ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ: СТРУКТУРА, ВИДЫ, ФУНКЦИИ, БИОСИНТЕЗ. - БИОЛОГИЯ - 2024

В жирных кислот являются органические макромолекулы , полученные из углеводородов, которые состоят из длинных цепочек атомов углерода и водорода , имеющий гидрофобность (являются жирорастворимыми) и являются структурной основой жиров и липидов.

Это очень разные молекулы, которые отличаются друг от друга длиной их углеводородных цепей и наличием, числом, положением и / или конфигурацией их двойных связей.

Общая схема насыщенной жирной кислоты (Источник: Laghi.l через Wikimedia Commons)

В липидах животных, растений, грибов и микроорганизмов, таких как бактерии и дрожжи, описано более 100 различных классов жирных кислот, которые считаются видоспецифичными и тканевыми у большинства живых существ.

Масла и жиры, которые человек потребляет ежедневно, независимо от того, животного они или растительного происхождения, в основном состоят из жирных кислот.

Введение

Сливочное масло, помимо прочего, в основном состоит из жирных кислот (Источник: Africa Studio, с сайта pixabay.com)

Молекулы жирных кислот выполняют важные функции на клеточном уровне, делая их необходимыми компонентами, и, поскольку некоторые из них не могут быть синтезированы животными, они должны получать их с пищей.

Жирные кислоты в цитозоле клетки в свободном виде встречаются редко, поэтому они обычно встречаются в составе других молекулярных конъюгатов, таких как:

- Липиды в биологических мембранах.

- Триглицериды или сложные эфиры жирных кислот, которые служат резервом у растений и животных.

- Воски, представляющие собой твердые эфиры длинноцепочечных жирных кислот и спиртов.

- Другие подобные вещества.

У животных жирные кислоты хранятся в цитоплазме клеток в виде маленьких жировых капель, состоящих из комплекса, называемого триацилглицерином, который представляет собой не что иное, как молекулу глицерина, с которой он связан, в каждом из своих атомов. углерод, цепь жирной кислоты сложноэфирной связью.

Хотя бактерии обладают короткими и обычно мононенасыщенными жирными кислотами, в природе часто встречаются жирные кислоты, цепи которых имеют четное число атомов углерода, обычно от 14 до 24, насыщенные, мононенасыщенные или полиненасыщенные.

Структура

Жирные кислоты представляют собой амфипатические молекулы, то есть у них есть две химически определенные области: гидрофильная полярная область и гидрофобная аполярная область.

Гидрофобная область состоит из длинной углеводородной цепи, которая с химической точки зрения не очень активна. С другой стороны, гидрофильная область состоит из концевой карбоксильной группы (-COOH), которая ведет себя как кислота.

Эта терминальная карбоксильная группа или карбоновая кислота ионизируется в растворе, обладает высокой реакционной способностью (говоря химически) и очень гидрофильной, таким образом представляя сайт ковалентного связывания между жирной кислотой и другими молекулами.

Длина углеводородных цепей жирных кислот обычно имеет четное число атомов углерода, и это тесно связано с процессом биосинтеза, в котором они производятся, поскольку их рост происходит в парах атомов углерода.

Наиболее распространенные жирные кислоты имеют цепи от 16 до 18 атомов углерода, а у животных эти цепи не разветвлены.

классификация

Жирные кислоты подразделяются на две большие группы в зависимости от природы связей, которые их составляют, то есть в соответствии с наличием одинарных или двойных связей между атомами углерода их углеводородных цепей.

Таким образом, бывают насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты.

- Насыщенные жирные кислоты имеют только одиночные углерод-углеродные связи, и все их атомы углерода «насыщены» или присоединены к молекулам водорода.

- Ненасыщенные жирные кислоты имеют одну или несколько двойных углерод-углеродных связей, и не все из них присоединены к атому водорода.

Ненасыщенные жирные кислоты также подразделяются по количеству ненасыщенных (двойных связей) на мононенасыщенные, имеющие только одну двойную связь, и полиненасыщенные, имеющие более одной.

