HOOFDSTUK 16 - VETZUURSYNTHESE
Katabolisme: glycolyse, vetzuuroxidatie
Anabolisme: gluconeogenese, vetzuursynthese
INLEIDING
• Cellulaire functie van lipiden
o Opslag: triacylglycerolen
o Structurele componenten van membranen
o Gespecialiseerde lipiden (pigmenten, hormonen, …)
• Primaire componenten: vetzuren
• Vetzuursynthese: strategie van de cel om energie op te slaan in een wateronoplosbare vorm
door gebruik te maken van moleculen die zelf wel wateroplosbaar zijn. Het is een conversie
van wateroplosbaar naar wateronoplosbaar. Het is een wateronoplosbare opslagvorm van
energie (een vet). Moeten gesynthetiseerd worden obv kleinere wel wateroplosbare
bouwmoleculen.
Belangrijk dat een cel vetzuren kan synthetiseren en later ook kan modificeren. Een cel moet
dus een vetzuur kunnen aanmaken om deze later te kunnen gebruiken in allerhande vetten.
De bèta-oxidatie (afbraak) en vetzuursynthese
zijn 2 totaal verschillende processen. Ook heel
belangrijk dat die twee processen doorgaan in
een verschillend celcompartiment. De bèta-
oxidatie in de mitochondriën en de
vetzuursynthese gaat door in het cytosol.
Er is wel een gelijkenis: de bèta-oxidatie is een
cyclisch proces en per cyclus worden 2
koolstofatomen (acetyl coA) afgesplitst van die
staart waardoor de staart steeds korter wordt.
De vetzuursynthese is ook een cyclisch proces
waarbij er steeds 2 koolstofatomen worden
toegevoegd aan de staart. Voor de rest houd de
gelijkenis op.
VERGELIJKING BIOSYNTHESE EN AFBRAAK VAN VETZUREN :
• Synthese:
o Opeenvolgend aanhechten van 2C-elementen, ook cyclisch
• Vetzuuroxidatie:
o Opeenvolgend afsplitsen van 2C-elementen
• Nochtans:
o Verschillende pathways
o Verschillende enzymen
o Verschillende delen van de cel
1
,ALGEMENE KENMERKEN BIOSYNTHESE VAN VETZUREN
o Endergonisch = kost energie. ATP is nodig om complexere structuren te maken.
o ATP als metabole energiebron: er is energie nodig om een vetzuur te maken.
o Vind plaats in cytosol
o Reductief: er is een volledig verzadigd koolwaterstofketen. De cofactor die hier voor
nodig is is NADPH.
▪ NADPH als reductant
▪ NADPH wordt dus verbruikt
▪ Glycolyse + vetzuursynthese allebei in cytosol
▪ Glucose → pyruvaat → Acetyl-CoA → VZ: vetzuren gesynthetiseerd op basis
van koolhydraten
• Van Acetyl-CoA → VZ = anabool; hier wordt NADPH verbruikt
• Van glucose → pyruvaat = katabool; hier wordt NAD+ verbruikt
Belangrijkste proces voor NADPH is PPP, dit gaat door in het cytosol. (Dus vetzuursynthese ook
in cytosol). Er is geen bijkomend transport nodig van NADPH.
Beide gaan wel door in het cytosol! Op hetzelfde moment, in hetzelfde celcompartiment moet
een cel, conceptueel, twee tegenovergestelde dingen doen: iets oxidatief/iets reductiefs; iets
katabool/anabool. Dit is een uitdaging waarvoor de cel staat en dit is biochemisch niet zo
gemakkelijk op te lossen.
Een cel slaagt erin om deze twee processen te doen door twee verschillende cofactoren. De
vetzuursynthese maakt dus gebruik van NADPH! Hierdoor kunnen dus katabole en anabole
processen tegelijk doorgaan.
VOORBEREIDENDE FASE
• Vetzuursynthese: een repetitieve reactie-sequentie = proces dat zichzelf herhaalt (cyclisch
proces).
