Module 7: Synthese van vetzuren en cholesterol
1 Vetzuursynthese
1.1 Inleiding
Functie van vetzuren:
– Basis voor andere chemisch actieve moleculen zoals prostaglandinen, leukotriënen of plasmalogenen.
– Membraanlipiden voortdurend vervangen in niet-delende cel. Aanmaak van membraanlipiden in groeiende of delende cel.
– Bestanddeel lipidendubbellaag, ze worden veresterd aan glycerol of sfingosine en zorgen voor hydrofobe omgeving.
– Cellen kunnen vetzuren produceren tijdens periode van energetische rijkdom en opslaan als triglyceriden onder vorm van
intracellulaire vetdruppeltjes in cytoplasma. De energievoorraad kan tijdens periode energietekort worden aangesproken.
Cellen hebben regelmechanisme waarmee ze reciproke fluxcontrole hebben over vetzuuroxidatie en vetzuursynthese.
Malonyl-CoA (bouwsteen voor vetzuursynthese) treedt op als allosterische inhibitor van de vetzuuroxidatie:
1) Vetzuren worden in aangemaakt door het vetzuursynthase gemaakt als palmitaat (C16-verzadigd).
2) De vetzuurstaart kan worden verlengd (elongatie) of voorzien worden van cis-dubbele bindingen (desaturatie).
Deze processen vinden plaats in het glad endoplasmatisch reticulum.
1.2 Vetzuursynthese en bèta-oxidatie
De vetzuursynthese is niet het omgekeerde proces van bèta-oxidatie.
Vetzuurafbraak en vetzuuropbouw verlopen volgens gescheiden enzymsystemen en gescheiden celcompartimenten.
Voordeel van een dergelijke scheiding is de reciproke regeling.
Verschillen tussen vetzuurafbraak en vetzuuropbouw:
Vetzuurafbraak of bèta-oxidatie Vetzuuropbouw
Vindt plaats in mitochondriale matrix Vindt plaats in het cytoplasma en SER
Losstaande enzymen gecodeerd door losstaande genen. Bevat multifunctionele enzymen (vetzuursynthase).
Metabolieten diffunderen in matrix van mitochondria. Tijdens aangroei vetzuurketen, blijft covalent gebonden.
FADH2 en NADH2 worden gevormd Verbruikt NADPH
Kan zowel korte als lange ketens afbreken Kan geen langere vetzuren maken dan palmitaat (C16),
langere worden gemaakt door vetzuurelongatie in SER.
139
,2 Drie fasen van de vetzuursynthese
2.1 De verschillende fases van vetzuursynthese
Vetzuren kunnen gemaakt worden vanuit glucose die via de glycolyse en oxidatieve decarboxylering wordt omgezet tot acetyl-CoA.
Naast ATP (uit de oxidatieve fosforylering) is er ook reducerend vermogen nodig dat ontstaat via de hexosemonofosfaatshunt (uit
pentosefosfaatweg) en via de pyruvaat-citraatshuttle.
De vetzuursynthese bestaat uit 3 fasen:
1) Fase 1: start met export van acetyl-CoA van mitochondriale matrix naar cytoplasma via citraat-pyruvaatshuttle. Acetyl-CoA
wordt geactiveerd tot malonyl-CoA in fluxgenererend proces. Malonyl-CoA is ook sleutel tot fluxcontrole vetzuuroxidatie.
2) Fase 2: geactiveerde bouwsteen worden door het vetzuursynthase omgezet tot palmitaat (C16) door repetitieve condensatie
van acetyleenheden op de groeiende keten en reductie van het bèta-koolstofatoom.
3) Fase 3: verschillende vetzuren worden gemaakt in SER door elongatie (ketenlengte vergroten) of desaturatie (onverzadigde
bindingen maken) of een combinatie van beide.
140
,2.2 Fase 1: Export en activering
2.2.1 Export van acetyl-CoA naar het cytoplasma
In fase 1 van vetzuursynthese wordt er een voorraad van geactiveerde bouwstenen aangelegd in cytoplasma. Alle koolstofatomen
van een vetzuur zijn afkomstig van acetylgroep acetyl-CoA. Maar omdat oxidatieve decarboxylering plaatsvindt in mitochondriale
matrix, moet de bouwsteen verhuizen naar het cytoplasma. Co-enzym A kan niet door de binnenste mitochondriale membraan,
daarom is transportmechanisme nodig namelijk de citraat-pyruvaat-shuttle.
