Syntza a degradace mastnch kyselin Zdeka Kluskov Mastn

Syntéza a degradace mastných kyselin Zdeňka Klusáčková

Mastné kyseliny (fatty acids, FA) ü většinou sudý počet atomů uhlíku a lineární řetězec ü v esterifikované formě jako součást lipidů ü v neesterifikované formě v plasmě vazba na albumin Dělení FA: ü dle délky řetězce <C 6 – C 12 – C 20 >C 20 FA s krátkým řetězcem (SCFA) FA se středně dlouhým řetězcem (MCFA) FA se dlouhým řetězcem (LCFA) FA s velmi dlouhým řetězcem (VLCFA) ü dle počtu dvojných vazeb bez dvojné vazby jedna dvojná vazba více dvojných vazeb nasycené FA (SAFA) mononenasycené FA (MUFA) polynenasycené FA (PUFA)

Přehled běžných FA

Triacylglyceroly ü hlavní zásobní forma FA ü acylglyceroly s třemi acylovými skupinami ü skladované především v tukové tkáni

Biosyntéza FA význam: skladování energie ve formě TAG ü průběh biosyntézy FA při nadbytku energie (zvýšený kalorický příjem) ü acyl-Co. A a glycerol-3 -fosfát syntéza TAG v játrech ü zabudování TAG do lipoproteinů o velmi nízké hustotě (VLDL) ü vstup VLDL do krevního oběhu ü transport TAG z jaterních buněk k ostatním tkáním cestou VLDL (zejména kosterní sval, tuková tkáň)

Biosyntéza FA ü převážně v játrech, tukové tkáni, mléčné žláze při laktaci (vždy při přebytku kalorií) lokalizace: ü cytoplazma buňky (do C 16) ü endoplazmatické retikulum, mitochondrie (elongace = prodlužování řetězce) enzymy: ü acetyl-Co. A-karboxylasa (HCO 3 - - zdroj CO 2, biotin, ATP) ü synthasa mastných kyselin (NADPH + H+, kyselina pantothenová) primární substrát: ü acetyl-Co. A konečný produkt: ü palmitát

Biosyntéza FA ü uskutečnění biosyntézy FA na multienzymovém komplexu – synthasa FA ü postupné prodlužování FA o dva uhlíky v každém cyklu ü průběh biosyntézy FA do délky řetězce C 16 (palmitát) ü palmitát prekursorem nasycených i nenasycených FA: nasycené FA (> C 16) elongační systémy nenasycené FA desaturační systémy

Výchozí látky pro biosyntézu FA 1. Acetyl-Co. A zdroj: ü oxidační dekarboxylace pyruvátu (hlavní zdroj glukóza) ü degradace FA, ketolátek, ketogenních aminokyselin ü transport přes vnitřní mitochondriální membránu ve formě citrátu 2. NADPH + H+ zdroj: ü pentosový cyklus (hlavní zdroj) ü přeměna malátu na pyruvát (NADP+-dependentní malátdehydrogenasa - „jablečný enzym”) ü přeměna isocitrátu na α-ketoglutarát (isocitrátdehydrogenasa)

Výchozí látky pro biosyntézu FA Acetyl-Co. A vnitřní mitochondrilání membrána cytosol glukóza pyruvát NADPH + H+ + CO 2 NADP+-dependentní malátdehydrogenasa mitochondriální matrix pyruvátdehydrogenasa pyruvátkarboxylasa malát NAD+ NADH + H+ NAD+-dependentní malátdehydrogenasa oxalacetát acetyl-Co. A + ADP + Pi citrátsynthasa ATP-citrátlyasa ATP + HSCo. A citrát

