גליצרול. תרכובת זו מומרת לפרוסטגלנדינים הודות לאנזים של הרטיקול האנדופלמסטי החלק עם פעילות דו פונקציונאלית: cyclooxygenase (COX) או prostaglandin H2 synthase.

Thromboxanes

ניתן להמיר את הפרוסטגלנדינים לטרומבוקסנים הודות לתרומבוקסן הסינתזה הקיימת בטסיות הדם (תרומבוציטים). מולקולות אלה משתתפות בשלבים הראשונים של קרישת הדם.

- סינתזה של triacylglycerols

חומצות שומן הן מולקולות חיוניות לסינתזה של תרכובות מורכבות אחרות בתאים, כגון טריאציל-גליצרולים או ליפידים ממברניים גליצרופוספוליפידים (תהליכים התלויים בצרכים המטבוליים התאיים).

בעלי חיים מייצרים triacylglycerols ו- glycerophospholipids משני מקדימים נפוצים: acyl-CoA שומני ו- L-glycerol 3-phosphate. שומן acyl-CoA מיוצר על ידי סינתזות acyl-CoA המשתתפות בחמצון β, ואילו L-glycerol 3-phosphate מתקבל מגיריקוליזה ועל ידי פעולה של שני אנזימים חלופיים: glycerol 3-phosphate dehydrogenase ו glycerol kinase.

Triacylglycerols נוצרים על ידי התגובה בין שתי מולקולות של Acyl-CoA שומני ומולקולה אחת של Diacylglycerol 3-phosphate; תגובות העברה אלה מנותרות על ידי טראנסאזים ספציפיים של acyl.

בתגובה זו, מיוצרת תחילה חומצה פוספטידית, המוחזקת על ידי זרחן על ידי אנזים פוספטז חומצה פוספטידית לייצור 1,2-דיאקילגלצירול, המסוגל שוב לקבל מולקולה שלישית של acyl-CoA שומני, המייצר טריאציל גליצרול.

- סינתזה פוספוליפיד

פוספוליפידים הם מולקולות משתנות מאוד, מכיוון שניתן ליצור נוצרים רבים ושונים על ידי שילוב של חומצות שומן וקבוצות "ראש" שונות עם הגליצרול (גליצרופוספוליפידים) או השלד הספינגוזין (הספינגוליפידים) המאפיינים אותם.

ההרכבה הכללית של מולקולות אלה מחייבת סינתזה של עמוד השדרה הגליצרול או הספינגוזין, האיחוד עם חומצות השומן המתאימות, בין אם באמצעות ייעור או חמצון, הוספת קבוצת "ראש" הידרופילית דרך קשר פוספודיאסטר, וכן במידת הצורך, שינוי או חילופי קבוצות אלה האחרונים.

באוקריוטות תהליך זה מתרחש בתכנית הרשת האנדופלמטית החלקה וגם בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי, שם הם יכולים להישאר ללא הגבלת זמן או משם ניתן לתרגם למקומות אחרים.

שלבי תגובה

הצעדים הראשונים בתגובת הסינתזה של גליצרופוספוליפידים שקולים לאלו של ייצור טריאציל-גליצריולים, מכיוון שמולקולה של גליצרול 3-פוספט מועתקת לשתי מולקולות של חומצת שומן בפחמימות 1 ו -2 ויוצרת חומצה פוספטידית. מקובל למצוא פוספוליפידים שיש בהם חומצות שומן רוויות ב- C1 ולא רוויות ב- C2 של גליצרול.

חומצה פוספטידית יכולה להיווצר גם על ידי זרחן של מולקולת דיאזיל-גליצרול כבר מסונתזת או "ממוחזרת".

קבוצות "הראש" הקוטביות של מולקולות אלה נוצרות באמצעות קשרי פוספודיאסטר. הדבר הראשון שצריך לקרות כדי שתהליך זה יתקיים בצורה נכונה הוא "הפעלה" של אחת מקבוצות ההידרוקסיל שמשתתף בתהליך על ידי כריכה לנוקלאוטיד כמו ציטדין דיפוספט (CDP), שעקירה נוקלאופילית על ידי הקבוצה השנייה. הידרוקסיל שמשתתף בתגובה.

