ในชีวเคมีการสังเคราะห์กรดไขมันคือการสร้างกรดไขมันจากอะซิติลโคเอและNADPHผ่านการทำงานของเอนไซม์ที่เรียกว่ากรดไขมันซินเทสกระบวนการนี้เกิดขึ้นใน ไซโท พลาซึมของเซลล์อะซิติลโคเอส่วนใหญ่ที่ถูกแปลงเป็นกรดไขมันได้มาจากคาร์โบไฮเดรตผ่านทางวิถีไกลโคไลติก วิถีไกลโคไลติกยังให้กลีเซอรอลซึ่งกรดไขมันสามชนิดสามารถรวมกันได้ (โดยอาศัยพันธะเอส เทอร์ ) เพื่อสร้างไตรกลีเซอไรด์ (เรียกอีกอย่างว่า "ไตรอะซิลกลีเซอรอล" เพื่อแยกความแตกต่างจาก "กรดไขมัน" หรือเรียกง่ายๆ ว่า "ไขมัน") ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของ กระบวนการ ลิโปเจนิกเมื่อกรดไขมันเพียงสองชนิดรวมกับกลีเซอรอลและกลุ่มแอลกอฮอล์ ที่สาม ถูกฟอสโฟรีเลตด้วยกลุ่ม เช่นฟอสฟาติดิลโค ลีน ก็จะเกิดฟอสโฟลิ ปิดขึ้น ฟอสโฟลิปิดเป็นส่วนประกอบหลักของชั้นไขมันที่ประกอบเป็นเยื่อหุ้มเซลล์และล้อมรอบออร์แกเนลล์ภายในเซลล์ (เช่น นิวเคลียส ของเซลล์ ไมโต คอนเดรียเอนโดพลาสมิก เรติคูลัมอุปกรณ์กอลจิเป็นต้น) นอกจากการสังเคราะห์กรดไขมันในไซโทซอลแล้ว ยังมีการสังเคราะห์กรดไขมันในไมโตคอนเดรีย (mtFASII) ซึ่งมาโลนิล-CoAจะถูกสร้างขึ้นจากกรดมาโลนิกด้วยความช่วยเหลือของมาโลนิล-CoA ซินเทส ( ACSF3 ) ซึ่งจะกลายเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายออกตาโนอิล-ACP (C8) ผ่านขั้นตอนกลางเพิ่มเติม[1]
กรดไขมันสายตรงมี 2 ประเภท ได้แก่ กรดไขมันอิ่มตัวและกรดไขมันไม่อิ่มตัว กรดไขมันไม่อิ่มตัวเกิดจากกรดไขมันอิ่มตัว
การสังเคราะห์กรดไขมันสายตรงเกิดขึ้นผ่านปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นซ้ำๆ หกปฏิกิริยาดังแสดงด้านล่าง จนกระทั่งผลิตกรดปาล์มิติก 16 คาร์บอนได้ [2] [3]
แผนภาพที่นำเสนอแสดงให้เห็นวิธีการสังเคราะห์กรดไขมันในจุลินทรีย์และรายการเอนไซม์ที่พบในEscherichia coli [ 2]ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นโดยกรดไขมันซินเทส II (FASII) ซึ่งโดยทั่วไปประกอบด้วยเอนไซม์หลายชนิดที่ทำหน้าที่เป็นสารเชิงซ้อน FASII พบได้ในโพรคาริโอตพืช เชื้อรา และปรสิต รวมถึงในไมโตคอนเดรีย [ 4]
ในสัตว์และเชื้อราบางชนิด เช่น ยีสต์ ปฏิกิริยาเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับกรดไขมันซินเทส I (FASI) ซึ่งเป็นโปรตีนไดเมอร์ขนาดใหญ่ที่มีกิจกรรมเอนไซม์ทั้งหมดที่จำเป็นในการสร้างกรดไขมัน FASII มีประสิทธิภาพน้อยกว่า FASI อย่างไรก็ตาม FASII ช่วยให้เกิดโมเลกุลได้มากขึ้น รวมถึงกรดไขมัน "สายกลาง" ผ่านการยุติสายโซ่ในระยะเริ่มต้น[4]
เมื่อก่อตัวแล้ว กรดไขมันคาร์บอน 16:0 สามารถเปลี่ยนแปลงได้หลายอย่าง ส่งผลให้เกิดการเสื่อมสภาพและ/หรือการยืดออกการยืดออกให้เป็นสเตียเรต (18:0) ส่วนใหญ่เกิดขึ้นใน ER โดยเอนไซม์ที่ผูกติดกับเยื่อหุ้มเซลล์หลายชนิด ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องในกระบวนการยืดออกนั้นโดยหลักแล้วเหมือนกับที่ดำเนินการโดย FAS แต่ขั้นตอนหลักสี่ขั้นตอนต่อเนื่องของการยืดออกนั้นดำเนินการโดยโปรตีนแต่ละตัว ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกันทางกายภาพ[5] [6]