• Herhalende vier-stapssequentie gekatalyseerd door een multi-enzymencomplex:
vetzuursynthase complex (afzonderlijke 4 namen niet kennen, stappen en intermediairen
ook niet kennen).
• Basisbouwstenen:
o Acetyl-CoA (2C) uit glycolyse is het startpunt van
vetzuursynthese (of naar CZC).
o Malonyl-CoA (3C)
• Per cyclus 2 C-atomen toegevoegd
• 16C (palmitaat, 16:0) verlaat de cyclus: is het
basissynthese product van de vetzuursynthese. 2C van palmitaat is opgebouwd uit acetyl-
coA en de andere 14C zijn afkomstig van malonyl-CoA. (maar malonyl was ook al
opgebouwd uit acetyl-coA dus dit blijft altijd wel de universele precursor).
Alle AcCoA op 1 na worden omgezet naar Malonyl-CoA. Het is een acetylgroep met CO2 eraan.
Koolstofatomen worden toegevoegd als Malonyl-CoA: 1 koolstofatoom meer dan Acetyl-CoA
(AcCoA). AcCoA wordt eigenlijk omgezet naar Malonyl-CoA en Malonyl-CoA wordt gebruikt in de
vetzuursynthese.
2
,• Nodig: acetyl-CoA en malonyl-CoA (waar komt de acetyl-coA vandaan en hoe wordt deze
ter beschikking gesteld voor de VZS? & hoe en waar wordt acetyl-coA omgezet naar
malonyl-CoA? = voorbereidende fase)
• Malonyl-CoA gevormd uit acetyl-CoA
• Bronnen acetyl-CoA: in mitochondria
o Acetyl-CoA voor synthese in mitochondriën gevormd
o Oxidatie van pyruvaat (= afbraak koolhydraten, wordt omgezet naar acetyl-coA via
pyruvaatdehydrogenase) en katabolisme aminozuren
o Acetyl-CoA van vetzuuroxidatie (b-oxidatie) geen bron: reciproke regulatie
vetzuursynthese en afbraak (= als de vetzuursynthese actief is wordt de B-oxidatie
geïnhibeerd en omgekeerd). (Anders zou je een vetzuur afbreken met als bedoeling
een vetzuur te maken.)
• Vetzuursynthese in cytosol: transport acetyl-CoA
Bron van AcCoA zijn suikers en aminozuren (AZ). De Acetyl-CoA die afkomstig is van de bèta-
oxidatie is geen bron voor de vetzuursynthese. Dit zou een futile cycle zijn. Vetzuren kunnen
dus gesynthetiseerd worden op basis van de suikers en op basis van de AZ.
• Vetzuur wordt gevormd vanuit 2C-units
o Afkomstig van acetyl-CoA
o Acetyl-CoA moet eerst worden geactiveerd door conversie naar malonyl-CoA
• Malonyl-CoA gevormd uit acetyl-CoA en bicarbonaat ion (vorm van CO2)
o Irreversibel
o Gekatalyseerd door acetyl-CoA-carboxylase. Dit is de belangrijkste regulatorische
stap van de vetzuursynthese. Zowel allosterisch als hormonaal. Carboxylase
betekend het toevoegen van een C-atoom.
AcCoA wordt eerst omgezet naar malonyl-CoA = activeren van AcCoA. Het enzym dat tot die
activatie aanzet = Acetyl-CoA carboxylase (carboxyleren = koolstofatoom toevoegen). Dus het
carboxyleren van een acetylgroep wil zeggen dat er een extra C-atoom ontstaat. Dit enzym is
het belangrijkste regulatorische enzym van die pathyway. Ter hoogte van dit enzym wordt de
gehele vetzuursynthese geregeld. Deze reactie kost dus al ATP. Voor de activatie van die
acetylgroepen.