Výchozí látky pro biosyntézu FA NADPH + H+ glukóza NADP+ pentosafosfátová dráha cytosol glukóza-6 -fosfát fruktóza-6 -fosfát NADPH + H+ + CO 2 fruktóza-1, 6 -bisfosfát glyceraldehyd-3 -fosfát dihydroxyacetonfosfát pyruvát NADPH + H+ + CO 2 NADP+ malátdehydrogenasa pyruvát malát acetyl-Co. A oxalacetát acetyl-Co. A malát citrát fumarát isocitrát isocitrátdehydrogenasa mitochondrie sukcinát α-ketoglutarát sukcinyl-Co. A α-ketoglutarát NADPH + H+

Biosyntéza FA Tvorba malonyl-Co. A HCO 3 - + ATP ADP + Pi enzym-biotin-COO- biotinyl-enzym karboxybiotinyl-enzym 1 karboxylace biotinu 2 přenos karboxylové skupiny na acetyl-Co. A tvorba malonyl-Co. A + enzym – acetyl-Co. A-karboxylasa malonyl-Co. A enzym-biotin

Biosyntéza FA Regulace na úrovni ACC glukagon adrenalin c. AMP proteinkináza A glukóza citrát acetyl-Co. A inzulin AMP-dependentní proteinkináza A malonyl-Co. A acetyl-Co. A-karboxylasa palmitát palmitoyl-Co. A

Biosyntéza FA Synthasa FA

Biosyntéza FA Průběh biosyntézy FA acetyl-Co. A malonyl-Co. ASH acetyltransacylasa malonyltransacylasa transacylace acyl(acetyl)-malonyl-enzymový komplex

Biosyntéza FA Průběh biosyntézy FA 3 -ketoacyl-synthasa CO 2 kondenzační reakce acyl(acetyl)-malonyl-enzymový komplex 3 -ketoacyl-enzymový komplex (acetyl-enzymový komplex)

Biosyntéza FA Průběh biosyntézy FA NADPH + H+ + NADPH + H+ NADP+ H 2 O 3 -ketoacyl-reduktasa 3 -hydroxyacyldehydratasa enoylreduktasa první redukce dehydratace druhá redukce 3 -ketoacyl-enzymový komplex (acetyl-enzymový komplex) 3 -hydroxyacyl-enzymový komplex 2, 3 -nenasycený acyl-enzymový komplex

Biosyntéza FA Opakování cyklu malonyl-Co. ASH acyl-enzymový komplex (palmitoyl-enzymový komplex)

Biosyntéza FA Uvolnění palmitátu thioesterasa + H 2 O palmitát palmitoyl-enzymový komplex

Biosyntéza FA Osud palmitátu po biosyntéze FA acylglyceroly estery cholesterolu ATP + Co. A AMP + PPi palmitát acyl-Co. A-synthetasa esterifikace palmitoyl-Co. A elongace desaturace acyl-Co. A

Biosyntéza FA Elongace řetězce mastných kyselin 1. mikrosomální systém elongace ü v endoplazmatickém retikulu ü malonyl-Co. A – donor dvouuhlíkatých jednotek NADPH + H+ – donor redukčních ekvivalentů ü prodlužování nasycených i nenasycených FA FA > C 16 elongasy (prodlužování řetězce) 2. kyselina palmitová (C 16) synthasa mastných kyselin mitochondriální systém elongace ü v mitochondriích ü acetyl-Co. A – donor dvouuhlíkaté jednotky ü není obráceným pochodem β-oxidace FA

Biosyntéza FA Mikrosomální systém prodlužování FA Co. ASH + CO 2 + acetyl-Co. A malonyl-Co. A NADPH + H+ NADP+ reduktasa synthasa NADPH + H+ H 2 O 3 -hydroxyacyl-Co. A hydratasa 3 -ketoacyl-Co. A 2, 3 -nenasycený acyl-Co. A NADP+ reduktasa acyl-Co. A Příklad: Co. ASH + CO 2 + palmitoyl-Co. A NADPH + H+ NADP+ malonyl-Co. A H 2 O NADPH + H+ NADP+ stearoyl-Co. A

Biosyntéza FA Desaturace řetězce mastných kyselin ü v endoplazmatickém retikulu ü proces vyžadující O 2, NADH, cytochrom b 5