ขั้นตอน | เอนไซม์ | ปฏิกิริยา | คำอธิบาย |
---|---|---|---|
(ก) | อะซิติล-โคเอ:เอซีพี ทรานซิเลส | กระตุ้นอะซิติล-โคเอเพื่อทำปฏิกิริยากับมาโลนิล-เอซีพี | |
(ข) | มาโลนิล-โคเอ:เอซีพี ทรานสอะซิเลส | กระตุ้นมาโลนิล-CoA เพื่อทำปฏิกิริยากับอะซิติล-ACP | |
(ค) | 3-คีโตเอซิล-เอซีพีซินเทส | ควบแน่นโซ่อะซิลที่ผูกกับ ACP ด้วยมาโลนิล-ACP ที่ขยายโซ่ | |
(ง) | 3-คีโตเอซิล-เอซีพี รีดักเตส | ลดกลุ่มคีโต 3 ให้เป็นไฮดรอกซิล | |
(ง) | 3-ไฮดรอกซีเอซิล เอซีพี ดีไฮเดรซ | กำจัดน้ำออกจากไฮดรอกซิล | |
(ฉ) | เอโนอิล-เอซีพี รีดักเตส | ลดพันธะคู่ C2-C3 | |
คำย่อ : ACP – Acyl carrier protein , CoA – Coenzyme A , NADP – Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate |
ในการสังเคราะห์ไขมัน ตัวรีดักชันคือNADPHในขณะที่NADเป็นตัวออกซิไดซ์ในการออกซิเดชันเบตา (การสลายกรดไขมันเป็นอะซิติลโคเอ) ความแตกต่างนี้เป็นตัวอย่างหลักการทั่วไปที่ NADPH ถูกใช้ในระหว่างปฏิกิริยาชีวสังเคราะห์ ในขณะที่ NADH ถูกสร้างขึ้นในปฏิกิริยาที่ให้พลังงาน[7] (ดังนั้น NADPH จึงจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์คอเลสเตอรอลจากอะซิติลโคเอด้วย ในขณะที่ NADH ถูกสร้างขึ้นระหว่างการไกลโคไลซิส ) แหล่งที่มาของ NADPH มีอยู่สองประการ เมื่อมาเลตถูกดีคาร์บอกซิเลตแบบออกซิเดชันโดย "เอนไซม์มาลิกที่เชื่อมโยงกับ NADP + " เพื่อสร้างไพรูเวต CO 2และ NADPH จะถูกสร้างขึ้น NADPH ยังถูกสร้างขึ้นโดยเส้นทางเพนโทสฟอสเฟตซึ่งเปลี่ยนกลูโคสเป็นไรโบส ซึ่งสามารถใช้ในการสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์และกรดนิวคลีอิกหรือสามารถย่อยเป็นไพรูเวตได้[7]
ในมนุษย์ กรดไขมันสร้างขึ้นจากคาร์โบไฮเดรตส่วนใหญ่ในตับและเนื้อเยื่อไขมันรวมทั้งในต่อมน้ำนมในระหว่างให้นมบุตร
ไพรูเวตที่ผลิตโดยไกลโคไลซิสเป็นตัวกลางที่สำคัญในการแปลงคาร์โบไฮเดรตเป็นกรดไขมันและคอเลสเตอรอล[7]ซึ่งเกิดขึ้นผ่านการแปลงไพรูเวตเป็นอะซิติล-CoA ในไมโตคอนเดรีย อย่างไรก็ตาม อะซิติล-CoA นี้จำเป็นต้องถูกขนส่งไปยังไซโตซอลซึ่งเกิดการสังเคราะห์กรดไขมันและคอเลสเตอรอล ซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นโดยตรงได้ เพื่อให้ได้อะซิติล-CoA ในไซโตซอล ซิเตรต (ซึ่งผลิตขึ้นโดยการควบแน่นของอะซิติล-CoA กับออกซาโลอะซีเตท) จะถูกกำจัดออกจากวงจรกรดซิตริกและถูกส่งผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นในไปยังไซโตซอล[7]ที่นั่น จะถูกแยกออกโดยATP ซิเตรตไลเอสเป็นอะซิติล-CoA และออกซาโลอะซีเตท ออกซาโลอะซีเตทสามารถใช้สำหรับการสร้างกลูโคสใหม่ (ในตับ) หรือสามารถส่งกลับเข้าไปในไมโตคอนเดรียเป็นมาเลตได้[8]อะซิติล-CoA ในไซโทซอลจะถูกคาร์บอกซิเลตโดยอะซิติล-CoA คาร์บอกซิเลสไปเป็นมาโลนิล-CoAซึ่งเป็นขั้นตอนแรกที่ดำเนินการในการสังเคราะห์กรดไขมัน[8] [9]