De citraat-pyruvaatshuttle brengt het acetyl-CoA op de plaats van bestemming en cytoplasmatisch NADH wordt omgezet in NADPH.
De shuttle kost 2 ATP-moleculen per molecuul acetyl-CoA (één door het citraatlyase en één door het pyruvaatcarboxylase). Nu kan
acetyl-CoA in de fluxgenererende stap worden geactiveerd.
Citraat-pyruvaat-shuttle bestaat uit 2 fasen die onderverdeeld worden in verschillende stappen:
1) Fase 1:
A) Acetyl-CoA condenseert in matrix mitochondrium met oxaloacetaat, waardoor citraat gevormd wordt. (Krebscyclus)
B) Citraat verlaat Krebscyclus en diffundeert via citraatcarrier-eiwit naar cytoplasma.
C) ATP-citraatlyase (ACLY) (ATP!): citraat → acetyl-CoA en oxaloacetaat.
2) Fase 2:
D) Cytoplasmatisch malaatdehydrogenase (MDH1): reductie van oxaloacetaat → malaat.
E) Cytoplasmatisch malic enzyme (ME1): oxidatieve decarboxylering van malaat → pyruvaat.
F) Transport van pyruvaat van cytoplasma naar de mitochondriale matrix via pyruvaatcarrier-eiwit.
G) Pyruvaatcarboxylase (PC): anaplerose van pyruvaat → oxaloacetaat.
141
,2.2.2 Acetyl-CoA wordt geactiveerd tot malonyl-CoA
1) Acetyl-CoA-carboxylase:
Het wordt gecodeerd door twee paraloge genen (ACACA en ACACB).
Katalyseert ATP-afhankelijke carboxylatie van acetyl-CoA → malonyl-CoA met biotine (vitamine B12) als co-enzym.
Katalyseert fluxgenererende stap vetzuursynthese, onderhevig aan allosterische en fosforyleringsafhankelijke controle.
2) AMP-gevoelige proteïnekinase: fosforylering inactiveert het enzym. Stijging van AMP zorgt voor een gedaalde energy charge.
Omdat de vetzuursynthese veel energie kost, is deze regeling zinvol voor het behoud van een hoge energy charge.
3) Proteïnefosfatase 2A: defosforylering. In lever en vetcellen wordt het geactiveerd door insuline en geremd door adrenaline.
De allosterische invloed wordt gedomineerd door activerende citraat dat de ACAC-monomeren doet polymeriseren tot filamenten.
142
,2.3 Fase 2: Reductie en vetzuursynthase
2.3.1 Reductieve biosynthese van palmitaat
De tweede fase start als er genoeg geactiveerde bouwstenen zijn. Tijdens reductieve synthese vetzuren is ‘acylgroep-in-wording’
covalent gebonden aan acylcarrierproteïne (ACP). Het is een eiwit dat CoA-achtige groep als cofactor gebonden heeft op één van
zijn serinezijketens. Het is een lange flexibele arm die de acylgroep tijdens de reductieve biosynthese naar de juiste actieve plaatsen
van katalyse brengt.
1) Condensing enzyme (exergonische reactie): malonyl-CoA → bèta-ketoacyl-ACP + CO2
2) Bèta-ketoacylreductase: bèta-ketoacyl-ACP + NADHPH + H → hydroxyacyl-ACP + NADP
3) Dehydratase: hydroxyacyl-ACP → enoyl-ACP + H2O
4) Enoylreductase: enoyl-ACP+ NADPH → acyl-ACP + NADP
5) Thio-esterase: acyl-ACP → palmitaat
Afsplitsen van CO2 van malonyl-CoA is exergonische reactie. Nu wordt begrijpelijk waarom acetyl-CoA-carboxylase de bouwsteen
eerst moet activeren. Na de condensatie ontstaat er een bèta-ketoacyl-ACP dat via drie stappen wordt gereduceerd tot acyl-ACP.
