FEDTSYRER: STRUKTUR, TYPER, FUNKTIONER, BIOSYNTESE - BIOLOGI

De fedtsyrer er organiske makromolekyler afledt fra carbonhydrider, som er sammensat af lange kæder af carbonatomer og hydrogen med hydrofobicitet (er fedtopløselige) og er den strukturelle basis af fedtstoffer og lipider.

De er meget forskellige molekyler, der adskilles fra hinanden ved længden af deres carbonhydridkæder og tilstedeværelsen, antallet, positionen og / eller konfigurationen af deres dobbeltbindinger.

Generelt skema for en mættet fedtsyre (Kilde: Laghi.l via Wikimedia Commons)

I lipiderne fra dyr, planter, svampe og mikroorganismer såsom bakterier og gær er mere end 100 forskellige klasser af fedtsyrer beskrevet og anses for at være arter og vævsspecifikke i de fleste levende ting.

De olier og fedtstoffer, som mennesket bruger dagligt, uanset om de er af animalsk eller vegetabilsk oprindelse, består hovedsageligt af fedtsyrer.

Introduktion

Smør består blandt andet hovedsageligt af fedtsyrer (Kilde: Africa Studio, via pixabay.com)

Fedtsyremolekyler udfører vigtige funktioner på celleniveau, hvilket gør dem til essentielle komponenter, og da nogle af dem ikke kan syntetiseres af dyr, skal de hente dem fra kosten.

Fedtsyrer er ikke almindelige som frie arter i cytecolcellen, så de findes generelt som en del af andre molekylære konjugater, såsom:

- Lipider i biologiske membraner.

- Triglycerider eller fedtsyreestere, der tjener som reserve i planter og dyr.

- Voks, der er faste estere af langkædede fedtsyrer og alkoholer.

- Andre lignende stoffer.

Hos dyr opbevares fedtsyrer i cytoplasmaet i celler som små fedtdråber, der består af et kompleks kaldet triacylglycerol, som ikke er andet end et glycerolmolekyle, som det har bundet til, i hvert af dets atomer af carbon, en fedtsyrekæde ved esterbinding.

Mens bakterier har korte og sædvanligvis enumættede fedtsyrer, er det i naturen almindeligt at finde fedtsyrer, hvis kæder har lige mange kulstofatomer, normalt mellem 14 og 24, mættede, enumættede eller flerumættede.

Struktur

Fedtsyrer er amfipatiske molekyler, det vil sige, de har to kemisk definerede regioner: en hydrofil polær region og en hydrofob apolær region.

Den hydrofobe region består af en lang carbonhydridkæde, der kemisk set ikke er meget reaktiv. Den hydrofile region er på den anden side sammensat af en terminal carboxylgruppe (-COOH), der opfører sig som en syre.

Denne terminale carboxylgruppe eller carboxylsyre ioniserer i opløsning, er stærkt reaktiv (kemisk set) og er meget hydrofil og repræsenterer således et kovalent bindingssted mellem fedtsyren og andre molekyler.

Længden af carbonhydridkæderne i fedtsyrer har normalt et jævnt antal carbonatomer, og dette er tæt forbundet med den biosyntetiske proces, hvormed de produceres, da deres vækst sker i par kulhydrater.

De mest almindelige fedtsyrer har kæder på mellem 16 og 18 carbonatomer, og hos dyr er disse kæder ikke forgrenede.

Klassifikation

Fedtsyrer klassificeres i to store grupper i henhold til arten af bindingerne, der sammensætter dem, det vil sige i henhold til tilstedeværelsen af enkeltbindinger eller dobbeltbindinger mellem carbonatomerne i deres carbonhydridkæder.

Der er således mættede og umættede fedtsyrer.

- Mættede fedtsyrer har kun enkelte carbon-carbonbindinger, og alle deres carbonatomer er "mættede" eller bundet til brintmolekyler.

- Umættede fedtsyrer har en eller flere carbon-carbon-dobbeltbindinger, og ikke alle disse er knyttet til et hydrogenatom.

Umættede fedtsyrer opdeles også i henhold til antallet af umættede (dobbeltbindinger) i enumættede, dem med kun en dobbeltbinding og flerumættede, dem med mere end én.