เชื้อเพลิงหลักที่เก็บไว้ในร่างกายของสัตว์คือไขมัน ไขมันของมนุษย์ที่เป็นผู้ใหญ่วัยหนุ่มสาวจะเก็บไว้โดยเฉลี่ยประมาณ 15-20 กิโลกรัม (33-44 ปอนด์) แต่จะแตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับอายุ เพศ และลักษณะเฉพาะของแต่ละบุคคล[10]ในทางตรงกันข้าม ร่างกายมนุษย์จะเก็บไกลโคเจน ได้เพียงประมาณ 400 กรัม (0.9 ปอนด์) ซึ่ง 300 กรัม (0.7 ปอนด์) จะถูกล็อกไว้ในกล้ามเนื้อโครงร่างและร่างกายไม่สามารถใช้งานได้ทั้งหมด ไกลโคเจนประมาณ 100 กรัม (0.2 ปอนด์) ที่เก็บไว้ในตับจะหมดลงภายในหนึ่งวันหลังจากอดอาหาร[11]หลังจากนั้น กลูโคสที่ปล่อยออกมาในเลือดโดยตับเพื่อให้เนื้อเยื่อของร่างกายใช้โดยทั่วไปจะต้องสังเคราะห์จากกรดอะมิโนกลูโคเจนิก และ สารตั้งต้นกลูโคเจนิกอื่นๆ ไม่กี่ชนิดซึ่งไม่มีกรดไขมัน[12]
กรดไขมันจะถูกย่อยสลายเป็นอะซิติล-CoA โดยอาศัยกระบวนการออกซิเดชันเบตาภายในไมโตคอนเดรีย ในขณะที่กรดไขมันจะถูกสังเคราะห์จากอะซิติล-CoA นอกไมโตคอนเดรียในไซโทซอล ทั้งสองเส้นทางมีความแตกต่างกัน ไม่เพียงแต่ในสถานที่ที่เกิดขึ้นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นและสารตั้งต้นที่ใช้ด้วย เส้นทางทั้งสองนี้ยับยั้งซึ่งกันและกัน โดยป้องกันไม่ให้อะซิติล-CoA ที่ผลิตขึ้นจากกระบวนการออกซิเดชันเบตาเข้าสู่เส้นทางสังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยาอะซิติล-CoA คาร์บอก ซิเลส [12]นอกจากนี้ยังไม่สามารถแปลงเป็นไพรูเวต ได้ เนื่องจาก ปฏิกิริยาดี คาร์บอกซิเลชันของไพรูเวต นั้น ไม่สามารถย้อนกลับได้[11]แต่กลับควบแน่นกับออกซาโลอะซีเตทเพื่อเข้าสู่วงจรกรดซิตริก ในแต่ละรอบของวงจร อะตอมคาร์บอน 2 ตัวจะออกจากวงจรในรูปของ CO 2ในปฏิกิริยาดีคาร์บอกซิเลชันที่เร่งปฏิกิริยาโดยไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนสและอัลฟา-คีโตกลูทาเรตดีไฮโดรจีเนส ดังนั้นในแต่ละรอบของวงจรกรดซิตริกจะออก ซิไดซ์หน่วยอะซิติล-โคเอในขณะที่สร้างโมเลกุลออกซาโลอะซีเตตซึ่งอะซิติล-โคเอได้รวมเข้าด้วยกันในตอนแรก เพื่อสร้างกรดซิต ริก ปฏิกิริยาดีคาร์บอกซิเลชันจะเกิดขึ้นก่อน ที่จะสร้าง มาเลตในวงจร มาเลตเป็นสารชนิดเดียวที่สามารถกำจัดออกจากไมโตคอนเดรียเพื่อเข้าสู่เส้นทางกลูโคเนเจนิกเพื่อสร้างกลูโคสหรือไกลโคเจนในตับหรือเนื้อเยื่ออื่น ๆ[12]ดังนั้นจึงไม่สามารถแปลงกรดไขมันสุทธิเป็นกลูโคสได้
มีเพียงพืชเท่านั้นที่มีเอนไซม์ที่สามารถเปลี่ยนอะซิติลโคเอให้เป็นออกซาโลอะซีเตตซึ่งจากนั้นมาเลตจะถูกสร้างขึ้นเพื่อเปลี่ยนเป็นกลูโคสในที่สุด[12]
อะซิติล-CoA ถูกสร้างขึ้นเป็นมาโลนิล-CoA โดยอะซิติล-CoA คาร์บอกซิเลสซึ่งในจุดนี้ มาโลนิล-CoA ถูกกำหนดให้ป้อนเข้าสู่เส้นทางการสังเคราะห์กรดไขมัน อะซิติล-CoA คาร์บอกซิเลสเป็นจุดควบคุมในการสังเคราะห์กรดไขมันสายตรงอิ่มตัว และอยู่ภายใต้การควบคุม ทั้ง ฟอสโฟรีเล ชัน และ อัลโลสเตอริก การควบคุมโดยการฟอสโฟรีเลชันเกิดขึ้นส่วนใหญ่ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ในขณะที่การควบคุมอัลโลสเตอริกเกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ การควบคุมอัลโลสเตอริกเกิดขึ้นโดยการยับยั้งป้อนกลับโดยปาล์มิโตอิล-CoA