Bài giảng Nguyên lý hoá sinh: Bài 10

David L. Nelson and Michael M. Cox

LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition

BÀI.10 SỰ CHUYỂN HÓA ACID BÉO

© 2016 PGS.TS. BÙI VĂN LỆ

Triacylglycerols (fats or triglycerides)

Three fatty acids ester-linked to a glycerol molecule

Used as energy storage molecules in eukaryotes

Stored in adipocytes

Advantages of using triacylglycerols for energy storage 1. Fats are highly reduced hydrocarbons with a large energy

of oxidation.

2. Fats are insoluble molecules that aggregate into droplets.

They are unsolvated and no storage mass is water.

3. Fats are chemically inert. They can be stored without fear

Disadvantages of triacylglycerols as energy storage

of unfavorable reactions.

1. Fats must be emulsified before enzymes can digest them. 2. Fats are insoluble in the blood and must be carried in the

blood as protein complexes.

Chất béo trong thức ăn đươc nhủ tương hóa trong thành ruột non bởi muối mật (1), được thủy giải bởi lipase thành ruột (2) và được hấp thu bởi tế bào thành ruột biến thành triacylglycerols (TAG) (3) rồi hình thành chylomicrons bởi liên kết với các apolipoprotein đặc biệt (apoC-II) (4). Chylomicrons chuyển TAG đến các mô (5), nơi lipase lipoprotein (hoạt hóa bởi apoC-II) phóng thích acid béo tự do và glycerol (6) acid béo tự do đi vào trong tế bào (7). Acid béo oxi hóa cung cấp phần lớn năng lượng cho động vật hay tái ester hóa tạo TAG dự trử (8).

Molecular Structure of a Chylomicron

Lipoproteins

Lipoproteins are large complexes of lipids and proteins designed to transport lipids in the blood. The lipoproteins are classified by particle density.

produced by the liver to tissues

1. Chylomicrons (transport dietary cholesterol to tissues) 2. Very low density lipoprotein (VLDL) transport cholesterol 3. Intermediate density lipoprotein (IDL) 4. Low density lipoprotein (LDL) 5. High density lipoprotein (HDL) (transport cholesterol from tissues

to liver)

Lipoproteins

Lipoprotein lipases

Extraction of energy from fatty acids

Step 1. Oxidation of fatty acids to acetyl-CoA. This

generates NADH and FADH2.

Step 2. Oxidation of acetyl-CoA to CO2 in the citric

acid cycle. This generates NADH, FADH2 and GTP (ATP).

Step 3. Transfer of electrons from NADH and FADH2 to O2.

This results in the synthesis of ATP.

TAG nhạy

TAG còn được dự trử trong mô mở được di động bởi với lipase hormone. Acid béo phóng thích liên kết với albumin huyết thanh và được mang trong máu tới tim, cơ bắp và những mô khác dùng acid béo như nguồn năng lượng. TAG còn được mang bởi VLDL trong tế bào gan cung cấp acid béo cho các mô bởi lipase.

Khi sự dự trữ năng lượng trong cơ thể là dạng dự trữ mỡ và ở mức thấp thì chúng sẽ thực hiện quá trình phân hủy lipid (lipolysis), nhạy với hormone. Trong lipolysis, các triacylglycerol được thủy phân thành các acid béo và glycerol. Glycerol và acid béo được vận chuyển vào gan, nơi có thể được sử dụng trong việc tổng hợp lipid hay glucose. Acetyl-CoA đóng một vai trò then chốt trong hầu hết các quá trình chuyển hóa có liên quan đến lipid. Ví dụ: Acetyl-CoA được sử dụng trong tổng hợp và phân hủy các acid béo.

Utilization of stored triacylglycerols

Acetyl-CoA đóng một vai trò then chốt trong hầu hết các quá trình chuyển hóa có liên quan đến lipid:Tổng hợp và phân hủy các acid béo, thân cetone hay đưởng glucose

Ketone bodies can be formed from acetyl-CoA resulting from -oxidation of fatty acids. Ketone bodies are exported from the liver to other tissues to be used as fuel.