Насыщенные жирные кислоты

Обычно они имеют от 4 до 26 атомов углерода, связанных одинарными связями. Его температура плавления прямо пропорциональна длине цепи, то есть его молекулярной массе.

Жирные кислоты, содержащие от 4 до 8 атомов углерода, являются жидкими при 25 ° C и входят в состав пищевых масел, тогда как кислоты с более чем 10 атомами углерода являются твердыми.

Среди наиболее распространенных - лауриновая кислота, которой много в косточках пальмы и кокосовом масле; пальмитиновая кислота, содержащаяся в пальме, какао и сале, и стеариновая кислота, содержащаяся в какао и гидрогенизированных маслах.

Это жирные кислоты с гораздо большей стабильностью, чем ненасыщенные жирные кислоты, особенно против окисления, по крайней мере, в физиологических условиях.

Поскольку одинарные углерод-углеродные одинарные связи могут вращаться свободно, насыщенные жирные кислоты являются очень гибкими молекулами, хотя стерические препятствия делают полностью вытянутую структуру наиболее энергетически стабильной.

Ненасыщенные жирные кислоты

Эти жирные кислоты обладают высокой реакционной способностью и склонны к насыщению и окислению. Они распространены у растений и морских организмов. Те, у кого есть только одна двойная связь, известны как мононенасыщенные или моноеновые, в то время как те, у которых больше двух, известны как полиеновые или полиненасыщенные.

Наличие двойных связей обычно между атомами углерода между положениями 9 и 10, но это не означает, что мононенасыщенные жирные кислоты с ненасыщенностью в другом положении не обнаруживаются.

В отличие от насыщенных, ненасыщенные жирные кислоты перечислены не по концевой карбоксильной группе, а по положению первой двойной связи C - C. Таким образом, они делятся на две группы, омега-6 или ω6 кислоты. и омега-3 или ω3.

Омега-6 кислоты имеют первую двойную связь с углеродным номером 6, а омега-3 кислоты - с углеродным номером 3. Имя ω дается двойной связью, ближайшей к конечной метильной группе.

Двойные связи также можно найти в двух геометрических конфигурациях, известных как «цис» и «транс».

Большинство природных ненасыщенных жирных кислот имеют "цис" конфигурацию, а двойные связи жирных кислот, присутствующих в коммерческих (гидрогенизированных) жирах, находятся в "транс".

В полиненасыщенных жирных кислотах две двойные связи обычно отделены друг от друга по крайней мере одной метильной группой, то есть атомом углерода, связанным с двумя атомами водорода.

Характеристики

Жирные кислоты выполняют множество функций в живых организмах, и, как упоминалось выше, одна из их основных функций заключается в том, что они являются неотъемлемой частью липидов, которые являются основными компонентами биологических мембран и одной из трех наиболее распространенных биомолекул в организмах. живы вместе с белками и углеводами.

Они также являются отличными энергетическими субстратами, благодаря которым получают большое количество энергии в форме АТФ и других промежуточных метаболитов.

Учитывая, что животные, например, не способны накапливать углеводы, жирные кислоты представляют собой основной источник накопления энергии, который возникает в результате окисления чрезмерно потребляемых сахаров.

Насыщенные жирные кислоты с короткой цепью в толстой кишке участвуют в стимуляции абсорбции воды и ионов натрия, хлорида и бикарбоната; Кроме того, они играют роль в производстве слизи, в пролиферации колоноцитов (клеток толстой кишки) и т. Д.

Ненасыщенные жирные кислоты особенно богаты в пищевых растительных маслах, которые важны в рационе всех людей.

Масла, которые мы потребляем ежедневно, представляют собой жирные кислоты (Источник: stevepb, через pixabay.com)

Другие участвуют в качестве лигандов некоторых белков с ферментативной активностью, поэтому они важны с точки зрения их влияния на энергетический метаболизм клеток, в которых они находятся.

Биосинтез

Распад жирных кислот известен как β-окисление и происходит в митохондриях эукариотических клеток. Биосинтез, напротив, происходит в цитозоле клеток животных и в хлоропластах (фотосинтетических органеллах) клеток растений.