และการกระตุ้นโดยซิเตรต เมื่อมีปาล์มิโตอิล-CoA ในระดับสูง ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการสังเคราะห์กรดไขมันอิ่มตัว ปาล์มิโตอิล-CoA จะทำให้อะซิติล-CoA คาร์บอกซิเลสไม่ทำงานเพื่อป้องกันการสะสมของกรดไขมันในเซลล์ ซิเตรตจะทำหน้าที่กระตุ้นอะซิติล-CoA คาร์บอกซิเลสภายใต้ระดับสูง เนื่องจากระดับสูงบ่งชี้ว่ามีอะซิติล-CoA เพียงพอที่จะป้อนเข้าสู่วงจรเครบส์และรักษาพลังงาน[13]
ระดับอินซูลินในพลาสมาในเลือดที่สูง (เช่น หลังอาหาร) ทำให้เกิดการดีฟอสโฟรีเลชันของอะซิทิลโคเอคาร์บอกซิเลส ทำให้เกิดการสร้างมาโลนิลโคเอจากอะซิทิลโคเอ และส่งผลให้คาร์โบไฮเดรตถูกเปลี่ยนให้เป็นกรดไขมันในที่สุด ในขณะที่เอพิเนฟรินและกลูคากอน (ซึ่งถูกปล่อยออกมาในเลือดระหว่างการอดอาหารและออกกำลังกาย) ทำให้เกิดการฟอสโฟรีเลชันของเอนไซม์นี้ ทำให้เกิดการไลโปเจเน ซิส โดยส่งเสริมให้เกิดการออกซิไดซ์กรดไขมันผ่านเบตาออกซิเดชัน [ 7] [9]
แบคทีเรียหลายชนิดใช้เส้นทางที่ไม่มีออกซิเจนในการสังเคราะห์กรดไขมันไม่อิ่มตัว เส้นทางนี้ไม่ใช้ออกซิเจนและต้องอาศัยเอนไซม์เพื่อแทรกพันธะคู่ก่อนการยืดออกโดยใช้กลไกการสังเคราะห์กรดไขมันปกติ ในEscherichia coliเส้นทางนี้เป็นที่เข้าใจกันดี
แบคทีเรียส่วนใหญ่ที่ผ่านการทำให้เสียสภาพแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะมีโฮโมล็อกของ FabA และ FabB [16]คลอสตริเดียเป็นข้อยกเว้นหลัก แบคทีเรียเหล่านี้มีเอนไซม์ชนิดใหม่ที่ยังไม่ได้ระบุชนิด ซึ่งทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะคู่ซิส[15]
เส้นทางนี้ผ่านการควบคุมการถอดรหัสโดยFadRและ FabR โดย FadR เป็นโปรตีนที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางกว่าและมีลักษณะการทำงานแบบสองหน้าที่ โดยทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นการถอดรหัสของfabAและfabBและเป็นตัวกดการทำงาน ของ เรกูลอน β-oxidation ในทางตรงกันข้าม FabR ทำหน้าที่เป็นตัวกดการทำงานของการถอดรหัสของ fabA และ fabB [14]
การลดความอิ่มตัวด้วยออกซิเจนเป็นกระบวนการที่แพร่หลายที่สุดในการสังเคราะห์กรดไขมันไม่อิ่มตัว ซึ่งใช้ในยูคาริโอตทั้งหมดและโพรคาริโอตบางส่วน กระบวนการนี้ใช้เอนไซม์ ดีซาทูเรส ในการสังเคราะห์กรดไขมันไม่อิ่มตัวจากสารตั้งต้นของกรดไขมันอิ่มตัวที่มีความยาวเต็ม[17]เอนไซม์ดีซาทูเรสทั้งหมดต้องการออกซิเจนและสุดท้ายจะบริโภค NADH แม้ว่าการลดความอิ่มตัวจะเป็นกระบวนการออกซิเดชันก็ตาม เอนไซม์ดีซาทูเรสมีความเฉพาะเจาะจงสำหรับพันธะคู่ที่มันเหนี่ยวนำในสารตั้งต้น ในแบคทีเรียBacillus subtilisเอนไซม์ดีซาทูเรส Δ 5 -Des มีความเฉพาะเจาะจงสำหรับเหนี่ยวนำพันธะซิส-คู่ที่ ตำแหน่งΔ 5 [8] [17] Saccharomyces cerevisiae มี เอนไซม์ดีซาทูเรสหนึ่งชนิดคือ Ole1p ซึ่งเหนี่ยวนำพันธะซิส-คู่ที่ Δ 9 [8]
ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ภาวะออกซิเจนต่ำจะถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์สามชนิดที่เกาะติดกับเยื่อหุ้มเซลล์ ( NADH-cytochrome b 5 reductase, cytochrome b 5และdesaturase ) เอนไซม์เหล่านี้ทำให้โมเลกุลของออกซิเจนO
