Syntéza a degradace mastných kyselin

Mastné kyseliny (fatty acids, FA) Alifatické karboxylové kyseliny, obsažené: ve formě esterů v přírodních lipidech neesterifikované v plasmě – transportované ovšem navázané na albumin! FA obsažené v přírodních tucích jsou většinou nevětvené a mají sudý počet atomů uhlíku; mohou být: nasycené nenasycené – dvojné vazby jsou v konfiguraci cis

Názvosloví mastných kyselin Název odvozen od příslušného alkanu pomocí přípony –ová Číslování uhlíků: od karboxylové skupiny (C1); následující uhlík: α Poloha dvojné vazby se udává číslem atomu uhlíku, z něhož vychází, za středníkem či za symbolem: ∆ – počítá-li se od C1 ω – počítá-li se od posledního uhlíku FA pak může být též označena dvojčíslím m:n, kde m vyjadřuje počet atomů uhlíku v molekule FA a n počet dvojných vazeb CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH=CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COOH 18:1 ∆ 9 NEBO 18:1 ω9 NEBO 18:1;9 (kys. olejová) α 1 ω ω9

Vybrané mastné kyseliny Triviální názevOznačení Palmitová16:0 Stearová18:0 Olejová18:1,∆ 9 Linolová18:2, ∆ 9,12 α-l inolenová18:3, ∆ 9,12,15 γ-l inolenová18:3, ∆ 6,9,12 Arachidonová20:4, ∆ 5,8,11,14

Vlastnosti FA Většina přírodních nenasycených FA má dvojné vazby v konfi- guraci cis (acyly na stejné straně dvojné vazby)  ohnutí molekuly:

Teplota tání roste s délkou řetězce a klesá se stupněm desaturace (membránové lipidy, které musejí být tekuté za běžných teplot, jsou více nenasycené než lipidy sloužící k uložení energie). Mastné kyseliny jsou amfipatické: mají polární (COO - ) i nepolární (uhlíkatý „ocas“) část

Triacylglyceroly Hlavní zásobní forma FA Estery glycerolu a mastných kyselin:

Syntéza mastných kyselin Hlavně v játrech, dále v tukové tkáni, mléčné žláze – vždy při přebytku kalorií Probíhá v cytoplasmě na multienzymovém polypeptidu FAS (Fatty Acid Synthase), který je aktivní jako dimer V játrech jsou z acyl-CoA a glycerol-3-fosfátu syntetizovány triacylglyceroly. Ty jsou zabudovány do lipoproteinů VLDL, které vstupují do krve

Zdrojem uhlíku pro syntézu FA je glukosa Glc → pyruvát → acetyl-CoA, oxalacetát → kondenzace na citrát Citrát je transportován z mitochondrií do cytoplasmy Citrát je v cytoplasmě štěpen zpět na acetyl-CoA a oxalacetát účinkem ATP-citrát lyasy: V cytosolu vzniká při dekarboxylaci malátu NADPH, který lze využít pro syntézu FA

I. Karboxylace acetyl-CoA na malonyl-CoA „Rate-limiting step“ biosyntézy FA, katalyzovaný acetyl-CoA karboxylasou (ACC) Reakce vyžaduje biotin a ATP

Regulace na úrovni ACC Acetyl-CoA karboxylasa je aktivována citrátem ACC je při dostatku energie (stav sytosti) aktivována defosforylací vlivem insulinu ACC je inhibována acyl-CoA s dlouhým řetězcem (palmityl- CoA)…inhibice zpětnou vazbou Glukagon řídí inhibici ACC fosfo- rylací účinkem proteinkinasy A Při hladovění je ACC inhibována fosforylací účinkem AMP- aktivované proteinkinasy (AMPK)

II. Následující reakce V cytoplasmě na Fatty Acid Synthase (FAS): každá podjednotka vykazuje 7 enzymatických aktivit a obsahuje Acyl Carrier Protein (ACP) ACP obsahuje tzv. fosfopantetheinové raménko a cysteinové raménko; obě nesou –SH skupinu

Krok 1: obsazení ramének ACP a kondenzace Acetyl z acetyl-CoA se váže na –SH skupinu cysteinového raménka ACP Malonyl z malonyl-CoA se váže na –SH skupinu fosfopantetheinového raménka ACP Acetyl kondenzuje s malonylem (na fosfopant. raménku) za odštěpení CO 2 ; vzniká čtyřuhlíkatý intermediát, uvolní se cysteinové raménko

Kroky 2 – 4 2. Redukce ketoskupiny na Cβ pomocí NADPH 3. Dehydratace 4. Redukce dvojné vazby pomocí NADPH

Opakování kroků 4C intermediát je přenesen na cysteinové raménko a kondenzuje s dalším malonylem (z fosfopant. raménka)  prodloužení o další 2C Opět redukce, dehydratace, redukce a po nich znovu kondenzace atd.