Phân hủy acid béo

Phần lớn các acid béo bị phá vỡ để tạo thành Acetyl-CoA bên trong ti thể trong một quá trình có liên quan đến sự -oxy hóa nó tạo ra một sự oxy hóa dây acid béo dài và sản sinh ra năng lượng trong sự tạo thành ATP. Các acid béo được biến đổi thành các chuyển hóa chất của Acyl-CoA và chuyển hóa bởi sự loại đơn vị hai carbon acetyl CoA từ đầu của dây acyl.

Các acid béo phá vỡ trong bào chất của tế bào procaryote và trong chất nền ti thể của tế bào eucaryote. Các acid béo thì hoạt hóa bởi tạo thành nối thioester với CoA trước khi đi vào trong ti thể. Màng trong của ti thể không thấm đối với các chuyển hóa chất dây dài acyl CoA cho nên chúng được vận chuyển vào trong ti thể bởi chất chuyển hóa carnitine bởi các chất chuyển đoạn (translocase) carnitine/acyl carnitine.

Fatty acyl-CoA synthetases

Hoạt hóa (-2ATP)

Vận chuyển acid béo vào trong ty thể

-Oxi hóa (phá vỡ) của acid béo bao gồm sự lập lại của bốn bước chính như sau: 1. Oxi hóa của acyl CoA bởi flavin (FAD) để tạo thành enoyl CoA 2. Hydrat hóa enoyl CoA để tạo thành hydroxyacyl CoA 3. Oxi hóa hydroxyacyl CoA bởi NAD+ để tạo thành oxo-acyl CoA 4. Thio giải bởi một phân tử CoA thứ hai để tạo thành acetyl CoA và acyl coA làm ngắn bởi hai nguyên tử carbon.

Bước 1 của -Oxi hóa

Fig. 17-8a

Bước 2 của -Oxi hóa

Fig. 17-8a

Bước 3 của -Oxi hóa

Fig. 17-8a

Bước 4 của -Oxi hóa

Fig. 17-8a

Bước 1

Bước 2

Bước 3

Bước 4

-Oxi hóa acid palmitic (C16,0)

 oxi hóa acid béo và ATP

Giai đoạn 1 của  oxi hóa có 4 bước cơ bản, mổi chu kỳ loại một acetyl-CoA (2 C) và sinh ra một phân tử FADH2 và một phân tử NADH. Giai đoạn 2 đi vào chu trình TCA để sinh ra 1 FADH2 , 3 NADH và 1 GTP (ATP) Giai đoạn 3 kết hợp với sản phẩm cho từ chu trình TCA di vào chu trình vận chuyển điện tử trong màng trong ty thể và sinh ATP

Ñònh vò caùc enzyme phaûn öùng  oxi hoùa

Sản phẩm năng lượng sinh ra do sự phá vở hoàn toàn palmitat (C16:0) tái sinh 28 phân tử ATP từ sự oxy hóa của NADH và FADH2 sản sinh trực tiếp và 80 ATP tử sự bẻ gảy của acetyl CoA trong chu trình acid citric tuy nhiên. Tuy nhiên 2 ATP thì cần cho hoạt động của palmitat thành chất chuyển hóa acyl CoA chủ yếu cho sự oxy hóa. Vậy sản phẩm là 106 ATP.

Tổng kết quá trình sinh năng lượng

Cost of fatty acid activation -2

Net gain: 106 ATP

*Giả định: Sự phosphoryl hóa-oxid hóa ở ty thể sản sinh 1.5 ATP từ mỗi FADH2 và 2.5 ATP mỗi NADH oxid hóa

Sản sinh ATP Palmitic acid (C16,0)

Activation 2 ATP/mol 7 x -oxidation (2 C-atoms)

-2 +28

1 FADH – 1,5 ATP 1 NADH – 2,5 ATP 8 Acetyl Co-A (10 ATP)

Total

+80 +106

* Giả định: Sự phosphoryl hóa-oxid hóa ở ty thể sản sinh 1.5 ATP từ mỗi FADH2 và 2.5 ATP mỗi NADH oxid hóa

Trong sự oxy hóa của acid béo không bảo hòa cần sự tác động của một số enzym thêm vào theo thứ tự để phân hủy hoàn toàn sự -oxy hóa. Bậc của acid béo phá vỡ được kiểm soát bởi sự có được của acid béo tự do trong máu mà dẩn từ sự bẻ gãy của phân tử triacylglycerol