2เพื่อโต้ตอบกับโซ่ไขมันอิ่มตัวอะซิล-CoA โดยสร้างพันธะคู่และโมเลกุลน้ำสองโมเลกุลH
2O . อิเล็กตรอนสองตัวมาจาก NADH + H-
และสองจากพันธะเดี่ยวในห่วงโซ่กรดไขมัน[7]อย่างไรก็ตาม เอนไซม์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเหล่านี้ไม่สามารถสร้างพันธะคู่ที่อะตอมคาร์บอนเกิน C-9 ในห่วงโซ่กรดไขมันได้[nb 1] .) ดังนั้น สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจึงไม่สามารถสังเคราะห์ลิโนเลตหรือลิโนเลเนต (ซึ่งมีพันธะคู่ที่ตำแหน่ง C-12 (= Δ 12 ) หรือ C-12 และ C-15 (= Δ 12และ Δ 15 ) ตามลำดับ เช่นเดียวกับที่ตำแหน่ง Δ 9 ) หรือ กรดอะราคิโดนิกที่ไม่อิ่มตัวเชิงซ้อน 20 คาร์บอนที่ได้มาจากลิโนเลต ทั้งหมดนี้เรียกว่ากรดไขมันจำเป็นซึ่งหมายความว่าสิ่งมีชีวิตต้องการ แต่สามารถได้รับจากอาหารเท่านั้น (กรดอะราคิโดนิกเป็นสารตั้งต้นของพรอสตาแกลนดินซึ่งทำหน้าที่หลากหลายในฐานะฮอร์โมนในท้องถิ่น ) [7]
กรดไขมันสายคี่ (OCFA) คือกรดไขมันที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนเป็นจำนวนคี่ OCFA ที่พบมากที่สุดคืออนุพันธ์ C15 และ C17 อิ่มตัว ซึ่งได้แก่กรดเพนตาเดกาโนอิกและกรดเฮปตาเดกาโนอิก ตามลำดับ [18]การสังเคราะห์กรดไขมันสายคู่ทำได้โดยการประกอบ สารตั้งต้น อะซิติล-CoAอย่างไรก็ตามโพรพิโอนิล-CoAแทนอะซิติล-CoA ถูกใช้เป็นไพรเมอร์สำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพของกรดไขมันสายยาวที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนเป็นจำนวนคี่[19]
ในB. subtilisเส้นทางนี้ถูกควบคุมโดยระบบสององค์ประกอบ : DesK และ DesR DesK เป็นไคเนสที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มเซลล์และ DesR เป็นตัวควบคุมการถอดรหัสของยีนdes [8] [17]การควบคุมตอบสนองต่ออุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิลดลง ยีนนี้จะถูกควบคุมขึ้น กรดไขมันไม่อิ่มตัวเพิ่มความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์และทำให้เยื่อหุ้มเซลล์มีเสถียรภาพภายใต้อุณหภูมิที่ต่ำลง DesK เป็นโปรตีนเซ็นเซอร์ที่เมื่ออุณหภูมิลดลงจะฟอสโฟรีเลตโดยอัตโนมัติ DesK-P จะถ่ายโอนกลุ่มฟอสโฟรีลไปยัง DesR โปรตีน DesR-P สองตัวจะสร้างไดเมอร์และจับกับโปรโมเตอร์ DNA ของ ยีน desและรับ RNA โพลิเมอเรสเพื่อเริ่มการถอดรหัส[8] [17]
ซูโดโมแนสแอรูจิโนซา
โดยทั่วไปการสังเคราะห์กรดไขมันไม่อิ่มตัวทั้งแบบไม่ใช้ออกซิเจนและแบบใช้ออกซิเจนจะไม่เกิดขึ้นภายในระบบเดียวกัน อย่างไรก็ตามPseudomonas aeruginosaและVibrio ABE-1 เป็นข้อยกเว้น[20] [21] [22] แม้ว่าP. aeruginosaจะผ่านกระบวนการ deaturation แบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นหลัก แต่ก็ยังผ่านกระบวนการที่ใช้ออกซิเจนสองกระบวนการด้วย กระบวนการหนึ่งใช้เอนไซม์ Δ 9 -desaturase (DesA) ที่เร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะคู่ในลิพิดเยื่อหุ้มเซลล์ กระบวนการอีกกระบวนการหนึ่งใช้โปรตีนสองตัวคือ DesC และ DesB ร่วมกันเพื่อทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ Δ 9 -desaturase ซึ่งแทรกพันธะคู่เข้าไปในโมเลกุลกรดไขมันอิ่มตัว-CoA กระบวนการที่สองนี้ควบคุมโดยโปรตีนรีเพรสเซอร์ DesT นอกจากนี้ DesT ยังเป็นตัวรีเพรสเซอร์ของ การแสดงออก ของ fabABสำหรับกระบวนการ deaturation แบบไม่ใช้ออกซิเจนเมื่อมีกรดไขมันไม่อิ่มตัวจากภายนอก กระบวนการนี้มีหน้าที่ในการประสานงานการแสดงออกของกระบวนการทั้งสองกระบวนการภายในสิ่งมีชีวิต[21] [23]
กรดไขมันสายโซ่กิ่งมักจะอิ่มตัวและพบในสองกลุ่มที่แตกต่างกัน: กลุ่มไอโซและกลุ่มแอนตีไอโซ พบว่าแอคติโนไมซีตาลมีกลไกการสังเคราะห์กรดไขมันสายโซ่กิ่งเฉพาะตัว ซึ่งรวมถึงกลไกที่สร้างกรดทูเบอร์คูโลสเตอริกด้วย
ระบบสังเคราะห์กรดไขมันสายโซ่กิ่งใช้กรดอัลฟา-คีโตเป็นไพรเมอร์ ระบบนี้แตกต่างจากซินเทสกรดไขมันสายโซ่กิ่งที่ใช้เอสเทอร์อะซิล-CoA สายสั้นเป็นไพรเมอร์[24]ไพรเมอร์กรดอัลฟา-คีโตได้มาจากทรานส์ อะมิเนชัน และดีคาร์บอกซิเลชันของวาลีนลิวซีนและไอโซลิวซีนเพื่อสร้าง 2-เมทิลโพรพานิล-CoA, 3-เมทิลบิวทีริล-CoA และ 2-เมทิลบิวทีริล-CoA ตามลำดับ[25]ไพรเมอร์ 2-Methylpropanyl-CoA ที่ได้จากวาลีนถูกทำให้ยาวขึ้นเพื่อผลิตกรดไขมันไอโซซีรีส์ที่มีเลขคู่ เช่น กรด 14-methyl-pentadecanoic (ไอโซปาล์มไมต์) และไพรเมอร์ 3-methylbutyryl-CoA จากลิวซีนอาจใช้เพื่อสร้างกรดไขมันไอโซซีรีส์ที่มีเลขคี่ เช่น กรด 13-methyl-tetradecanoic ไพรเมอร์ 2-Methylbutyryl-CoA จากไอโซลิวซีนถูกทำให้ยาวขึ้นเพื่อผลิตกรดไขมันแอนติไอโซซีรีส์ที่มีอะตอมคาร์บอนจำนวนคี่ เช่น กรด 12-Methyl tetradecanoic [26]การดีคาร์บอกซิเลชันของสารตั้งต้นของไพรเมอร์เกิดขึ้นผ่านเอนไซม์ BCKA ( branched-chain α-keto acid decarboxylase ) การยืดกรดไขมันเป็นไปตามเส้นทางการสังเคราะห์ชีวภาพแบบเดียวกันในEscherichia coliที่ใช้ในการผลิตกรดไขมันสายตรง โดยที่ใช้มาโลนิล-CoA เป็นตัวขยายสาย[27]ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายหลักคือกรดไขมันสายโซ่กิ่งที่มีคาร์บอน 12–17 และองค์ประกอบมีแนวโน้มที่จะสม่ำเสมอและมีลักษณะเฉพาะสำหรับแบคทีเรียหลายชนิด[26]
BCKA decarboxylase และกิจกรรมสัมพันธ์ของสารตั้งต้นกรด α-keto
เอนไซม์ดีคาร์บอกซิเลส BCKA ประกอบด้วยซับยูนิต 2 หน่วยในโครงสร้างเตตระเมอร์ (A 2 B 2 ) และจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์กรดไขมันโซ่กิ่ง เอนไซม์นี้มีหน้าที่ในการดีคาร์บอกซิเลชันของกรดอัลฟา-คีโตที่เกิดจากทรานซามิเนชันของวาลีน ลิวซีน และไอโซลิวซีน และผลิตไพรเมอร์ที่ใช้ในการสังเคราะห์กรดไขมันโซ่กิ่ง กิจกรรมของเอนไซม์นี้จะสูงกว่ามากในซับสเตรตของกรดอัลฟา-คีโตโซ่กิ่งมากกว่าซับสเตรตโซ่ตรง และใน สายพันธุ์ Bacillus เอนไซม์นี้ จะมีความจำเพาะสูงสุดสำหรับกรดอัลฟา-คีโต-β-เมทิลวาเลอริกที่ได้จากไอโซลิวซีน รองลงมาคือ α-คีโตไอโซคาโปรเอตและ α-คีโตไอโซวาเลอเรต[26] [27]เอนไซม์ที่มีความสัมพันธ์สูงต่อกรดอัลฟา-คีโตสายโซ่กิ่งทำให้สามารถทำหน้าที่เป็นระบบบริจาคไพรเมอร์สำหรับซินเทสกรดไขมันสายโซ่กิ่งได้[27]