Stoichiometrisch synthese van palmitaat:
Acetyl-CoA + 7 malonyl-CoA + 14 NADPH → palmitaat + 7 CO2 + 14 NADP+ + 8 CoA
Rekening houdend met de synthese van malonyl-CoA:
8 Acetyl-CoA + 7 ATP +14 NADPH → palmitaat + 7 ADP + 7 Pi + 14 NADP+ + 8 CoA
Zodra palmitaat gevormd is, kan de derde fase van elongatie en desaturatie beginnen.
143
,2.3.2 Vetzuursynthase maakt palmitaat
Bij bacteriën worden voorgaande enzymatische stappen door losstaande enzymen gekatalyseerd, gecodeerd door afzonderlijke
genen. De synthese van vetzuren gebeurt bij de mens ter hoogte van vetzuursynthase (FASN). FASN is een multifunctioneel enzym,
een moleculaire ‘lopende band’ die verzekerd wordt door een homodimeer van twee grote eiwitmoleculen) die zich oprollen tot een
driedimensionale structuur met drie verschillende domeinen:
1) Domein dient voor opladen met malonyl-CoA en voor condensatie, hiervoor malonyltransferase en condensing enzyme nodig.
2) Reductie-eenheid met naast ketoacylreductase, dehydratase en enoylreductase ook het ACP.
3) Thio-esterase, dat zorgt voor het loskomen van het eindproduct.
Verloop:
1) Malonyltransferase (opladen bouwsteen): malonylgroep wordt binnengebracht en aan ACP verbonden
2) Condensing enzyme: malonyl-CoA → bèta-ketoacyl-ACP + CO2
3) Bèta-ketoacylreductase: bèta-ketoacyl-ACP + NADHPH + H → hydroxyacyl-ACP + NADP
4) Dehydratase: hydroxyacyl-ACP → enoyl-ACP + H2O
5) Enoylreductase: enoyl-ACP+ NADPH → acyl-ACP + NADP
6) Acylcarrierproteïne (ACP) (translocatie): acylketen wordt overgedragen van ACP naar lege plaats condensing enzyme
7) Thio-esterase: breekt binding tussen ACP en de acylgroep → vrij palmitaat
ACP kan nieuwe malonylgroep ontvangen van het malonyltransferase zodat er een nieuwe condensatie-reductie-translocatiecyclus
kan beginnen. De vetzuursynthese wordt verzekerd door een multifunctionele machine, waarbij alle tussenproducten covalent aan
het enzym gebonden zijn en tijdens de opeenvolgende elongatiecycli van plaats verwisselen tussen twee sites (ACP en condensing
enzyme).
144
,2.4 Fase 3: Vetzuurelongatie en vetzuurdesaturatie
Palmitaat is in veel gevallen niet het eindpunt. De vetzuurstaart kan op verschillende manieren veranderd worden:
1) Vetzuurelongatie: koolstofketen kan verder verlengd worden door aanbouw van extra C2-bouwstenen in SER. Het resultaat
is dat de ketenlengte van 16 C-atomen toeneemt tot C18 of zelfs meer. Hiervoor heb je malonyl-CoA nodig als bouwsteen en
enkele elongerende enzymen (vb. langeketenvetzuurelongase 6 = ELOVL6).
2) Vetzuurdesaturatie: koolstofskelet kan op welbepaalde plaatsen worden voorzien van cis-onverzadigde bindingen. Hiervoor
heb je speciale enzymen nodig (vb. stearoyl-CoA-desaturase 1 = SCD1). SCD1 neemt 2 substraten om de 2 zuurstofatomen
van dizuurstof te reduceren tot twee watermoleculen. Een belangrijk co-enzym van het SCD1 is cytochroom b5.
Stearoyl-CoA + NADPH + O2 → oleyl − CoA + NAPD+ + 2H2O
Het is een gemengdefunctie-oxidase.
