脂肪酸的生物合成

《生物化学》——脂肪酸的合成FATTYACIDBIOSYNTHESIS脂肪酸在生物体内的功能：1.细胞膜的重要组成成分2.细胞内一种能量储存形式3.细胞内一些特殊的营养成分和信号物质植物油深海鱼油三酸甘油酯多不饱和脂肪酸DHAEPA脂肪酸合成的异常会引起机体很多问题：1.肥胖2.脂肪肝3.生长发育迟缓、智力障碍等问题1：脂肪酸或者是脂肪酸衍生物本身还有可能做什么用？脂肪酸合成体系的两种形式I型脂肪酸合成系统多个的催化功能单元在一条肽链上该系统主要存在于真菌以及高等动物的细胞质中II型脂肪酸合成系统每个的催化功能单元都是一个独立的蛋白该系统主要存在于细菌、植物以及高等生物的线粒体中酵母FASα链酵母FASβ链大肠杆菌脂肪酸合成的各个酶大肠杆菌II型脂肪酸合成系统的起始步骤ACC：乙酰辅酶A羧化酶由Acetyl-CoA合成Malonyl-CoAACP：酰基载体蛋白整个反应的“ShuttleBus”AcpS：ACP合成酶（PPTase)将辅酶A的phosphopantetheine基团加载到ACP蛋白上，使ACP活化FabD：malonyl-CoA:ACP转酰基酶(MAT)将Malonyl-CoA加载到活化的ACP蛋白上FabH：β-Ketoacyl-ACPsynthaseIII(KS)负责Malonyl-ACP与Acetyl-CoA的缩合大肠杆菌II型脂肪酸合成系统的延伸步骤FabB/FabF:β-Ketoacyl-ACPsynthaseI/II（负责后续的碳碳键合成,KS）FabG:β-Ketoacyl-ACPreductase（酮基还原酶,KR）FabA/Z:3(R)-Hydroxyacyl-ACPDehydratase（脱水酶,DH）FabI:Enoyl-ACPReductase（烯基还原酶,ER）脂肪酸合成前的准备工作：AcylCarrierProtein的活化修饰ACP:体内数量最多的蛋白之一，活性位点为丝氨酸AcpS属于phosphopantetheinyltransferaseproteinsuperfamily它是以三聚体的形式工作，同时它的催化需要镁离子做为辅助,将apo-ACP变为holo-ACPPhosphopantetheinylarm20ÅfromCoAandACP脂肪酸合成的底物准备：乙酰辅酶A羧化酶(Acetyl-CoACarboxylase)总反应式：总反应机理：Associationofacetyl-CoAcarboxylaseprotomers脂肪酸合成的第一步：加载MALONYL-CoA:ACPTRANSACYLASE(FabD)H3CCOSCoACCOSCoACOOHHHS-ACPHS-ACPHS-CoAHS-CoAH3CCOSACPCCOSACPCOOHHacetyl-CoAacetyl-ACPmalonyl-CoAmalonyl-ACPacetyl-CoA:ACPtransacylasemalonyl-CoA:ACPtransacylaseMAT脂肪酸合成的第二步：起始缩合FabH：β-Ketoacyl-ACPsynthaseIII脂肪酸合成的第三步：还原①FabG:β-Ketoacyl-ACPreductase（酮基还原酶,KR）CCOSACPCHHOH3CNADP+CCOSACPCHHOHH3CHacetoacetyl-ACP-hydroxybutyryl-ACPNADPH+H+Ketoacyl-ACPReductase脂肪酸合成的第三步：还原②FabA/Z:3(R)-Hydroxyacyl-ACPDehydratase（脱水酶,DH）CCOSACPCHtrans-enoyl-ACPH3CHH20-hydroxyacyl-ACPdehydraseCCOSACPCHH-hydroxyacyl-ACPOHH3CH脂肪酸合成的第三步：还原③FabI:Enoyl-ACPReductase（烯基还原酶,ER）CCOSACPCHH3CHNADP+CCOSACPCHH3CHHHtrans-enoyl-ACPenoyl-ACPreductaseNADPH+H+trans-enoyl-ACP脂肪酸合成的最后一步：产物的释放Thioesterase硫酯酶:TETesACCOSACPH3CHHHS-ACPCCOOH3CHHAMP+PPiCCOSH3CHHCoA14Palmitoyl-ACP14PalmiticAcid14ThioesteraseATP+HS-CoAPalmitoyl-CoA让我们再次回顾一下大肠杆菌脂肪酸合成的过程真菌、高等生物中的脂肪酸合成系统是另一种高度的整合方式酵母FASα链酵母FASβ链我们以酵母中的I型脂肪酸合成系统为例对这种高度整合的复合蛋白进行说明该动画由耶鲁大学Prof.XiongYong提供脂肪酸合成的调节机制乙酰辅酶A羧化酶是“重兵把守”的位置本课题组工作——脂肪酸代谢途径的体外重建利用生物化学的传统方法在体外重建代谢途径，更清楚的研究脂肪酸合成。Step1：体外途径系统的构建Step2：体外酶反应以及动力学分析Step3：提炼信息并提供量化的数据Step4：指导体内的遗传改造LiuT.et.al.ME2010体外途径重建系统可以帮助我们快速找到途径中各元件的的最佳比例YuX.andLiuT.et.al.PNAS2011Reference:FabA:FabB:FabD:FabF:FabG:FabH:FabI:FabZ:holo-ACP:TesA1:1:1:1:1:1:1:1:10:10Optimized:FabA:FabB:FabD:FabF:FabG:FabH:FabI:FabZ:holo-ACP:TesA1:1:1:1:1:1:10:10:30:30在优化体系中每个酮基羧化酶每秒可以催化合成1.6个C16的脂肪酸分子,这是我们第一次看到该途径如此高效。实现这一个过程我们只改变了整个系统中四种酶的比例脂肪酸合成途径还能帮助我们解决生活中很多问题LiuT.andKhoslaC.AnnualReviewofGenetics,2010合成生物学中的经典案例MetabolicEngineering,2008,2010;Nature,2010Science,2010;AnnualReviewofGenetics,2010大家是否知道这些药物的生物合成机制？抗菌药物红霉素降血脂药物辛伐他汀抗癌药物多柔比星聚酮合酶与脂肪酸合成酶是一对孪生兄弟聚酮合酶合成的化合物结构更加多变：1.起始单位不同3.循环数不同2.延伸单位不同4.释放和环化的位置不同5.各结构单元参与的程度不同红霉素前体：6-脱氧红霉内酯B合成酶中的各结构域组成和相应的拓扑结构以及每步催化的反应最经典的I型聚酮合酶：红霉素内酯的生物合成像一条严谨有序的装配线重复使用的I型聚酮合酶的代表例子辛伐他汀的前体合成本节小结：1.脂肪酸合成系统分为I型和II型两类2.脂肪酸合成系统包括KS,MAT,ACP,KR,DH,ER,TE3.乙酰辅酶A羧化酶是脂肪酸合成调节的重点4.聚酮合酶是天然药物合成的重要部分，其合成机理与脂肪酸合成完全类似，只是增加更多变量作业与思考题：1.脂肪酸分子的合成是否可以不依赖于ACP的合成？是否可以靠连接在辅酶A上进行？在聚酮合酶中有没有这种可能？Engineeredreversaloftheβ-oxidationcycleforthesynthesisoffuelsandchemicals.DellomonacoC,ClomburgJM,MillerEN,GonzalezR.Nature.2011Aug10;476(7360):355-9.doi:10.1038/nature10333.参考读物：MitochondrialfattyacidelongationPage938Biochemistry3rdEditionbyDonaldVoetandJudithG.Voet2.II型脂肪酸合成系统是怎样联合工作的？