พื้นผิว | กิจกรรม BCKA | ปริมาณ CO 2ที่เกิดขึ้น (nmol/min mg) | กม. (ไมโครโมลาร์) | Vmax (nmol/นาที มก.) |
---|---|---|---|---|
แอล-อัลฟา-คีโต-บีตา-เมทิล-วาเลอเรต | 100% | 19.7 | <1 | 17.8 |
อัลฟา-คีโตไอโซวาเลอเรต | 63% | 12.4 | <1 | 13.3 |
อัลฟา-คีโตไอโซคาโปรเอต | 38% | 7.4 | <1 | 5.6 |
ไพรูเวต | 25% | 4.9 | 51.1 | 15.2 |
ปัจจัยที่มีผลต่อความยาวโซ่และการกระจายรูปแบบ
ไพรเมอร์กรดอัลฟา-คีโตใช้ในการผลิตกรดไขมันสายโซ่กิ่งซึ่งโดยทั่วไปจะมีความยาวระหว่าง 12 ถึง 17 คาร์บอน สัดส่วนของกรดไขมันสายโซ่กิ่งเหล่านี้มักจะสม่ำเสมอและสม่ำเสมอกันในแบคทีเรียสายพันธุ์หนึ่งโดยเฉพาะ แต่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในความเข้มข้นของมาโลนิล-CoA อุณหภูมิ หรือปัจจัยที่เสถียรต่อความร้อน (HSF) ที่มีอยู่[26]ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้อาจส่งผลต่อความยาวของสายโซ่ และ HSF ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าจะเปลี่ยนความจำเพาะของ BCKA decarboxylase สำหรับสารตั้งต้นกรดอัลฟา-คีโตเฉพาะ จึงทำให้สัดส่วนของกรดไขมันสายโซ่กิ่งที่ผลิตขึ้นเปลี่ยนไป[26]การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของมาโลนิล-CoA ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าส่งผลให้มีกรดไขมัน C17 ผลิตขึ้นในสัดส่วนที่มากขึ้น จนกระทั่งถึงความเข้มข้นที่เหมาะสม (≈20μM) ของมาโลนิล-CoA อุณหภูมิที่ลดลงยังมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนการกระจายกรดไขมันไปทางกรดไขมัน C17 ในแบคทีเรียBacillus เล็กน้อย [24] [26]
ระบบนี้ทำงานในลักษณะเดียวกับระบบสังเคราะห์กรดไขมันโซ่กิ่ง แต่ใช้กรดคาร์บอกซิลิกโซ่สั้นเป็นไพรเมอร์แทนกรดอัลฟา-คีโต โดยทั่วไป แบคทีเรียที่ไม่มีความสามารถในการทำงานของระบบกรดไขมันโซ่กิ่งโดยใช้ไพรเมอร์อัลฟา-คีโตจะใช้วิธีนี้ ไพรเมอร์โซ่สั้นทั่วไป ได้แก่ ไอโซวาเลอเรต ไอโซบิวไทเรต และ 2-เมทิลบิวไทเรต โดยทั่วไป กรดที่จำเป็นสำหรับไพรเมอร์เหล่านี้จะถูกดูดซับจากสิ่งแวดล้อม ซึ่งมักพบในแบคทีเรียในกระเพาะรูเมน[28]
ปฏิกิริยาโดยรวมเป็นดังนี้:
ความแตกต่างระหว่าง (สายตรง) กรดไขมันซินเทส และกรดไขมันซินเทสสายกิ่ง คือ ความจำเพาะของสารตั้งต้นของเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาของอะซิล-CoA เป็นอะซิล-ACP [24]
กรดไขมันโอเมก้า-อะลิไซคลิกโดยทั่วไปประกอบด้วยกลุ่มวงแหวนโพรพิลหรือบิวทิรีลที่ปลายโอเมก้า และเป็นกรดไขมันเมมเบรนหลักบางชนิดที่พบในแบคทีเรียหลายชนิด กรดไขมันซินเทสที่ใช้ในการผลิตกรดไขมันโอเมก้า-อะลิไซคลิกยังใช้ในการผลิตกรดไขมันโซ่กิ่งของเมมเบรนด้วย ในแบคทีเรียที่มีเมมเบรนประกอบด้วยกรดไขมันโอเมก้า-อะลิไซคลิกเป็นหลัก ปริมาณของเอสเทอร์ของกรดคาร์บอกซิลิกแบบวงแหวน-CoA จะมากกว่าไพรเมอร์โซ่กิ่งมาก[24]การสังเคราะห์ไพรเมอร์แบบวงแหวนยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก แต่มีข้อเสนอแนะว่ากลไกนี้เกี่ยวข้องกับการแปลงน้ำตาลเป็นกรดชิคิมิกซึ่งจะถูกแปลงเป็นเอสเทอร์ของกรดไซโคลเฮกซิลคาร์บอกซิลิก-CoA ซึ่งทำหน้าที่เป็นไพรเมอร์สำหรับการสังเคราะห์กรดไขมันโอเมก้า-อะลิไซคลิก[28]