Это процесс, зависящий от ацетил-КоА, малонил-КоА и НАДФН, он происходит во всех живых организмах и у «высших» животных, таких как млекопитающие. Например, он очень важен для печени и жировой ткани, а также для молочных желез.

НАДФН, используемый для этого пути, в основном является продуктом НАДФ-зависимых реакций окисления пентозофосфатного пути, в то время как ацетил-КоА может поступать из различных источников, например, из окислительного декарбоксилирования пирувата, Цикл Кребса и β-окисление жирных кислот.

Путь биосинтеза, как и путь β-окисления, сильно регулируется во всех клетках аллостерическими эффекторами и ковалентными модификациями ферментов, которые участвуют в регуляции.

-Malonyl-coA синтез

Путь начинается с образования промежуточного продукта метаболизма, известного как малонил-КоА, из молекулы ацетил-КоА и катализируется многофункциональным ферментом, называемым ацетил-КоА-карбоксилазой.

Эта реакция является реакцией присоединения биотин-зависимой молекулы карбоксила (-COOH, карбоксилирование) и происходит в два этапа:

1. Во-первых, АТФ-зависимый перенос карбоксила, производного от бикарбоната (HCO3-), в молекулу биотина происходит в виде простетической (небелковой) группы, связанной с ацетил-КоА-карбоксилазой.
2. Впоследствии CO2 переводится в ацетил-коА и образуется малонил-коА.

-Реакции маршрута

У животных образование углеводных цепей жирных кислот происходит в дальнейшем за счет последовательных реакций конденсации, катализируемых мультимерным и многофункциональным ферментом, известным как синтаза жирных кислот.

Этот фермент катализирует конденсацию единицы ацетил-КоА и нескольких молекул малонил-КоА, которые образуются в результате реакции ацетил-КоА-карбоксилазы, процесса, во время которого одна молекула СО2 высвобождается для каждого малонил-КоА, который он добавляет.

Растущие жирные кислоты этерифицируются до белка, называемого «белком-носителем ацила» или ACP, который образует тиоэфиры с ацильными группами. В E. coli этот белок представляет собой полипептид 10 кДа, но у животных он является частью комплекса синтазы жирных кислот.

Разрыв этих тиоэфирных связей высвобождает большое количество энергии, что делает возможным, с термодинамической точки зрения, возникновение стадий конденсации в пути биосинтеза.

Комплекс синтазы жирных кислот

У бактерий активность синтазы жирных кислот фактически соответствует шести независимым ферментам, которые используют ацетил-коА и малонил-коА для образования жирных кислот, и с которыми связаны шесть различных ферментативных активностей.

Гомодимерный и многофункциональный комплекс синтазы жирных кислот животных (Источник: Boehringer Ingelheim через Wikimedia Commons)

Напротив, у млекопитающих синтаза жирных кислот представляет собой многофункциональный гомодимерный ферментный комплекс с молекулярной массой около 500 кДа, который обладает шестью различными каталитическими активностями и с которым связывается ацильный белок-носитель.

Шаг 1: реакция грунтовки

Тиоловые группы в остатках цистеина, ответственные за связывание промежуточных продуктов метаболизма с ферментом АСР, должны быть загружены до начала синтеза необходимыми ацильными группами.

Для этого ацетильная группа ацетил-coA переносится на тиольную группу (-SH) одного из цистеиновых остатков субъединицы ACP синтазы жирных кислот. Эта реакция катализируется субъединицей АСР-ацилтрансферазы.

Затем ацетильная группа переносится от ACP к другому остатку цистеина в каталитическом сайте другой субъединицы фермента комплекса, известного как β-кетоацил-ACP-синтаза. Таким образом, ферментный комплекс «подготовлен» к началу синтеза.

Шаг 2: Перенос единиц малонил-КоА

Малонил-КоА, продуцируемый ацетил-КоА-карбоксилазой, переносится на тиольную группу в АСР, и во время этой реакции часть КоА теряется. Реакция катализируется субъединицей малонил-АСР-трансферазы комплекса синтазы жирных кислот, которая затем продуцирует малонил-АСР.

Во время этого процесса малонильная группа связана с ACP и β-кетоацил-ACP-синтазой через сложноэфирную и другую сульфгидрильную связь, соответственно.