Ví dụ: Oxid hóa acid oleic (C18:1, D9) cần có thêm sự hoạt động enzym Enoyl CoA isomerase để chuyển dạng cis enoyl CoA thành trans để cho hydratase enzym (phản ứng 2) của quá trình b-oxid hóa có thể thực hiện được. Tương tự cho acid linoleic (C18:2 D9,12)

Beta oxidation of linoleate 18:2Δ9,12

acetyl-CoA và một

Các acid béo có số carbon lẻ bị oxy hóa theo con đường -oxy hóa để tạo phân tử ra propionyl-CoA. Chất này được carboxyl hóa tạo thành methylmalonyl-CoA là chất sau đó bị đồng phân hóa thành succinyl-CoA trong phản ứng do methylmalonyl- CoA mutase xúc tác, đây là một enzyme cần coenzyme B12.

-oxidation of fatty acids with an odd number of carbons produces propionyl-CoA.

Propionyl-CoA is converted to succinyl-CoA for entry into the citric acid cycle.

Peroxisome ở thực vật và động vật và glyoxysome ở thực vật, thực hiện - oxy hóa qua 4 bước tương tự như các bước trong ty thể ở động vật.

Tuy nhiên, bước oxy hóa đầu tiên chuyển điện tử trực tiếp đến O2, sinh ra H2O2. peroxisome ở mô động vật chuyên hóa trong quá trình oxy hóa các acid béo chuỗi rất dài và các acid béo phân nhánh.

Ở glyoxysome, trong hạt đang nẩy mầm,  oxy hóa là 1 bước trong chuyển hóa các lipid dự trữ thành nhiều dạng trung gian và sản phẩm khác nhau. Các phản ứng của  oxy hóa, xảy ra ở mạng lưới nội chất, tạo ra các chất trung gian acyl béo dicarboxyl, những chất này có thể trải qua quá trình  oxy hóa ở cuối để sinh ra các acid dicarboxyl ngắn như succinate.

Glc

PEP

Thân ceton

Khi lượng acetyl CoA dư thừa từ sự - oxy hóa của acid béo nó biến thành và D--hydroxybutyrate. acetoacetat Cùng với aceton các hợp chất nầy gom lại thành từ thân ceton (ketone bodies). thì Acetoacetat và D--hydroxybutyrat sản sinh trong gan và cung cấp một sự bổ sung tương đối nguyên liệu cho não trong khi đói hay trong bệnh tiểu đường.

Tổng hợp acid béo và lipid

Sự tổng hợp acid béo xảy ra trong cytosol (phần bào tan), Acetyl CoA được sinh ra được vận chuyển ra khỏi ti thể. Tuy nhiên màng trong của ti thể thì không thấm của hợp chất đó vì vậy nó kết hợp trước tiên với oxaloacetat để tạo thành citrat để xuyên qua màng. Trong cytosol citrate được cắt để sản sinh ra acetyl CoA.

Phá vỡ và tổng hợp acid béo: Không hề giống nhau!

• Xảy ra theo những quá trình khác nhau • Sử dụng những enzyme khác nhau • Xảy ra ở các ngăn khác nhau trong tế bào • Sử dụng các “khối đơn vị”(“unit blocks”) khích thước khác nhau: 2-carbon cho phá vỡ, 3-carbon cho tổng hợp

• Xảy ra ở những thời gian khác nhau…

Bước đầu tiên thực hiện trong quá trình sinh tổng hợp acid béo là sự carboxy hóa acetyl CoA thành malonyl CoA được xúc tác bởi enzym Acetyl CoA carboxylase chứa biotin và rồi malonyl CoA được biến thành malonyl–ACP (Acyl carrier protein).

Sự tổng hợp acid béo bao gồm bốn phản ứng xúc tác bởi enzym tổng hợp acid béo FAS (Fatty acid synthase):

1.kết hợp của nhóm acetyl và malonyl ACP với FAS để cho acetoacetyl-ACP và phóng thích CO2 2.rồi khử bởi NADPH để cho hydroxybutyryl- ACP. 3.tiếp theo sự loại nước để thành crotonyl-ACP và 4.cuối cùng khử bởi NADPH cho butyryl-ACP.