Mættede fedtsyrer

De har normalt mellem 4 og 26 carbonatomer forbundet med enkeltbindinger. Dets smeltepunkt er direkte proportionalt med længden af kæden, det vil sige med dens molekylvægt.

Fedtsyrer, der har mellem 4 og 8 carbonatomer, er flydende ved 25 ° C og er de, der udgør spiselige olier, mens de med mere end 10 carbonatomer er faste.

Blandt de mest almindelige er laurinsyre, der er rigelig i palmekerner og kokosnøddeolier; palmitinsyre, der findes i palme, kakao og smult, og stearinsyre, der findes i kakao og hydrogenerede olier.

Det er fedtsyrer med meget mere stabilitet end umættede fedtsyrer, især mod oxidation, i det mindste under fysiologiske forhold.

Da enkelt-kulstof-carbon-bindingerne kan rotere frit, er mættede fedtsyrer meget fleksible molekyler, skønt sterisk hindring gør den fuldt udstrakte struktur til den mest energisk stabile.

Umættede fedtsyrer

Disse fedtsyrer er meget reaktive og tilbøjelige til mætning og oxidation. De er almindelige i planter og marine organismer. De med kun en dobbeltbinding er kendt som enumættet eller monoenoisk, mens de med mere end to er kendt som polyenoisk eller flerumættet.

Tilstedeværelsen af dobbeltbindinger er almindelig mellem carbonatomer mellem position 9 og 10, men dette betyder ikke, at ikke umættede fedtsyrer med en umættelse i en anden position ikke findes.

I modsætning til mættede, er umættede fedtsyrer opført ikke fra den terminale carboxylgruppe, men i henhold til placeringen af den første C-C-dobbeltbinding. Derfor er de opdelt i to grupper, omega-6 eller ω6-syrer. og omega-3 eller ω3.

Omega-6 syrer har den første dobbeltbinding ved kulstof nummer 6 og omega-3 syrer har den ved kulstof nummer 3. Navnet ω gives af dobbeltbindingen tættest på den endelige methylgruppe.

Dobbeltbindinger kan også findes i to geometriske konfigurationer kendt som "cis" og "trans".

De fleste af de naturlige umættede fedtsyrer har en "cis" -konfiguration, og dobbeltbindingerne af fedtsyrerne, der er til stede i kommercielle (hydrogenerede) fedtstoffer, er i "trans".

I flerumættede fedtsyrer skilles to dobbeltbindinger sædvanligvis fra hinanden med mindst en methylgruppe, dvs. et carbonatom bundet til to hydrogenatomer.

Funktioner

Fedtsyrer har flere funktioner i levende organismer, og som nævnt ovenfor er en af deres væsentlige funktioner som en væsentlig del af lipider, som er hovedkomponenterne i biologiske membraner og en af de tre mest rigelige biomolekyler i organismer. levende i forbindelse med proteiner og kulhydrater.

De er også fremragende energisubstrater takket være hvilke store mængder energi der opnås i form af ATP og andre mellemliggende metabolitter.

I betragtning af at dyr for eksempel ikke er i stand til at opbevare kulhydrater, repræsenterer fedtsyrer den vigtigste kilde til energilagring, der kommer fra oxidation af sukker, der er forbrugt i overskud.

Mættede fedtsyrer med kort kæde i tyktarmen deltager i stimulering af absorptionen af vand og natrium, chlorid og bicarbonationer; Derudover har de funktioner i produktionen af slim, i spredningen af kolonocytter (kolonceller) osv.

Umættede fedtsyrer er især rigelige i spiselige vegetabilske olier, som er vigtige i kosten for alle mennesker.

De olier, vi konsumerer dagligt, er fedtsyrer (Kilde: stevepb, via pixabay.com)

Andre deltager som ligander af nogle proteiner med enzymatiske aktiviteter, hvorfor de er vigtige med hensyn til deres virkning på energimetabolismen i de celler, hvor de findes.

biosyntese

Nedbrydning af fedtsyrer er kendt som ß-oxidation og forekommer i mitokondrier fra eukaryote celler. Biosyntesen forekommer tværtimod i cytosol fra dyreceller og i chloroplasterne (fotosyntetiske organeller) i planteceller.

Det er en proces, der er afhængig af acetyl-CoA, malonyl-CoA og NADPH, den forekommer i alle levende organismer og i "højere" dyr, såsom pattedyr. For eksempel er det meget vigtigt i lever- og fedtvæv såvel som i brystkirtlerne.