• Acetyl-CoA carboxylase is een multi-enzymencomplex
Acetyl-CoA + ATP + CO2 → malonyl-CoA
• Acetyl-CoA-carboxylase is controlerende stap in synthese
• Acetyl-CoA-carboxylase wordt allosterische gereguleerd (zie regulatie)
Palmitaat: 16C: 2C rechtstreeks uit acetyl-CoA. 14 afkomstig van 7 malonyl-coA , kost 7
ATP voor 1 molecuul palmitaat. Ookal is malonyl-CoA 3C, er komen er maar 2C bij in de
vetzuurstaart. Niet denken dat het groeit met 3C.
3
,VETZUURSYNTHESE
• 4-staps reactiesequentie
• Binden acetyl-CoA/malonyl-CoA aan vetzuursynthase (figuur
rechts)
1. Condensatie
2. Reductie
3. Dehydratatie
4. Reductie
Het toevoegen van koolstofatomen gebeurd in deze vier stappen. Hierbij wordt NADPH
verbruikt. Dus per 2 koolstofatomen die toegevoegd worden wordt er 2 NADPH verbruikt.
Eigenlijk een enzymcomplex die allemaal aan elkaar verankerd zijn. Al die enzymen hebben een
eigen naam (niet onthouden!). Enkel onthouden dat dit vetzuursynthase is.
Boven stap 1 zijn er 2 S plekken beschikbaar. Deze plaatsen worden gebruikt om de volgende 2C
op het complex te laden om daarna toe te voegen aan het vetzuur. In stap 1 verdwijnt de CO2
al. Er ontstaat een molecuul van 4C. Er is ATP gebruikt om de CO2 toe te voegen en die
verdwijnt daarna meteen. De cel heeft het ATP gebruikt om een C-C binding te maken na stap 1.
4
,Een vetzuursynthase enzym gaat vanaf nul een enzym maken. Een geactiveerde malonylgroep
wordt gebonden op dat enzym. Ook wordt er een acetylgroep gebonden als primer.
In stap 2 en stap 4 (rode kaders) worden er dus per cyclus 2 moleculen NADPH verbruikt. Er zijn
2 stappen waar gereduceerd wordt, waar NADPH nodig is. In termen van balans is het belangrijk
om te onthouden dat er per cyclus 2 NADPH nodig zijn. De condensatie gaat 7x door voor
palmitaat.
In stap 3 wordt er water afgesplitst. Er wordt dus metabool water geproduceerd bij de
vetzuursynthese. Het enzym gaat op het eind (rechts onder) de groeiende enzymenstaart
verhuizen waardoor er op een nieuwe positie een nieuwe malonylgroep geplaatst kan worden.
Op het figuur hieronder zie je dat er een nieuwe malonyl groep geladen wordt en dat dezelfde
condensatie voor de 2e keer gebeurd. Totaal moet dit 7x doorgaan voor een palmitaat. De 2C
afkomstig van de oorspronkelijke acetyl-Coa zijn degene op het einde van de staart, het verste
van de carboxylgroep. Op het einde wordt het palmitaat afgesplitst van het vetzuursynthase
complex dat leeg achterblijft. Deze zal dan geprimed worden door een acetyl-coA waarna de
reactie opnieuw begint.
Bij de vetzuuroxidatie kwamen de elektronendragers NADH en FADH2 vrij, bij de
vetzuursynthese is er NADPH nodig.
Bij de 3e stap wordt er water afgesplitst.
5
,Uiteindelijk zullen er 16 koolstofatomen zijn.
• Gesatureerde acylgroep vervolgens substraat voor condensatie met volgende geactiveerde
malonylgroep
• Na elke 4-staps cyclus wordt de keten met 2C verlengd
• Eerste 2C van acetyl-CoA: terminaal methyleinde van vetzuur
• Wanneer ketenlengte 16C (palmitaat, 16:0) bereikt: product verlaat de synthesecyclus
Om tot de 16 koolstofatomen te komen zijn nodig: 7 malonyl-CoA en 1 Acetyl-CoA. In de eerste
cyclus is er dus 1 Acetyl-CoA nodig en alle andere koolstofatomen worden aangeleverd door
malonyl-CoA.