กรดทูเบอร์คูโลสเตียริก (D-10-Methylstearic acid) เป็นกรดไขมันอิ่มตัวที่ทราบกันว่าผลิตได้จากMycobacterium spp. และ Streptomycesสองสายพันธุ์กรดไขมันอิ่มตัวนี้เกิดจากกรดโอเลอิกซึ่งเป็นสารตั้งต้น (กรดไขมันไม่อิ่มตัวเชิงเดี่ยว) [29]หลังจากกรดโอเลอิกถูกเอสเทอร์ไรด์เป็นฟอสโฟลิปิด S-adenosyl-methionine จะบริจาคหมู่เมทิลให้กับพันธะคู่ของกรดโอเลอิก[30]ปฏิกิริยาเมทิลเลชันนี้จะสร้าง 10-methylene-octadecanoyal ซึ่งเป็นสารตัวกลาง การรีดิวซ์สารตกค้างตามลำดับโดยมี NADPH เป็นโคแฟกเตอร์ จะส่งผลให้เกิด 10-methylstearic acid [25]
นอกจากการสังเคราะห์กรดไขมันในไซโทซอลแล้ว ไมโตคอนเดรียยังมีการสังเคราะห์กรดไขมันของตัวเองด้วย (mtFASII) การสังเคราะห์กรดไขมันในไมโตคอนเดรียมีความจำเป็นต่อการหายใจของเซลล์และการสร้างไมโตคอนเดรีย ขึ้น ใหม่[31] นอกจากนี้ ยังถือว่า มีบทบาทเป็นตัวกลางในการถ่ายทอดสัญญาณ ภายในเซลล์ เนื่องจากระดับของลิพิดที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพ เช่นไลโซฟอสโฟลิปิดและสฟิงโกลิปิดมีความสัมพันธ์กับ mtFASII [32]
ในขั้นตอนแรกของ mtFASII จะมีการสร้าง malonyl-CoA จากกรด malonic โดยACSF3 [ 33]ซึ่งจะเกิดขึ้นควบคู่กับไอโซฟอร์มของไมโตคอนเดรียของACC1 (mtACC1) ซึ่งยังคงสามารถให้ malonyl-CoA จาก acetyl-CoA ได้[34]กรดไขมัน เช่นoctanoyl-ACP (C8) ซึ่งเป็นสารตั้งต้นเริ่มต้นของ การสังเคราะห์ กรดไลโปอิกจะถูกสร้างขึ้นผ่านขั้นตอนกลางเพิ่มเติมและการขยายสายโซ่[32]เนื่องจากกรดไลโปอิกเป็นโคแฟกเตอร์ ตามลำดับ ระดับของการไลโปอิเลชัน mtFASII จึงมีอิทธิพลต่อคอมเพล็กซ์เอนไซม์ไมโตคอนเดรียในกระบวนการเผาผลาญพลังงาน เช่นคอมเพล็กซ์ไพรูเวตดีไฮโดรจีเนส คอมเพล็กซ์อัลฟา-คีโตกลูทาเรตดีไฮโดรจีเนสคอมเพล็กซ์ BCKDHและระบบการแยกไกลซีน (GCS) เป็นต้น[1]
ความผิดปกติใน mtFASII นำไปสู่โรคเมตาบอลิซึมต่อไปนี้:
ตำแหน่งของพันธะคู่ในโซ่กรดไขมันสามารถระบุได้สองวิธีโดยใช้สัญลักษณ์ Cn หรือ ω-n ดังนั้น ในกรดไขมันที่มีคาร์บอน 18 อะตอม พันธะคู่ระหว่าง C-12 (หรือ ω-7) และ C-13 (หรือ ω-6) จะถูกระบุเป็น Δ 12หากนับจากปลาย –COOH (ซึ่งระบุเฉพาะ "จุดเริ่มต้น" ของพันธะคู่) หรือเป็น ω-6 (หรือโอเมก้า-6) หากนับจากปลาย-CH
3ท้ายสุด "Δ" คือตัวอักษรกรีก "เดลต้า" ซึ่งแปลว่า "D" (สำหรับ พันธะ คู่ ) ในอักษรโรมัน โอเมก้า (ω) เป็นตัวอักษรสุดท้ายในอักษรกรีก จึงใช้ระบุอะตอมคาร์บอน "ตัวสุดท้าย" ในห่วงโซ่กรดไขมัน เนื่องจากใช้สัญลักษณ์ ω-n เกือบทั้งหมดเพื่อระบุตำแหน่งของพันธะคู่ที่อยู่ใกล้กับ-CH
3ลงท้ายด้วยกรดไขมันจำเป็นไม่จำเป็นต้องใช้สัญลักษณ์เทียบเท่าเช่น "Δ" – การใช้สัญลักษณ์ "ω-n" จะอ้างอิงถึงตำแหน่งของพันธะคู่เสมอ