Den NADPH, der anvendes til denne rute, er hovedsageligt produktet af de NADP-afhængige oxidationsreaktioner af pentosefosfat-ruten, medens acetyl-CoA kan komme fra forskellige kilder, for eksempel fra den oxidative dekarboxylering af pyruvat, Krebs-cyklus og ß-oxidation af fedtsyrer.

Biosyntesestien, ligesom ß-oxidation, er stærkt reguleret i alle celler af allosteriske effekter og kovalente modifikationer af enzymer, der deltager i regulering.

-Malonyl-coA-syntese

Vejen begynder med dannelsen af et metabolisk mellemprodukt kendt som malonyl-CoA fra et acetyl-CoA-molekyle og katalyseres af et multifunktionelt enzym kaldet acetyl-CoA-carboxylase.

Denne reaktion er en biotinafhængig tilsætning af et carboxylmolekyle (-COOH, carboxylering) og forekommer i to trin:

Først forekommer den ATP-afhængige overførsel af en bicarbonat-afledt carboxyl (HCO3-) til et biotinmolekyle som en protetisk (ikke-protein) gruppe, der er forbundet med acetyl-CoA-carboxylase.
Derefter overføres CO2 til acetyl-coA, og malonyl-coA produceres.

-Reaktioner af ruten

Hos dyr forekommer dannelsen af kulhydratkæder af fedtsyrer yderligere gennem sekventielle kondensationsreaktioner katalyseret af et multimerisk og multifunktionelt enzym kendt som fedtsyresyntase.

Dette enzym katalyserer kondensationen af en acetyl-CoA-enhed og multiple malonyl-CoA-molekyler, der er produceret fra acetyl-CoA-carboxylase-reaktionen, en proces, hvorved der frigives et molekyle CO2 for hver malonyl-CoA, tilføjer det.

De voksende fedtsyrer esterificeres til et protein kaldet "acylbærerprotein" eller ACP, som danner thioestere med acylgrupper. I E. coli er dette protein et 10 kDa polypeptid, men hos dyr er det en del af fedtsyresyntasekomplekset.

Bruddet af disse thioesterbindinger frigiver store mængder energi, hvilket termodynamisk set muliggør forekomsten af kondensationstrin i den biosyntetiske vej.

Fedtsyresyntasekompleks

Hos bakterier svarer fedtsyresyntaseaktiviteten faktisk til seks uafhængige enzymer, der bruger acetyl-coA og malonyl-coA til at danne fedtsyrerne, og som seks forskellige enzymaktiviteter er forbundet med.

Homodimerisk og multifunktionel fedtsyresyntasekompleks fra dyr (Kilde: Boehringer Ingelheim via Wikimedia Commons)

Hos pattedyr er fedtsyresyntase tværtimod et multifunktionelt homodimerisk enzymkompleks med ca. 500 kDa molekylvægt, som har seks forskellige katalytiske aktiviteter, og som acylbærerproteinet associeres med.

Trin 1: grundreaktion

Thiolgrupperne i cysteinrester, der er ansvarlige for binding af metabolske mellemprodukter til ACP-enzymet, skal fyldes inden synteseens begyndelse med de nødvendige acylgrupper.

For at gøre dette overføres acetylgruppen af acetyl-coA til thiolgruppen (-SH) af en af cysteinresterne i ACP-underenheden i fedtsyresyntase. Denne reaktion katalyseres af ACP-acyl-transferase-underenheden.

Acetylgruppen overføres derefter fra ACP til en anden cysteinrest på det katalytiske sted i en anden enzymsubenhed i komplekset kendt som p-ketoacyl-ACP-syntase. Således "primes" enzymkomplekset for at begynde syntese.

Trin 2: Overførsel af malonyl-CoA-enheder

Malonyl-CoA, der produceres af acetyl-CoA-carboxylase, overføres til thiolgruppen i ACP, og under denne reaktion går CoA-delen tabt. Reaktionen katalyseres af malonyl-ACP-transferase-underenheden i fedtsyresyntasekomplekset, der derefter producerer malonyl-ACP.

Under denne proces er malonylgruppen bundet til henholdsvis ACP og ß-ketoacyl-ACP-synthase gennem en ester og en anden sulfhydrylbinding.

