The sintesis asam lemak adalah proses dimana komponen fundamental yang paling lipid penting dalam sel (asam lemak) diproduksi, yang berpartisipasi dalam berbagai fungsi seluler sangat penting.
Asam lemak adalah molekul alifatik, yang pada dasarnya tersusun dari atom karbon dan hidrogen yang terikat satu sama lain dalam cara yang kurang lebih linier. Mereka memiliki gugus metil di satu ujung dan gugus karboksilat asam di ujung lainnya, yang disebut "asam lemak".
Ringkasan sintesis asam lemak (Sumber: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) melalui Wikimedia Commons)
Lipid adalah molekul yang digunakan oleh sistem biosintetik seluler yang berbeda untuk pembentukan molekul lain yang lebih kompleks seperti:
- membran fosfolipid
- trigliserida untuk penyimpanan energi dan
- jangkar dari beberapa molekul khusus yang ditemukan di permukaan banyak jenis sel (eukariotik dan prokariotik)
Senyawa ini dapat ada sebagai molekul linier (dengan semua atom karbon jenuh dengan molekul hidrogen), tetapi senyawa yang memiliki rantai lurus dan beberapa saturasi juga dapat diamati, yaitu dengan ikatan rangkap antara atom karbonnya.
Asam lemak jenuh juga dapat ditemukan dengan rantai bercabang, yang strukturnya sedikit lebih kompleks.
Karakteristik molekuler asam lemak sangat penting untuk fungsinya, karena banyak sifat fisikokimia dari molekul yang dibentuknya bergantung padanya, terutama titik lelehnya, derajat pengemasannya, dan kapasitasnya untuk membentuk lapisan ganda.
Jadi, sintesis asam lemak adalah materi yang sangat diatur, karena merupakan rangkaian peristiwa berurutan yang penting bagi sel dari banyak sudut pandang.
Dimana sintesis asam lemak terjadi?
Pada sebagian besar organisme hidup, sintesis asam lemak terjadi di kompartemen sitosol, sedangkan degradasi terjadi terutama antara sitosol dan mitokondria.
Prosesnya bergantung pada energi yang terkandung dalam ikatan ATP, pada daya reduksi NADPH (biasanya berasal dari jalur pentosa fosfat), pada kofaktor biotin, pada ion bikarbonat (HCO3-) dan pada ion mangan.
Pada hewan mamalia, organ utama untuk sintesis asam lemak adalah hati, ginjal, otak, paru-paru, kelenjar susu dan jaringan adiposa.
Substrat langsung untuk sintesis asam lemak de novo adalah asetil-KoA dan produk akhirnya adalah molekul palmitat.
Asetil-KoA berasal langsung dari pemrosesan zat antara glikolitik, itulah sebabnya diet tinggi karbohidrat mendorong sintesis lipid (lipogenesis) ergo, juga asam lemak.
Enzim terlibat
Asetil-KoA adalah blok sintesis dua karbon yang digunakan untuk pembentukan asam lemak, karena beberapa molekul ini terhubung secara berurutan ke molekul malonil-KoA, yang dibentuk oleh karboksilasi asetil-KoA.
Enzim pertama dalam rute tersebut, dan salah satu yang paling penting dari sudut pandang pengaturannya, adalah enzim yang bertanggung jawab atas karboksilasi asetil-KoA, yang dikenal sebagai asetil-KoA karboksilase (ACC), yang merupakan kompleks senyawa enzimatik terdiri dari 4 protein dan menggunakan biotin sebagai kofaktornya.
Namun, dan terlepas dari perbedaan struktural antara spesies yang berbeda, enzim sintase asam lemak bertanggung jawab atas reaksi biosintetik utama.
Enzim ini, pada kenyataannya, merupakan kompleks enzim yang terdiri dari monomer yang memiliki 7 aktivitas enzimatik berbeda, yang diperlukan untuk pemanjangan asam lemak saat "lahir".
7 aktivitas enzim ini dapat didaftar sebagai berikut:
- ACP : protein pembawa kelompok asil
- Asetil-KoA-ACP transasetilase (AT)
- β-ketoasil-ACP sintase (KS)
- Malonyl-CoA-ACP transferase (MT)
- β-ketoasil-ACP reduktase (KR)
- β-hydroxyacyl-ACP dehydratase (HD)
- Enoyl-ACP reduktase (ER)
Dalam beberapa organisme seperti bakteri, misalnya, kompleks sintase asam lemak terdiri dari protein independen yang berasosiasi satu sama lain, tetapi dikodekan oleh gen yang berbeda (sistem sintase asam lemak tipe II).
Enzim sintase asam lemak ragi (Sumber: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / Domain publik, melalui Wikimedia Commons)
Namun, pada banyak eukariota dan beberapa bakteri, multienzim mengandung beberapa aktivitas katalitik yang dipisahkan menjadi domain fungsional yang berbeda, dalam satu atau lebih polipeptida, tetapi dapat dikodekan oleh gen yang sama (sistem sintase asam lemak tipe I).
Tahapan dan reaksi
Sebagian besar studi yang dilakukan mengenai sintesis asam lemak melibatkan temuan yang dibuat dalam model bakteri, namun mekanisme sintesis organisme eukariotik juga telah dipelajari secara mendalam.
Penting untuk disebutkan bahwa sistem sintase asam lemak tipe II dicirikan bahwa semua intermediet asil lemak secara kovalen terkait dengan protein asam kecil yang dikenal sebagai protein transporter asil (ACP), yang memindahkannya dari satu enzim ke enzim berikutnya.
Sebaliknya, pada eukariota, aktivitas ACP merupakan bagian dari molekul yang sama, hal ini dipahami bahwa enzim yang sama memiliki situs khusus untuk pengikatan zat antara dan transpornya melalui domain katalitik yang berbeda.