Degradace FA význam: zásadní zdroj energie (zejména mezi jídly, v noci, při zvýšeném požadavku na přísun energie – cvičení) ü uvolnění FA z triacylglycerolů tukové tkáně do krevního oběhu ü v krevním oběhu vazba FA na albumin ü transport ke tkáním ü vstup FA do cílových buněk aktivace na acyl-Co. A ü přenos acyl-Co. A pomocí karnitinu do mitochondrie Hlavní FA uvolňované z tukové tkáně pro získání energie: ü kyselina palmitová ü kyselina olejová ü kyselina stearová β-oxidace FA

Degradace FA Mechanismy odbourávání FA FA s dlouhým řetězcem (LCFA, C 12 – C 20) nenasycené FA mitochondriální β-oxidace FA s lichým počtem uhlíkových atomů modifikovaná mitochondriální β-oxidace FA s velmi dlouhým řetězcem (VLCFA, > C 20) peroxisomální β-oxidace FA s dlouhým větveným řetězcem peroxisomální α-oxidace FA s C 10 či C 12 ω-oxidace

Degradace FA Mechanismy odbourávání FA β-oxidace ω-oxidace α-oxidace

Degradace FA β-oxidace FA ü převážně ve svalech lokalizace: ü matrix mitochondrie ü peroxisom enzymy: ü acyl-Co. A-synthetasa ü karnitinpalmitoyltransferasa I a II, karnitinacylkarnitintranslokasa ü dehydrogenasy (FAD, NAD+), hydratasa, thiolasa substrát: ü acyl-Co. A konečný produkt: ü acetyl-Co. A ü případně propionyl-Co. A

Degradace FA β-oxidace FA ü postupné zkracování FA o dva uhlíky v každém cyklu ü odštěpení dvou atomů uhlíku ve formě acetyl-Co. A ü oxidace acetyl-Co. A na CO 2 a H 2 O v citrátovém cyklu dosažení úplné oxidace FA ü vznik 8 molekul acetyl-Co. A při úplném odbourání kyseliny palmitové ü produkce NADH, FADH 2 reoxidace v dýchacím řetězci za tvorby ATP PRODUKCE VELKÉHO MNOŽSTVÍ ATP OXIDACÍ FA

Degradace FA Aktivace FA mastná kyselina ATP acyl-Co. A-synthetasa acyladenylát pyrofosfát (PPi) acyl-Co. A-synthetasa pyrofosfatasa 2 Pi acyl-Co. A AMP mastná kyselina + ATP + Co. ASH PPi + H 2 O acyl-Co. A + AMP + PPi 2 Pi

Degradace FA Úloha karnitinu při transportu FA do mitochondrie Přes vnitřní mitochondriální membránu FA přeneseny pomocí karnitinu a tří enzymů: ü karnitinpalmitoyltransferasa I (CPT I) přenos acylu na karnitin ü karnitinacylkarnitintranslokasa přenos acylkarnitinu přes vnitřní mitochondriální membránu ü karnitinpalmitoyltransferasa II (CPT II) přenos acylu z acylkarnitinu zpět na Co. A v matrix mitochondrie

Degradace FA β-oxidace FA Kroky cyklu: ü dehydrogenace acyl-Co. A-dehydrogenasa oxidace pomocí FAD vznik nenasycené kyseliny ü hydratace trans-Δ 2 -enoyl-Co. A-hydratasa adice vody na β-uhlíku vznik β-hydroxykyseliny ü dehydrogenace L-β-hydroxyacyl-Co. A-dehydrogenasa oxidace pomocí NAD+ vznik β-oxokyseliny ü štěpení za účasti koenzymu A β-ketoacyl-Co. A-thiolasa vznik acetyl-Co. A vznik acyl-Co. A o dva uhlíky kratší acyl-Co. A acetyl-Co. A