Шаг 3: Конденсация

Фермент β-кетоацил-АСР-синтаза катализирует перенос ацетильной группы, которая была присоединена к нему на этапе «затравки», на 2-углеродный атом малонильной группы, которая на предыдущем этапе была перенесена в АСР.

Во время этой реакции молекула CO2 высвобождается из малонила, что соответствует CO2, обеспечиваемому бикарбонатом в реакции карбоксилирования ацетил-CoA-карбоксилазы. Затем образуется ацетоацетил-АСР.

Шаг 4: уменьшение

Субъединица β-кетоацил-ACP-редуктазы катализирует НАДФН-зависимое восстановление ацетоацетил-ACP, тем самым образуя D-β-гидроксибутирил-ACP.

Шаг 5: обезвоживание

На этой стадии образуется транс-α, β-ацил-ACP или ∆2-ненасыщенный-ацил-ACP (кратонил-ACP), продукт дегидратации D-β-гидроксибутирил-ACP под действием еноил-субъединицы. ACP-гидратаз.

Позже кратонил-АПФ восстанавливается до бутирил-АПФ посредством НАДФН-зависимой реакции, катализируемой субъединицей еноил-АСР-редуктазы. Эта реакция завершает первый из семи циклов, необходимых для производства пальмитоил-АСР, который является предшественником почти всех жирных кислот.

Как протекают последующие реакции конденсации?

Бутирильная группа переносится от АСР к тиоловой группе остатка цистеина в β-кетоацил-АСР-синтазе, в результате чего АСР способен принимать другую малонильную группу от малонил-КоА.

Таким образом, протекающая реакция представляет собой конденсацию малонил-ACP с бутурил-β-кетоацил-ACP-синтазой, которая дает β-кетогексаноил-ACP + CO2.

Пальмитоил-АСР, который возникает на последующих стадиях (после добавления еще 5 малонильных единиц), может высвобождаться в виде свободной пальмитиновой кислоты благодаря активности фермента тиоэстеразы, он может быть перенесен в КоА или включен в фосфатидную кислоту для Путь синтеза фосфолипидов и триацилглицеридов.

Структура пальмитиновой кислоты (Источник: Andel, через Wikimedia Commons)

Синтаза жирных кислот у большинства организмов останавливается в синтезе пальмитоил-АСР, поскольку каталитический сайт субъединицы β-кетоацил-АСР-синтазы имеет конфигурацию, в которой могут быть размещены только жирные кислоты этой длины.

Как образуются жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода?

Они относительно распространены в морских организмах и также синтезируются комплексом синтазы жирных кислот. Однако реакция «затравки» происходит с более длинной молекулой, пропионил-АСР, с тремя атомами углерода.

Где и как образуются жирные кислоты с более длинной цепью?

Пальмитиновая кислота, как уже говорилось, служит предшественником многих насыщенных и ненасыщенных жирных кислот с более длинной цепью. Процесс «удлинения» жирных кислот происходит в митохондриях, в то время как введение ненасыщенности происходит в основном в эндоплазматическом ретикулуме.

Многие организмы превращают свои насыщенные жирные кислоты в ненасыщенные в качестве адаптации к низким температурам окружающей среды, поскольку это позволяет им поддерживать точку плавления липидов ниже комнатной температуры.

Свойства жирных кислот

Многие свойства жирных кислот зависят от длины их цепей, а также наличия и количества ненасыщенности:

- Ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления, чем насыщенные жирные кислоты такой же длины.

- Длина жирных кислот (количество атомов углерода) обратно пропорциональна текучести или гибкости молекулы, то есть «более короткие» молекулы более текучие и наоборот.

Как правило, жидкие жирные вещества состоят из короткоцепочечных жирных кислот с ненасыщенностью.

Растения содержат большое количество ненасыщенных жирных кислот, а также животные, живущие при очень низких температурах, поскольку они, как компоненты липидов, присутствующих в клеточных мембранах, придают им большую текучесть в этих условиях.

В физиологических условиях наличие двойной связи в углеводородной цепи жирной кислоты вызывает кривизну около 30 °, что заставляет эти молекулы занимать большее пространство и уменьшать силу их ван-дер-ваальсовых взаимодействий.