V každém cyklu se FA prodlouží o jednu dvouuhlíkatou jednotku Celkem sedmi cykly tak vzniká palmityl a uvolňuje se z FAS Hlavním zdrojem NADPH pro syntézu FA je pentosafosfátová dráha (aktivní v játrech, tukové tkáni, mléčné žláze); dalším zdrojem je dekarboxylace malátu

Elongace FA V cytosolu probíhá syntéza FA max. do C16 (palmitát) FA je v cytosolu aktivována na acyl-CoA Prodloužení FA od C10 probíhá hlavně v endoplasmatickém retikulu pomocí malonyl-CoA a NADPH:

Desaturace FA V endoplasmatickém retikulu Vyžaduje O 2, NADH a cytochrom b 5 Nejběžnější desaturace: na C9 (stearová → olejová)

Degradace FA FA = zásadní zdroj energie, zejména mezi jídly, v noci a při zvýšeném požadavku na přísun energie (cvičení) Za těchto podmínek jsou FA uvolňovány z triacylglycerolů tukové tkáně, v krvi navázány na albumin a přeneseny ke tkáním FA vstupují do cílových buněk a zde jsou aktivovány na acyl-CoA, přeneseny pomocí karnitinu do mitochondrií a oxidovány Produktem β-oxidace je acetyl-CoA, který je oxidován v citrátovém cyklu resp. v játrech z velké části přeměněn na ketolátky

Hlavní FA uvolňované z tukové tkáně pro získání energie: palmitová olejová stearová Tyto FA jsou nejhojnější v lipidech přijímaných potravou i syntetizované v lidském těle Patří mezi tzv. mastné kyseliny s dlouhým řetězcem, LCFA (long-chain fatty acids), tj. FA s C12-C20

1. Transport LCFA do buňky, aktivace FA vstupují do buňky jednak difusí plasmatickou membránou, jednak usnadněným transportem V buňce jsou FA navázány na protein(y), který pravděpodobně usnadňují jejich transport v buňce Acyl-CoA synthetasa přeměňuje FA s využitím ATP na acyl-CoA:

2. Transport LCFA do mitochondrií Přes vnitřní mitochondriální membránu jsou FA přeneseny pomocí karnitinu a tří enzymů: karnitin:palmitoyl-transferasa I (CPTI) přenáší acyl na karnitin translokasa přenáší acylkarnitin přes vnitřní Mt membránu karnitin:palmitoyl-transferasa II (CPTII) přenáší uvnitř Mt acyl z acylkarnitinu zpět na CoA acylkarnitin

3. β-oxidace LCFA v mitochondriích Postupné zkracování FA o dva uhlíky v každém cyklu Kroky cyklu: dehydrogenace pomocí FAD hydratace dehydrogenace pomocí NAD + štěpení za účasti koenzymu A

V každém cyklu je FA zkrácena o 2 uhlíky, které odstupují navá- zané na koenzym A (acetyl-CoA) Např. kyselina stearová je tedy celkem 8 cykly odbourána na 9 molekul acetyl-CoA β-oxidace produkuje také NADH a FADH 2, které jsou reoxidovány v dýchacím řetězci za tvorby ATP Koenzym A (CoASH)

Modifikace schématu katabolismu FA Popsané schéma plně vystihuje oxidaci LCFA (12-20 C) Změny se objevují u: nenasycených FA FA s lichým počtem atomů uhlíku FA se středně dlouhým řetězcem (6-12 C) peroxisomální oxidace – FA s velmi dlouhým (> 20 C) a větveným řetězcem ω-oxidace FA probíhá mitochon- driální β-oxidace probíhá jiný typ oxidace

Oxidace nenasycených FA Nejzastoupenější nenasycené FA v potravě: olejová, linolová Jejich dvojné vazby musejí být izomerizovány na vazby trans mezi 2. a 3. uhlíkem, nebo redukovány

Oxidace FA s lichým počtem atomů uhlíku β-oxidace probíhá, dokud není FA zkrácena na 5 uhlíků a štěpením nevzniká acetyl-CoA a propionyl-CoA Propionyl-CoA je přeměněn na methylmalonyl-CoA a ten na sukcinyl- CoA – 2. reakce vyžaduje vitamín B 12 a poskytuje sukcinyl-CoA pro CC Vitamín B 12