Voor deze redoxreactie is er een speciaal elektronentransportsysteem waarin het cytochroom b5 zit. De mens bezit geen enzymen
om onverzadigde bindingen te genereren die verder van de COO--terminus liggen dan het negende koolstofatoom. De mens is niet
in staat om het linoleaat en linolenaat te maken. Deze moeten we opnemen via voeding, het zijn dus essentiële vetzuren. Linoleaat
kan door de mens worden omgezet in arachidonaat, zodat dit poly-onverzadigde vetzuur niet essentieel is.
A) Stearaat (C18)
B) Oleaat (C16 cis-9)
C) Linoleaat (C18 cis-9,12): omega-6-vetzuur
D) Linolenaat (C18 cis-9,12,15): omega-3-vetzuur
E) EPA (eicosapentaeenzuur): omega-3 visolie
F) DHA (docosahexaeenzuur): omega-3 visolie
G) Elaidinezuur (C18 trans-9): schadelijke
verontreiniging in voeding
Cis-onverzadigde vetzuren hebben een ‘knik’ die de samenklontering vetzuurmoleculen bemoeilijkt. Dit vormt daling vanderwaals-
aantrekkingskracht waardoor membranen minder stijf zijn. Het is gunstig voor fluïditeit membraan en wordt bewerkstelligd door
desaturasen. Poly-onverzadigde vetzuren hebben veel cis-dubbele bindingen van plantaardige oliën en in visolie.
Naargelang aantal C’s vanaf uiteinde staart tot verste dubbele binding, spreekt men van omega-9-, omega-6- en omega-3-vetzuren.
Deze verhogen de fluïditeit van membranen bij inname.
Trans-onverzadigde vetzuren hebben geen ‘knik’ waardoor de membranen stijver zijn. Inname van transvetten verandert profiel
van circulerende lipoproteïnen waardoor het risico op het ontstaan van hart- en vaatziekten vergroot.
145
,3 Triglyceriden
3.1 Triglyceriden
Eigenschappen:
Belangrijke energiebron in plantaardig en dierlijk voedsel. Strategische brandstofvoorraad in wit vetweefsel.
Triacylglycerolsythestase-complex maakt nieuwe TG vanuit vetzuren en glycerol-3-fosfaat.
Verschillende lipasen verteren TG met water in de darmholte in de bloedbaan en in de vetcellen.
Synthese triglyceriden:
Er zijn twee verschillende wegen, en ze hebben een gemeenschappelijke punt = diacylglycerol.
1. Glycerol-3-fosfaatweg (G3P weg)
2. Monoacylglycerolweg (MAG weg)
3.2 Lipasen
Actieve lipasen vetcellen: pancreatisch lipase (de vetvertering), lipoproteïne lipase (vertering VLDL en chylomicronen), adipocyt
TG lipase (eerste lipase vetcellen) en hormoonsensitief lipase (hormoongevoelig in vetcellen). Naast vetcellipasen zijn er andere
lipasen in het menselijk lichaam werkzaam:
Pancreatisch lipase in dunnedarmholte hydroliseert triglyceriden voedsel tot mengsel monoacylglycerolen en vrije vetzuren.
De werking van dit enzym wordt bijgestaan door een colipase en door galzouten.
Lipoproteïnelipase in endotheelcellen kleine bloedvaten zal triglyceriden chylomicronen en VLDL hydrolyseren tot mengsel
van monoacylglycerolen, vrije vetzuren en glycerol.
Enzymatische afbraak van triglyceriden:
Triacylglycerol wordt overal in het lichaam afgebroken tot mengsel van monoacylglycerol, vrije vetzuren en glycerol. Deze afbraak
wordt gekatalyseerd door een serie lipasen die in het menselijk lichaam werkzaam zijn. Deze hydrolyse is van groot belang voor
het aanspreken van de strategische brandstofvoorraad wanneer onvoldoende energie uit de voeding gehaald wordt.
1) Vetcel-triglyceridenlipase (ATGL): triglyceriden → 1 vrij vetzuur + diacylglycerol.
2) Hormoonsensitief lipase (HSL): diacylglycerol → monoacylglycerol.
3) Monoacylglycerollipase (MGL): monoacylglycerol → glycerol.
De afbraak gebeurt wanneer voeding onvoldoende energie kan leveren:
1) Stijging adrenaline in bloed leidt tot activatie van bèta-3-adrenerge receptoren op vetcellen.