Trin 3: Kondensation

Enzymet ß-ketoacyl-ACP-synthase katalyserer overførslen af den acetylgruppe, der var bundet til den i "priming" -trinnet til 2-carbonatomet i malonylgruppen, der i det foregående trin blev overført til ACP.

Under denne reaktion frigives et CO2-molekyle fra malonyl, hvilket svarer til CO2 tilvejebragt af bicarbonat i acetyl-CoA-carboxylase-carboxyleringsreaktionen. Acetoacetyl-ACP produceres derefter.

Trin 4: Reduktion

P-ketoacyl-ACP-reduktase-underenheden katalyserer den NADPH-afhængige reduktion af acetoacetyl-ACP, hvorved der dannes D-p-hydroxybutyryl-ACP.

Trin 5: dehydrering

I dette trin dannes trans-a, ß-acyl-ACP eller ∆2-umættet-acyl-ACP (cratonyl-ACP), et produkt af dehydrering af D-p-hydroxybutyryl-ACP ved hjælp af enoyl-underenheden. AVS-hydratase.

Senere reduceres cratonyl-ACP til butyryl-ACP ved en NADPH-afhængig reaktion katalyseret af enoyl-ACP-reduktase-underenheden. Denne reaktion afslutter den første af syv cyklusser, der er nødvendige for at producere palmitoyl-ACP, som er en forløber for næsten alle fedtsyrer.

Hvordan foregår de efterfølgende kondensationsreaktioner?

Butyrylgruppen overføres fra ACP til thiolgruppen i en cysteinrest i ß-ketoacyl-ACP-synthase, hvorved ACP er i stand til at acceptere en anden malonylgruppe fra malonyl-CoA.

På denne måde er reaktionen, der opstår, kondensation af malonyl-ACP med buturyl-p-ketoacyl-ACP-synthase, hvilket giver anledning til ß-ketohexanoyl-ACP + CO2.

Palmitoyl-ACP, der opstår fra de efterfølgende trin (efter tilsætningen af yderligere 5 malonylenheder) kan frigives som fri palmitinsyre takket være aktiviteten af thioesterase-enzymet, den kan overføres til CoA eller inkorporeres i phosphatidsyre for phospholipid- og triacylglyceridsyntesevej.

Struktur af palmitinsyre (Kilde: Andel, via Wikimedia Commons)

Fedtsyresyntase af de fleste organismer stopper i syntesen af palmitoyl-ACP, da det katalytiske sted for ß-ketoacyl-ACP-syntase-underenheden har en konfiguration, hvor kun fedtsyrer med denne længde kan rumme.

Hvordan dannes fedtsyrer med ulige antal kulstofatomer?

Disse er relativt almindelige i marine organismer og syntetiseres også med et fedtsyresyntasekompleks. Imidlertid forekommer "priming" -reaktionen med et længere molekyle, propionyl-ACP, med tre carbonatomer.

Hvor og hvordan dannes de længere kædede fedtsyrer?

Som omtalt fungerer palmitinsyre som en forløber for mange mættede og umættede fedtsyrer med længere kæde. Processen med "forlængelse" af fedtsyrer forekommer i mitokondrierne, mens introduktionen af umættelser forekommer i det væsentlige i det endoplasmatiske retikulum.

Mange organismer omdanner deres mættede fedtsyrer til umættede som en tilpasning til lave omgivelsestemperaturer, da dette giver dem mulighed for at holde smeltepunktet for lipider under stuetemperatur.

Egenskaber ved fedtsyrer

Mange af fedtsyrernes egenskaber afhænger af deres kædelængde og tilstedeværelsen og antallet af umættelser:

- Umættede fedtsyrer har lavere smeltepunkter end mættede fedtsyrer af samme længde.

- Længden af fedtsyrer (antallet af carbonatomer) er omvendt proportional med molekylets fluiditet eller fleksibilitet, dvs. de "kortere" molekyler er mere flydende og vice versa.

Generelt er flydende fedtstoffer sammensat af kortkædede fedtsyrer med tilstedeværelse af umættelser.

Planter har rigelige mængder af umættede fedtsyrer såvel som dyr, der lever ved meget lave temperaturer, da disse som komponenter af lipider, der er til stede i cellemembraner, giver dem større fluiditet under disse betingelser.