Наличие двойных связей в жирных кислотах, связанных с липидными молекулами, оказывает прямое влияние на степень «упаковки», которую они могут иметь в мембранах, к которым они принадлежат, и, таким образом, также влияет на мембранные белки.

Пример образования мицеллы жирной кислоты с карбоксильными группами, экспонируемыми в водной среде (Источник: Benutzer: Anderl через Wikimedia Commons)

Растворимость жирных кислот уменьшается с увеличением длины их цепей, поэтому они обратно пропорциональны. В водных и липидных смесях жирные кислоты объединяются в структуры, известные как мицеллы.

Мицеллы - это структура, в которой алифатические цепи жирных кислот «заключены», таким образом «вытесняя» все молекулы воды, на поверхности которых находятся карбоксильные группы.

Номенклатура

Номенклатура жирных кислот может быть несколько сложной, особенно если ссылаться на общие названия, которые они получают, которые часто связаны с некоторыми физико-химическими свойствами, с местом их нахождения или другими характеристиками.

Многие авторы считают, что, поскольку благодаря концевой карбоксильной группе эти молекулы ионизируются при физиологическом pH, их следует называть «карбоксилатами», используя для этого окончание «ато».

Согласно системе ИЮПАК, количество атомов углерода жирной кислоты осуществляется по карбоксильной группе на полярном конце молекулы, и первые два атома углерода, присоединенные к этой группе, называются α и β соответственно. , Конечный метил цепи содержит атом углерода ω.

Как правило, в систематической номенклатуре им дается название «родительский» углеводород (углеводород с таким же числом атомов углерода), а его окончание «o» заменяется на «oico», если это жирная кислота. ненасыщенный, добавляется окончание «еноевая».

Рассмотрим, например, случай жирной кислоты C18 (C18):

- Поскольку углеводород с таким же числом атомов углерода известен как октадекан, насыщенная кислота называется «октадекановая кислота» или «октадеканоат», а ее общее название - стеариновая кислота.

- Если он имеет двойную связь между парой атомов углерода в своей структуре, он известен как «октадеценовая кислота».

- Если он имеет две двойные связи c - c, тогда он называется «октадекадиеновая кислота», а если он имеет три «октадекатриеновой кислоты».

Если вы хотите резюмировать номенклатуру, то 18: 0 используется для 18-углеродной жирной кислоты и без двойных связей (насыщенных) и, в зависимости от степени ненасыщенности, тогда вместо нуля для молекулы с ненасыщенность, 18: 2 для единицы с двумя ненасыщениями и так далее.

Если вы хотите указать, между какими атомами углерода находятся двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах, используется символ ∆ с числовым надстрочным индексом, указывающим место ненасыщенности, и префиксом «цис» или «транс», в зависимости от конфигурация этого.

Ссылки

1. Бадуи, С. (2006). Пищевая химия. (Э. Кинтанар, ред.) (4-е изд.). Мексика Д.Ф .: Образование Пирсона.
2. Гарретт Р. и Гришем К. (2010). Биохимия (4-е изд.). Бостон, США: Брукс / Коул. CENGAGE Обучение.
3. Мэтьюз, К., ван Холде, К., и Ахерн, К. (2000). Биохимия (3-е изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон.
4. Мюррей, Р., Бендер, Д., Ботам, К., Кеннелли, П., Родуэлл, В., и Вейл, П. (2009). Иллюстрированная биохимия Харпера (28-е изд.). McGraw-Hill Medical.
5. Нельсон, Д. Л., и Кокс, М. М. (2009). Принципы биохимии Ленингера. Omega Editions (5-е изд.).
6. Rawn, JD (1998). Биохимия. Берлингтон, Массачусетс: Нил Паттерсон Паблишерс.
7. Твжичка Е., Креммида Л., Станкова Б. и Зак А. (2011). Жирные кислоты как биосоединения: их роль в метаболизме, здоровье и болезнях человека - обзор. Часть 1: Классификация, источники питания и биологические функции. Биомед Пап Мед Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub, 155 (2), 117–130.