2) Activatie leidt tot stijging cAMP, fosforylering van HSL en fosforylering van perilipine-1 (PLIN1) (klevend-eiwit).
3) HSL verhuist vanuit het cytoplasma naar de vetdruppel en interageert met gefosforyleerd PLIN1.
4) Hierdoor komt het regelende eiwit ABHD5 vrij, zodat dit het enzym ATGL kan activeren.
5) De sequentiële hydrolyse van triglyceriden komt op gang.
Wanneer we gaan eten:
1) Daling adrenaline in bloed en stijging van insuline.
2) Vetcel stopt met triglyceridenafbraak omdat de fosforylering van PLIN1 en van HSL ongedaan wordt gemaakt.
3) De positie en activiteit van de belangrijke eiwitten keert dan terug naar de basale toestand.
146
,4 De novo cholesterolsynthese (mevalonaatweg)
4.1 Eerste fase: synthese van IPPP, de geactiveerde bouwsteen
Verloop:
1) Bèta-ketothilase: 2 acetyl-CoA → acetoacetyl-CoA.
2) HMG-CoA synthase 1: acetyl-CoA + acetoacetyl-CoA → HMG-CoA (= 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA).
3) HMG-CoA-reductase (HMGCR): HMG-CoA → mevalonaat + NADP+ + co-enzym A
4) MVK, PVMK en MVD: mevalonaat + 3 ATP → isopentenylpyrofosfaat (IPPP) + 3 ADP + CO2 + Pi.
Er is een fundamenteel verschil met de productie van ketonlichamen. Het HMG-CoA synthase heeft 2 types:
De novo productie cholesterol Ketogenese
In cytoplasma meeste cellen In mitochondriale matrix levercellen
Door HMG-CoA-synthase 1 (HMGCS1) Door HMG-CoA-synthase 2 (HMGCS2)
HMG-CoA-reductase (HMGCR) wordt sterk beïnvloed door cholesterolconcentratie in membraan ER en is daarmee de plaats bij
uitstek voor regeling van novo synthese. Bovendien is deze fluxgenererende stap doelwit van de statinen. Er is hier ook verschil
met ketogenese: voor productie ketonlichamen (ketogenese) splitst mitochondriaal HMG-CoA lyase (HMGCL) acetoacetaat af.
4.2 Tweede fase: polymerisatie van IPPP tot squaleen (C30)
6 IPPP’s polymeriseren tot een isopreenpolymeer squaleen. Squaleen is niet alleen metaboliet in de mevalonaatweg, maar wordt
gebruikt ook als adjuvans in bepaalde vaccins gebruikt. De structuur van IPPP laat modulaire opbouw toe zoals legostenen die
gekoppeld kunnen worden tot een lange toren.
Verloop:
5) IPPP isomeert tot dimethylallylpyrofosfaat.
6) Dimethylallylpyrofosfaat → allyl-carbocation + IPPP
7) Farnesyldifosfaatsynthase 1 (FDPS): allyl-carbocation + IPPP → geranyldifosfaat (C10)
8) Farnesyldifosfaatsynthase 1 (FDPS): geranyldifosfaat (C10) → allyl-carbocation + IPPP → farnesyldifosfaat (C15)
9) Squaleen synthase (FDFT1): 2 farnesyldifosfaat (C15) → squaleen (C30)
147
, 4.3 Derde fase: ringvorming en zijketenmodificaties
Verloop:
10) Squaleenepoxidase (QQLE): squaleen (C30) → squaleen-epoxide
11) Lanosterolsynthase (LSS): squaleen-epoxide → sterol-carbocation dominoreactie: A-, B- C- en D-ringen ontstaan.
12) Lanosterolsynthase (LSS): sterol-carbocation → lanosterol (C30) domino-effect: methylgroep D-ring verwisselt.
13) 19 stappen: lanosterol (C30) → cholesterol
Lanosterol is aanwezig in schapenwol omdat het waterafstotende eigenschappen heeft.
Met squaleen kan je verschillende eindproducten maken waaronder rubber, bèta-caroteen (= terpeen), enzovoort.
148