FA se středně dlouhým řetězcem (C6-C12) Tyto FA jsou rozpustnější než LCFA a nejsou skladovány v triacylglycerolech tukové tkáně Po jídle se dostávají do krve a portální žilou do jater V játrech jsou monokarboxylátovým přenašečem transportovány do mitochondrií, kde jsou aktivovány na acyl-CoA Poté vstupují do β-oxidace

Peroxisomální oxidace FA A) velmi dlouhé FA – VLCFA („very-long-chain FA“, >20 C) – opět β-oxidace, ale kroky poněkud odlišné od mitochondriální sekvence: acyl-CoA je do peroxisomu transportován bez účasti karnitinu 1. dehydrogenace: FADH 2 redukuje O 2, elektrony nevstupují do dýchacího řetězce  není spojeno s produkcí energie zbylé tři kroky jsou stejné jako u β-oxidace

Zastavuje se, když je FA zkrácena na 4-6 C Acetyly z acetyl-CoA i zkrácená FA mohou být v peroxisomu přeneseny na karnitin za vzniku acetylkarnitinu resp. acylkarnitinu Acylkarnitin se dostává do mitochondrií, kde je konvertován na acyl-CoA, jenž vstupuje do β-oxidace

B) dlouhé větvené FA: β-oxidace je blokována alkylem na Cβ  dochází k α -oxidaci: hydroxylace C α a odštěpení původní karboxylové skupiny (CO 2 )  methyl se dostává do polohy α Po zkrácení na cca 8 uhlíků je FA přenesena do mitochondrií ve formě acylkarnitinu a zde je β-oxidace dokončena

Refsumova nemoc Fytanová kyselina, produkt metabolismu fytolu, je obsažena v mléce a živočišných tucích U pacientů je snížena aktivita peroxisomální α -hydroxylasy a kys. fytanová se akumuluje v tkáních a séru To má za následek neurologické problémy: třes, poruchy sluchu, chabé noční vidění, ataxie. Intervence: omezení příjmu mléčných produktů a masa z přežvýkavců v potravě

ω-oxidace FA V endoplasmatickém retikulu Nejprve hydroxylace na Cω pomocí cytochromu P450, kyslíku a NADPH, pak dehydrogenace na karboxyskupinu Vzniká dikarboxylová kyselina, která může vstoupit do β-oxidace příp. být po zkrácení na 6-10 C vyloučena močí

Peroxisomální a mikrosomální oxidace FA slouží ke: zkrácení dlouhých FA a přeměně větvených FA na produkty, které mohou být degradovány (mitochondriální β-oxidací) snížení hladin nerozpustných FA a xenobiotik s podobnou strukturou

Regulace ß-oxidace 1) Energetickými nároky buňky (tj. hladinou ATP, NADH: FA nemohou být oxidovány rychleji, než jsou NADH a FAHD 2 reoxidovány v dýchacím řetězci) 2) Na úrovní CPTI: CPTI je inhibována malonyl-CoA, který vzniká v syntéze FA účinkem acetyl-CoA karboxylasy (  viz regulace ACC)  je- li aktivní syntéza FA, je inhibována jejich oxidace! acetyl-CoA karboxylace ACC malonyl-CoA CPTIβ-oxidace

Ketolátky V játrech je acetyl-CoA buď oxidován v citrátovém cyklu, nebo v mitochondriích přeměněn na ketolátky, které jsou uvolněny do krve a tou se dostávají ke tkáním Ketolátky: aceton acetoacetát β-D-hydroxybutyrát Ketolátky jsou rozpustnými ekvivalenty FA

Tvorba ketolátek Acetoacetát může být redukován na β-D-hydroxybutyrát účinkem β-hydroxybutyrátdehydrogenasy: Nebo může acetoacetát dekarboxylovat na aceton

Přeměna ketolátek na acetylkoenzym A Ketolátky slouží jako palivo pro mnoho tkání, především srdce a kosterní sval; za hladovění se stávají hlavním zdrojem energie pro mozek

Játra uvolňují AcAc a HB a ty jsou krví přeneseny ke tkáním a zde metabolizovány:

Syntéza ketolátek se zvyšuje, když roste přísun FA: hladovění delší cvičení vysokotuková nebo nízkosacharidová dieta Za těchto stavů jsou ketolátky některými tkáněmi oxidovány přednostně (kosterní sval, buňky střevní mukosy, adipocyty, mozek, srdce…) s cílem šetřit glukosu a svalové proteiny Diabetes mellitus I, dlouhodobé hladovění  výrazný nárůst produkce ketolátek  ketonemie, ketonurie, ketoacidosa