Các giai đoạn sau của sự kéo dài sẽ thêm vào nhiều đơn vị hai carbon từ malonyl- ACP trên dây hydrocarbon phát triển cho tới khi C16 palmitate được tạo thành. Xa hơn sự kéo dài của acid béo chiếm chổ trên mặt cytosol của mạng lưới nội chất trơn (SER) không dính với ribosom. Trong sự tạo thành nối đôi trong dây acyl được thực hiện bởi các enzym hiện diện trong bề mặt cytosol của SER.

Stearoyl-ACP ∆9 Desaturase

plants have a soluble aerobic desaturase whereas animals and yeast use a membrane bound enzyme to act on 18:0-CoA

Tổng hợp acid béo ở thực vật

Cotyledon cell from a seed of Arabidopsis

Các acid béo có nhiều nối đôi không bảo hòa như linoleate và linolenate không thể tổng hợp bởi động vật hữu nhủ (mammals) vì vậy được gọi là các acid béo cần thiết chúng cần cung cấp bởi thức ăn từ thực vật.

Plant Animal

18:0 18:0

18:1 (9c) 18:1 (9c)

Diet

18:2 (9c, 12c) 18:2 (9c, 12c)

18:3 (9c, 12c, 15c) 18:3 (6c, 9c, 12c)

chất

hợp

ban

đầu

của

Động vật hữu nhũ không thể tạo linoleate và phải thu nhận nó từ thực vật, chng chuyển hóa linoleate ngoại sinh thành eicosanoid arachidonate, (prostaglandin, thromboxane v leukotriene), một họ các phân tử truyền tín hiệu rất tiềm năng. Linoleate

Sinh tổng hợp triacyglycerol

Các triacylglycerol được tạo thành nhờ phản ứng của 2 phân tử acyl-CoA với glycerol 3- phosphate tạo thành acid phosphatidic; sản phẩm này bị khử phosphoryl hóa thành một diacylglycerol sau đó acyl hóa bởi một phân tử acyl-CoA thứ 3 tạo thành 1 triacylglycerol

Sự tổng hợp và phân giải triacylglycerol được

điều hòa nhờ hormone

Sinh tổng hợp TAGs

Điều hòa sự sinh tổng hợp TAG

Triacylglycerol Cycle:

Sự di động và tái tạo các phân tử trình dẫn triacylglycerol chu đến triacylglycerol. Các triacylglycerol được tái tổng hợp từ các acid béo tự do và glycerol 3-phosphate ngay cả trong thời gian nhịn ăn. Tiền chất dihydroxyacetone phosphate của glycerol 3-phosphate có nguồn gốc từ pryruvate theo hướng glyceroneogenesis

Glyceroneogenesis

Sinh tổng hợp các phospholipid màng

là

tiền

chất

chính

những

phosphatidylethanolamine

của Diacylglycerol glycerolphospholipid. Ở vi khuẩn, phosphatidylserine được tạo thành bởi sự cô đặc serine với CDP- diacylglycerol; khử carboxyl phosphatidylserine sinh ra phoaphatidylethanolamine. Phosphatidylglycerol được tạo thành nhờ phản ứng cô đặc CDP-diacylglycerol với glycerol 3-phosphate và tiếp theo là loại bỏ phosphate trong liên kết monoester. Các con đường tổng hợp phosphatidylserine, và phosphatidylglycerol ở nấm men tương tự như ở vi khuẩn; phosphatidylcholine được tạo thành bởi sự methyl hóa phosphatidylethanolamine

Sinh tổng hợp lipid màng

• Các bước hình thành glycerphospholipids và sphingolipids

1. Tổng hợp sườn (glycerol hay sphingosine) 2. Ester hóa Acid béo (hay amidation) 3. Gắn đầu (VD: choline, serine, ethanolamine, etc.) 4. Biến đổi nhóm đầu