7 cycli zijn nodig, hierbij 14 NADPH nodig namelijk 2 per cyclus. Alle koolstofatomen in een
vetzuur komen van Acetyl-CoA alleen komen er maar 2 C-atomen rechtstreeks van Acetyl-CoA.
Daarnaast zijn er nog 7 Acetyl-CoA.
Een vetzuur van 16 C-atomen hiervoor moeten 7 Acetyl-CoA geactiveerd worden en is 7 ATP
nodig.
ENERGETISCHE BALANS
1. Vorming 7 malonyl-CoA moleculen
7 acetyl-CoA + 7 CO2 + 7 ATP → 7 malonyl-CoA + 7 ADP + 7 Pi
2. Zeven cycli van condensatie en reductie
Acetyl-CoA + 7 malonyl-CoA + 14 NADPH + 14 H+
↓
Palmitaat + 7 CO2 + 8 CoA + 14 NADP+ + 6 H2O
• Totale process van palmitaatsynthese
8 acetyl-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14H+
↓
Palmitaat + 8 CoA + 7 ADP + 7 Pi + 14 NADP+ + 6 H2O
• 6 H2O: één molecule water verbruikt voor afsplitsen palmitaat van vetzuursynthase
Tot nu toe dus investering van 7 ATP en 14 NADPH. Daarbij 6 H2O want er worden effectief 7
H2O geproduceerd maar 1 molecule water wordt gebruikt in de allerlaatste stap om het vetzuur
vrij te maken van het enzym: deze reactie kost dus 1 H2O.
6
,TRANSMEMBRANAIR TRANSPORT
• Vetzuursynthese: cytosol
o De mitochondriën zijn betrokken
in vetzuur elongatie. Dus als er
langer dan 16 C-atomen nodig
zijn. Zeggen dat de M geen rol
spelen is dus niet helemaal waar.
Wij beperken ons nu tot de
VZsynthese in het cytosol.
• Subcellulaire lokalisatie
• Hogere eukaryoten:
vetzuursynthasecomplex uitsluitend in
cytosol
• Noodzakelijke componenten:
o ATP
o Acetyl-CoA, zit normaal niet in het cytosol dus moet daar naartoe getransporteerd
worden.
o NADPH nodig in cytosol
TRANSPORT VAN ACETYL-COA
Opletten met de shuttle figuren dat cytosol en mitcohondria omgedraaid staat.
Eigen uitleg figuur
Glucose > pyruvaat > pyruvaatdehydrogenase > acetyl-CoA. Het figuur is het transportsysteem
om acetyl-CoA ter beschikking te stellen voor de vetzuursynthese. Het transportsysteem maakt
gebruikt van de CZC. Het citraat dat eruit wordt onttrokken moet ook weer aangevuld worden.
Het start van de shuttle is de eerste stap van de CZC. CoA heeft 2 moleculen die je toevoegt aan
de structuur van oxaalazijnzuur waardaar je citraat krijgt. De CoA wordt ook weer afgesplitst
waardoor er weer oxaalazijnzuur ontstaat. Netto gebeurt er dus niks met de CZC. Acetyl-coA is
hier dus GEEN intermediar van de CZC.
De transporter transporteert alleen citroenzuur (citraat).
• Noodzakelijke component: acetyl-CoA
• Gevormd in mitochondriën
o Pyruvaatoxidatie = is de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA door het enzym
pyruvaat dehydrogenase.
o Katabolisme C-skeletten aminozuren
o Acetyl-CoA van vetzuuroxidatie geen bron voor vetzuursynthese
• Binnenste membraan mitochondriën impermeabel voor acetyl-CoA
o Shuttle transfereert acetylgroepequivalenten over membraan
7
, Er moet een systeem zijn om dat AcCoA uit de mitochondriën te krijgen naar het cytosol voor de
vetzuursynthese. Hier dient een speciaal transportsysteem voor. AcCoA die in de mitochondriën
zit wordt getransporteerd over de binnenste membraan van de mitochondriën onder de vorm
van citroenzuur. Dus niet getransporteerd als AcCoA.