Under fysiologiske forhold forårsager tilstedeværelsen af en dobbeltbinding i carbonhydridkæden i en fedtsyre en krumning på ca. 30 °, hvilket får disse molekyler til at optage et større rum og mindske styrken af deres van der Waals-interaktioner.

Tilstedeværelsen af dobbeltbindinger i fedtsyrer forbundet med lipidmolekyler har direkte effekter på graden af "emballering", som de kan have i de membraner, som de hører til, og har således også virkninger på membranproteiner.

Eksempel på dannelse af en fedtsyremicelle med de carboxyliske grupper udsat for det vandige medium (Kilde: Benutzer: Anderl via Wikimedia Commons)

Opløseligheden af fedtsyrer falder, når deres kædelængde øges, så de er omvendt proportionale. I vandige og lipidblandinger forbindes fedtsyrer i strukturer kendt som miceller.

En micelle er en struktur, hvor de alifatiske kæder af fedtsyrer er "indesluttet", hvorved "vandes" alle vandmolekyler, og på hvis overflade carboxylgrupperne findes.

nomenklatur

Nomenklaturen af fedtsyrer kan være noget kompliceret, især hvis man henviser til de almindelige navne, de får, som ofte er relateret til en eller anden fysisk-kemisk egenskab, med det sted, hvor de findes eller andre egenskaber.

Mange forfattere mener, at takket være den terminale carboxylgruppe ioniseres disse molekyler ved fysiologisk pH, bør man henvise til dem som "carboxylater" under anvendelse af termineringen "ato" til dette.

I henhold til IUPAC-systemet foretages en opregning af carbonatomerne i en fedtsyre fra carboxylgruppen ved den polære ende af molekylet, og de første to carbonatomer, der er knyttet til denne gruppe, kaldes henholdsvis a og β.. Den terminale methyl i kæden indeholder carbonatomet ω.

Generelt får de i den systematiske nomenklatur navnet "det forældre" carbonhydrid (carbonhydridet med det samme antal carbonatomer), og dets slutning "o" erstattes af "oico", hvis det er en fedtsyre umættet tilføjes afslutningen "enoic".

Overvej for eksempel tilfældet med en C18 (C18) fedtsyre:

- Da carbonhydridet med det samme antal carbonatomer er kendt som octadecan, kaldes den mættede syre "octadecansyre" eller "octadecanoat", og dens almindelige navn er stearinsyre.

- Hvis det har en dobbeltbinding mellem et par carbonatomer i dens struktur, er det kendt som "octadecensyre"

- Hvis den har to dobbeltbindinger c - c, kaldes den "octadecadienoic acid", og hvis den har tre "octadecatrienoic acid".

Hvis du vil opsummere nomenklaturen, anvendes 18: 0 til 18-carbon fedtsyren og ingen dobbeltbindinger (mættet), og afhængigt af umættethedsgraden, skrives 18: 1 i stedet for nul for et molekyle med en umættelse, 18: 2 for en med to umættelser og så videre.

Hvis du vil specificere mellem hvilke carbonatomer der er dobbeltbindingen i umættede fedtsyrer, bruges symbolet with med et numerisk superskript, der angiver stedet for umættelse og præfikset "cis" eller "trans", afhængigt af konfiguration af dette.

Referencer

Badui, S. (2006). Madkemi. (E. Quintanar, red.) (4. udgave). Mexico DF: Pearson Education.
Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Biokemi (4. udg.). Boston, USA: Brooks / Cole. CENGAGE Læring.
Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokemi (3. udg.). San Francisco, Californien: Pearson.
Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28. udgave). McGraw-Hill Medical.
Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger-principper for biokemi. Omega-udgaver (5. udgave).
Rawn, JD (1998). Biokemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson forlag.
Tvrzicka, E., Kremmyda, L., Stankova, B., & Zak, A. (2011). Fedtsyrer som bioforbindelser: Deres rolle i menneskelig metabolisme, sundhed og sygdom - En gennemgang. Del 1: Klassificering, diætkilder og biologiske funktioner. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Tjekkisk Repub, 155 (2), 117–130.

FEDTSYRER: STRUKTUR, TYPER, FUNKTIONER, BIOSYNTESE - BIOLOGI - 2025