Degradace FA Oxidace nenasycených FA linoleoyl-Co. A ü nejzastoupenější nenasycené FA v potravě: kyselina olejová, linolová cis Δ 9, cis-Δ 12 3 cykly β-oxidace 3 acetyl-Co. A ü degradace nenasycené FA β-oxidací k místu dvojné vazby cis-Δ 3, cis-Δ 6 enoyl-Co. A-isomerasa ü přeměna cis-izomeru FA specifickou isomerasou na trans-izomer trans-Δ 2, cis-Δ 6 β-oxidace 1 acetyl-Co. A ü pokračování procesu β-oxidace k místu další dvojné vazby cis-Δ 4 acyl-Co. A-dehydrogenasa ü tvorba dvojné vazby mezi C 2 a C 3 dehydrogenací trans-Δ 2, cis-Δ 4 NADPH + H+ ü odstranění dvojné vazby mezi C 4 a C 5 redukcí NADP+ trans-Δ 3 ü intramolekulární přesun dvojné vazby ü další proces β-oxidace dienoyl-Co. A-reduktasa enoyl-Co. A-isomerasa trans-Δ 2 4 cykly β-oxidace 5 acetyl-Co. A

Degradace FA Oxidace FA s lichým počtem atomů uhlíku ü zkrácení FA na C 5 propionyl-Co. A zastavení β-oxidace HCO 3 - + ATP ü vznik acetyl-Co. A a propionyl-Co. A-karboxylasa (biotin) ADP + Pi D-methylmalonyl-Co. A ü karboxylace propionyl-Co. A methylmalonyl-Co. A-racemasa ü epimerizace D-formy na L-formu L-methylmalonyl-Co. A ü intramolekulární přeskupení za vzniku sukcinyl-Co. A methylmalonyl-Co. A-mutasa (B 12) ü vstup sukcinyl-Co. A do citrátového cyklu sukcinyl-Co. A

Degradace FA Peroxisomální oxidace FA A) mastné kyseliny s velmi dlouhým řetězcem VLCFA („very-long chain FA”, > 20 C) ü transport acyl-Co. A do peroxisomu bez účasti karnitinu Odlišnosti v průběhu β-oxidace FA v mitochondrii a v peroxisomu : 1. krok – dehydrogenace pomocí FAD mitochondrie: elektrony z FADH 2 předávány do dýchacího řetězce, kde jsou přenášeny na O 2 za vzniku H 2 O a energie ATP peroxisom: elektrony z FADH 2 předávány na O 2 za vzniku H 2 O 2, který je rozkládán katalasou na H 2 O a O 2 3. krok – dehydrogenace pomocí NAD+ mitochondrie: reoxidace NADH v dýchacím řetězci peroxisom: reoxidace NADH není možná, export do cytosolu či do mitochondrie

Degradace FA Peroxisomální oxidace FA Odlišnosti v průběhu β-oxidace FA v mitochondrii a v peroxisomu : 4. krok – štěpení za účasti koenzymu A acetyl-Co. A mitochondrie: metabolizace v citrátovém cyklu peroxisom: export do cytosolu, do mitochondrie (oxidace) využití pro syntézu cholesterolu a žlučových kyselin využití pro syntézu mastných kyselin fosfolipidů

Degradace FA Peroxisomální oxidace FA ü zkrácení FA na C 4 - C 6 zastavení β-oxidace ü možný přenos acetylů z acetyl-Co. A i zkrácené FA v peroxisomu na karnitin za vzniku acetylkarnitinu, resp. acylkarnitinu ü přesun acylkarnitinu do mitochondrie ü přeměna acylkarnitinu na acyl-Co. A v mitochondrii ü vstup acyl-Co. A do β-oxidace VLCFA – FA s velmi dlouhým řetězcem, VLACS – acyl-Co. A-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

Degradace FA Peroxisomální oxidace FA B) mastné kyseliny s dlouhým větveným řetězcem ü blokace β-oxidace přítomností alkylové skupiny na C β ü α-oxidace ü hydroxylace na Cα ü odštěpení původní karboxylové skupiny ve formě CO 2 ü methylová skupina v poloze α ü zkrácení FA na cca 8 uhlíků ü přenos FA ve formě acylkarnitinu do mitochondrie ü dokončení β-oxidace v mitochondrii

Refsumova choroba ü vzácné, autosomálně recesivně dědičné onemocnění ü fytanová kyselina produkt metabolismu fytolu (součástí chlorofylu) v mléce, živočišných tucích ü snížená aktivita peroxisomální α-hydroxylasy akumulace kyseliny fytanové (tkáně nervového systému, sérum) ü ataxie, noční slepota, poruchy sluchu, kožní změny aj.