Aan de linkerkant de mitochondriale-matrix, aan de rechterkant het cytosol. De citraat synthase
reactie maakt van AcCoA citroenzuur. Dit shuttlesysteem maakt gebruikt van de
citroenzuurcyclus (CZC). AcCoA is dus het substraat van citraat synthase. Oxaalazijnzuur → CoA-
SH is gewoon de CZC.
Citraatlyase belangrijk! (omgekeerde van citraatsynthase)
1. Zorgt dat de 2C van citraat afgaan, maakt acetyl-CoA aan, zo is het dus getransporteerd.
2. Kost ook ATP, is een belangrijke stap in de energiebalans van de VZ synthese. Er zijn 8
ATP nodig voor palmitaat.
= sleutelenzym dat acetyl-CoA in cytosol produceert voor de vetzuursynthese. Dit is een
bijkomende kost van de vetzuursynthese want dit kost ATP. In totaal zijn er 8 ATP nodig voor 1
molecule palmitaat. Dus in totaal zit de ATP kost voor 1 vetzuur al op 15 ATP: 8 om AcCoA uit de
MT te krijgen en 7 om deze om te zetten tot malonyl-CoA. Hier dus al aan 15 ATP nodig voor 1
palmitaat.
AcCoA komt vrij in het cytosol en oxaalazijnzuur (oxaalacetaat) moet terug naar de MT zodat de
CZC in evenwicht blijft: er zijn 2 mogelijkheden. Eerst is er de conversie naar malaat. Hierna kan
malaat ofwel rechtstreeks terug naar de CZC of via een alternatieve route. Het verschil tussen de
routes is belangrijk. De buitenste route produceert NADPH maar kost ATP. Heeft dus een
voordeel en een nadeel. De binnenste route is gratis. Waarom zou een cel kiezen voor de
buitenste route? Antwoord: als er niet genoeg NADPH aanwezig is. Dit wordt in het cytosol
geproduceerd en is nodig voor de VZsynthese. In principe is er de PPP die NADPH produceert, die
nodig is in de VZsynthese. Zolang dat dit voldoende is, is de buitenste route niet nodig. De kost is
dan beperkt. Er zijn ook nog andere processen die NADPH gebruiken. Afhankelijk van deze
processen is de PPP misschien niet meer voldoende om NADPH te voorzien. Dan is er malic
enzyme. Dit zet malaat om naar pyruvaat in het cytosol, hierbij wordt NADPH geproduceerd,
deze kan dan gebruikt worden als de PPP onvoldoende was. Dit is een nieuwe route (alternatief)
die in het cytosol pyruvaat oplevert (naast glycolyse). Het kunnen opslaan van energie moet dus
altijd kunnen doorgaan ookal kost het wat meer energie.
De pyruvaat gaat naar M via pyruvaattransporter. Dit is de pyruvaat die afkomstig is vanuit
verschillende routes, zowel van malic enzym als van glycolyse. Pyruvaat wordt in de M omgezet
naar acetyl-coA via pyruvaatdehydrogenase. Er is ook pyruvaat carboxylase, dit is een
anaplerotische reactie, PHD niet (want acetyl-coA is geen intermediair van de CZC). P
carboxylase lijdt tot oxaalazijnzuur, dit is een intermediair van de CZC, op deze manier wordt de
CZC weer aangevuld.
Het pyruvaat wordt dus door 2 enzymen behandeld. Enerzijds door pyruvaat carboxylase,
voldoende om het onttrekken van oxaalazijnzuur te compenseren. Anderzijds door PHD en
acetyl-Coa om te compenseren voor de toevoer die uit de glycolyse komt?
8