אם מולקולה זו נקשרת לדיאקילגלצירול, נוצר CDP-דיאקילגלייזרול (הצורה ה"פעילה "של חומצה פוספטידית), אך הדבר יכול להתרחש גם בקבוצת ההידרוקסיל בקבוצת" הראש ".

במקרה של פוספטידילסרין, למשל, דיאקילגלצירול מופעל על ידי עיבוי של מולקולת חומצה פוספטידית עם מולקולת ציטודין טריפוספט (CTP), ויוצר CDP-דיאצילגליצולול ומבטל פירופוספט.

אם עקירה של מולקולה של CMP (ציטידין מונופוספט) על ידי התקפה נוקלאופילית של ההידרוקסיל של סרין או של ההידרוקסיל בפחמן הגליצרול 3-פוספט, ניתן לשחרר פוספטידילסרין או פוספטידיל-גליצרול 3-פוספט, ממנו ניתן לשחרר את מונוסטר הפוספט. לייצר פוספטידיגלגליצרול.

שתי המולקולות המיוצרות בדרך זו משמשות כמבשרים לשומנים קרוםיים אחרים, שלעתים קרובות חולקים ביניהם מסלולי ביו-סינתטיים.

- סינתזה של כולסטרול

כולסטרול הוא מולקולה חיונית לבעלי חיים שניתן לסנתז על ידי התאים שלהם, ולכן היא אינה חיונית בתזונה היומית. מולקולה זו של 27 אטומי פחמן מיוצרת מבשר: אצטט.

מולקולה מורכבת זו נוצרת מאצטיל-CoA בארבעה שלבים עיקריים:

1. עיבוי של שלוש יחידות אצטט ליצירת mevalonate, מולקולת ביניים של 6 פחמן (תחילה נוצרת מולקולה של acetoacetyl-CoA עם שני אצטיל-CoA (אנזים תיולאז)) ואז אחר של β-hydroxy-β-methylglutaryl-CoA ( HMG-CoA) (אנזים HMG-CoA synthetase) Mevalonate נוצר מ- HMG-CoA ובזכות האנזים HMG-CoA reductase.
2. המרה של יחידות מלוונט לאיזופרן. שלוש קבוצות הפוספט הראשונות מועברות משלוש מולקולות ATP למבאלונאט. אחד הפוספטים אבד יחד עם קבוצת הקרבוניל הסמוכה ונוצר ∆3-איזופנטניל פירופוספט, שהוא איזומרז לייצור דימתיל-לילי פירופוספט.
3. פילמור או עיבוי של יחידות איזופרן 6 C 5 ליצירת C 30 סקוואלן (מולקולה ליניארית).
4. מחזוריות סקוואלין ליצירת 4 הטבעות בגרעין הסטרואיד של הכולסטרול ושינויים כימיים הבאים: חמצון, נדידה וחיסול של קבוצות מתיל וכו ', שמניבות כולסטרול.

הפניות

1. גארט, RH, & Grisham, CM (2001). עקרונות הביוכימיה: עם מיקוד אנושי. חברת ברוקס / קול הוצאת ספרים.
2. מוריי, RK, Granner, DK, Mayes, PA, & Rodwell, VW (2014). הביוכימיה המאוירת של הרפר. מקגרוו-היל.
3. נלסון, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). עקרונות הלינגר של הביוכימיה. מקמילן.
4. Jacquemyn, J., Cascalho, A., and Goodchild, RE (2017). הפרטים הקטנים של הביוסינתזה של השומנים האנדופלסמיים מבוקרים. דו"חות EMBO, 18 (11), 1905-1921.
5. Ohlrogge, J., & Browse, J. (1995). ביוסינתזה של ליפידים. תא הצמחים, 7 (7), 957.