Degradace FA ω-oxidace FA ü minoritní dráha oxidace FA ü v endoplasmatickém retikulu ü postupná oxidace na ω-uhlíku -CH 3 - CH 2 OH -COOH ü vznik dikarboxylové kyseliny ü vstup dikarboxylové kyseliny do β-oxidace ü zkrácení FA na kyselinu adipovou (C 6) či suberovou (C 8) vyloučení močí

Degradace FA Regulace β-oxidace FA A) energetickými nároky buňky hladinou ATP, NADH: FA nemohou být oxidovány rychleji, než jsou NADH a FADH 2 reoxidovány v dýchacím řětězci B) na úrovni karnitinpalmitoyltransferasy I (CPT I) CPT I inhibována malonyl-Co. A, který vzniká v syntéze FA účinkem acetyl-Co. A karboxylasy (ACC) aktivní syntéza FA acetyl-Co. A ACC malonyl-Co. A inhibice β-oxidace CPT I β-oxidace

Srovnání biosyntézy a degradace FA

Ketolátky Ketogeneze ü v játrech lokalizace: ü matrix mitochondrie substrát: ü acetyl-Co. A produkt: ü aceton ü acetát ü D-β-hydroxybutyrát zdroj: ü syntéza při nadbytku acetyl-Co. A význam: ü energetické substráty pro extrahepatální tkáně

Ketolátky Ketogeneze

Ketolátky Ketogeneze acetát ü spontánní dekarboxylace na aceton ü přeměna na D-β-hydroxybutyrát enzymem D-β-hydroxybutyrát dehydrogenasou odpadní produkt (plíce, moč) energetické substráty pro extrahepatální tkáně

Ketolátky Využití ketolátek ü ve vodě rozpustné ekvivalenty FA ü zdroj energie pro extrahepatální tkáně (zejména srdce, kosterní sval) ü za hladovění hlavní zdroj energie pro mozek citrátový cyklus uvolnění energie

Ketolátky Tvorba, využití, exkrece ketolátek acetyl-Co. A ü oxidace v citrátovém cyklu (játra) ü přeměna na ketolátky (játra - mitochondrie) ü uvolnění ketolátek do krve ü transport ke tkáním

Ketolátky Ketogeneze zvýšená ketogeneze: lipolýza ü hladovění ü delší cvičení ü diabetes mellitus FFA v plasmě ü dieta s vysokým obsahem tuků ü dieta s nízkým obsahem sacharidů β-oxidace FA využití ketolátek jako energetického zdroje (kosterní sval, buňky střevní mukosy, adipocyty, mozek, srdce aj. ) nadbytek acetyl-Co. A šetření glukosy a svalových proteinů ketogeneze

Použitá literatura a zdroje Devlin, T. M. Textbook of biochemistry: with clinical correlations. 6 th edition. Wiley-Liss, 2006. Marks, A. ; Lieberman, M. Marks' basic medical biochemistry: a clinical approach. 3 rd edition. Lippincott Williams & Wilkins, 2009. Matouš a kol. Základy lékařské chemie a biochemie. Galén, 2010. Meisenberg, G. ; Simmons, W. H. Principles of medical biochemistry. 2 nd edition. Elsevier, 2006. Murray et al. Harper's Biochemistry. 25 th edition. Appleton & Lange, 2000. http: //www. hindawi. com/journals/jobes/2011/482021/fig 2/