Tổng hợp glycerophospholipids

Sự hình thành liên kết Phosphodiester

Tổng hợp Sphingolipids

1. Tổng hợp sphinganine 18-C – Từ palmitoyl-CoA và serine

2. Gắn acid béo – Nối Amide 3. Sự bất bão hòa – Ceramide 4. Gắn nhóm đầu

– Cerebroside hay sphingomyelin

Tổng hợp phosphatidylcholine và phosphatidylethanolamine

hợp

phosphatidylcholine

Các tế bào động vật hữu nhũ có 1 số con đường tương tự như ở vi khuẩn nhưng có một số điểm khác biệt trong và tổng phosphatidylethanolamine. Alcohol nhóm đầu (choline hoặc ethanolamine) được hoạt hóa ở dạng dẫn xuất CDP và sau đó cô đặc với diacylglycerol. Phosphatidylserine chỉ bắt nguồn từ phosphatidylethanolamine Việc tổng hợp plasmogen gồm sự hình thành nối đôi nhờ enzyme oxidase có chức năng hỗn hợp. Các nhóm đầu của sphingolipid được đính vào theo các cơ chế duy nhất Các phospholipid di chuyển đến nơi nhận của chúng bên trong tế bào theo hướng vận chuyển các túi (vesicle) hoặc nhờ các protein đặc hiệu

Sinh tổng hợp cholesterol, steroid và isoprenoid

là

hóa

hoạt

isopentenylpyrophosphate

Cholesterol được tạo thành từ acetyl-CoA trong một loạt các phản ứng phức tạp thông qua các chất trung gian β- hydroxy-β-methylglutaryl-CoA, mevalonate và 2 isoprene và được dimethylallyl pyrophosphate. Sự cô đặc các đơn vị isoprene tạo ra squalene không vòng và các chất này được đóng vòng để sinh ra hệ thống vòng steroid và chuỗi bên Quá trình tổng hợp cholesterol chịu sự kiểm soát của hormone và cũng bị ức chế bởi các nồng độ cholesterol nội bào bị tăng cao, và hoạt động thông qua sự biến đổi đồng hóa trị và các cơ chế điều hòa phiên mã.

Cholesterol

• Một isoprenoid

• Thành phần màng tế bào

• Tiền chất của hormone

steroid, acid mật

• Có liên quan đến bệnh tim

mạch

• Thu nhận trong cơ thể

– Bữa ăn

– Tiirng hợp

Sinh tổng hợp Cholesterol

5 giai đoạn

1. Hình thành mevalonate 2. Chuyển thành isoprene

được hoạt hóa

⑤

3. Polymer hóa isoprene 4. Đóng vòng squalene 5. Biến đổi cấu trúc

Giai đoạn 1: Tổng hợp Mevalonate

Giai đoạn 2: Chuyển hóa Mevalonate thành các đơn vị Isoprene hoạt động

Giai đoạn 3: Sự hình thành Squalene

Tail

Head

Stage 4: Cyclization

hormone

nguồn trình

nhau qua

có quá

khác thông pyrophosphate

và

(glucocorticoid, steroid Các mineralocorticoid, hormone sinh dục) được sản xuất từ cholesterol bằng cách thay đổi nhánh bên và đưa các nguyên tử oxygen vào trong hệ thống vòng steroid. Ngoài cholesterol, nhiều hợp chất từ isoprenoid gốc đặc mevalonate cô dimethylallyl isopentenyl pyrophosphate Sự prenyl hóa một số protein đưa chúng liên kết với các màng tế bào và cần thiết cho hoạt tính sinh học của chúng

Cholesterol và cholesteryl ester được vận chuyển trong máu ở dạng các lipoprotein huyết tương. VLDL mang cholesterol, cholesteryl ester và triacylglycerol từ gan đến các mô khác nơi mà các triacylglycerol bị phân giải bởi lipoprotein lipase, chuyển hóa VLDL thành LDL. LDL giàu cholesterol và cholesteryl ester được hấp thụ bởi endocytosis qua trung gian thụ quan trong đó apolipoprotein B-100 của LDL được nhận biết bởi các receptor trong màng tế bào chất. HDL loại cholesterol khỏi máu và mang chúng đến gan. Các điều kiện ăn uống hoặc những khiếm khuyết di truyền trong quá trình biến dưỡng cholesterol có thể dẫn đến atherosclerosis và bệnh tim