Penyatuan antara protein atau bagian ACP dan gugus asil lemak terjadi melalui ikatan tioester antara molekul-molekul ini dan gugus prostetik 4'-fosfopantethein (asam pantotenat) dari ACP, yang menyatu dengan gugus karboksil dari asil lemak.
- Awalnya, enzim asetil-KoA karboksilase (ACC) bertanggung jawab untuk mengkatalisasi langkah pertama dari "komitmen" dalam sintesis asam lemak yang, seperti disebutkan, melibatkan karboksilasi molekul asetil-KoA untuk membentuk perantara 3 atom karbon yang dikenal sebagai malonyl-CoA.
Kompleks sintase asam lemak menerima gugus asetil dan malonil, yang harus "mengisi" situs "tiol" -nya dengan benar.
Hal ini terjadi awalnya dengan transfer asetil-KoA ke kelompok SH sistein dalam sintase enzim β-ketoasil-ACP, reaksi yang dikatalisis oleh transasetilase asetil-KoA-ACP.
Gugus malonil dipindahkan dari malonil-KoA ke gugus SH dari protein ACP, suatu peristiwa yang dimediasi oleh enzim transferase malonil-KoA-ACP, membentuk malonil-ACP.
- Tahapan inisiasi pemanjangan asam lemak saat lahir terdiri dari kondensasi malonil-ACP dengan molekul asetil-KoA, reaksi diarahkan oleh enzim dengan aktivitas sintase β-ketoasil-ACP. Dalam reaksi ini, asetoasetil-ACP kemudian terbentuk dan molekul CO2 dilepaskan.
- Reaksi perpanjangan terjadi dalam siklus di mana 2 atom karbon ditambahkan pada satu waktu, di mana setiap siklus terdiri dari kondensasi, reduksi, dehidrasi, dan peristiwa reduksi kedua:
- Kondensasi: gugus asetil dan malonil memadat membentuk asetoasetil-ACP
- Reduksi gugus karbonil: gugus karbonil dari karbon 3 asetoasetil-ACP berkurang, membentuk D-β-hidroksibutiril-ACP, reaksi yang dikatalisis oleh β-ketoasil-ACP-reduktase, yang menggunakan NADPH sebagai donor elektron.
- Dehidrasi: hidrogen antara karbon 2 dan 3 molekul sebelumnya dihilangkan, membentuk ikatan rangkap yang berakhir dengan produksi trans -∆2-butenoyl-ACP. Reaksi ini dikatalisis oleh β-hidroksiasil-ACP dehydratase.
- Reduksi ikatan rangkap: ikatan rangkap trans-del2-butenoyl-ACP direduksi menjadi butyryl-ACP oleh aksi reduktase enoyl-ACP, yang juga menggunakan NADPH sebagai reduktor.
Untuk melanjutkan pemanjangan, molekul malonil baru harus mengikat kembali ke bagian ACP dari kompleks sintase asam lemak dan dimulai dengan kondensasinya dengan gugus butiril terbentuk pada siklus sintesis pertama.
Struktur palmitat (Sumber: Edgar181 / Domain publik, melalui Wikimedia Commons)
Pada setiap langkah perpanjangan, molekul malonil-KoA baru digunakan untuk menumbuhkan rantai menjadi 2 atom karbon dan reaksi ini diulangi sampai panjang yang tepat (16 atom karbon) tercapai, setelah itu enzim tioesterase melepaskan asam lemak lengkap dengan hidrasi.
Palmitat dapat diproses lebih lanjut oleh berbagai jenis enzim yang memodifikasi karakteristik kimianya, yaitu dapat menyebabkan ketidakjenuhan, memperpanjang panjangnya, dll.
Peraturan
Seperti banyak jalur biosintetik atau degradasi, sintesis asam lemak diatur oleh berbagai faktor:
- Itu tergantung pada keberadaan ion bikarbonat (HCO3-), vitamin B (biotin) dan asetil-KoA (selama langkah awal jalur, yang melibatkan karboksilasi molekul asetil-KoA melalui perantara karboksilasi biotin untuk membentuk malonyl-CoA).
- Ini adalah jalur yang terjadi sebagai respons terhadap karakteristik energi sel, karena bila ada cukup "bahan bakar metabolik", kelebihannya diubah menjadi asam lemak yang disimpan untuk oksidasi selanjutnya pada saat defisit energi.
Dalam hal regulasi enzim asetil-KoA karboksilase, yang mewakili langkah pembatas dari seluruh jalur, ia dihambat oleh palmitoil-KoA, produk utama sintesis.
Aktivator alosteriknya, di sisi lain, adalah sitrat, yang mengarahkan metabolisme dari oksidasi ke sintesis untuk disimpan.
Ketika konsentrasi mitokondria asetil-KoA dan ATP meningkat, sitrat diangkut ke sitosol, di mana ia merupakan prekursor untuk sintesis sitosol asetil-KoA dan sinyal aktivasi alosterik untuk asetil-KoA karboksilase.
Enzim ini juga dapat diatur oleh fosforilasi, suatu peristiwa yang dipicu oleh aksi hormonal glukagon dan epinefrin.
Referensi
- McGenity, T., Van Der Meer, JR, & de Lorenzo, V. (2010). Buku Pegangan hidrokarbon dan mikrobiologi lipid (h. 4716). KN Timmis (Ed.). Berlin: Springer.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA, & Rodwell, VW (2014). Biokimia bergambar Harper. Bukit Mcgraw.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Prinsip biokimia Lehninger (hlm. 71-85). New York: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Metabolisme asam lemak dan pengaturannya. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Biokimia-edisi Internasional. North Carolina: Neil Patterson Publishers, 5.