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Fettsäuresynthese

Die biologische Fettsäuresynthese ist ein anaboler, assimilierender Stoffwechselprozess, bei dem Fettsäuren (z. B. zum Zweck der Speicherung von Energie) hergestellt werden. Sie verläuft durch sukzessiven Anbau von Malonyl-CoA an eine initial vorhandene Acetylgruppe, die an Coenzym A gebunden ist. Im Gegensatz zum Abbau der Fettsäuren, der β-Oxidation, der sich in der Mitochondrienmatrix abspielt, findet deren Aufbau bei Tieren und Pilzen im Cytosol statt.

Inhaltsverzeichnis

Bei Pflanzen läuft die Fettsäuresynthese nur in den Plastiden ab, bei grünen Pflanzenzellen in den Chloroplasten, sonst in den Chromoplasten, Leukoplasten oder Proplastiden. Es laufen dieselben Reaktionen wie im Cytosol ab, jedoch werden nur Fettsäuren bis C18 synthetisiert. Diese können maximal eine Doppelbindung durch eine lösliche Desaturase des Stromas erhalten. Nach Transport ins glatte endoplasmatische Retikulum (sER) erfolgt die Kettenverlängerung, im sER können durch membrangebundene Desaturasen weitere Doppelbindungen eingebaut werden. Der Abbau der Fettsäuren erfolgt bei Pflanzen nicht in den Mitochondrien, sondern nur in Peroxisomen.

Langkettige Fettsäuren sind in Pflanzen der Ausgangspunkt für die Biosynthese von Wachs und Cutin, welche beide für den Schutz vor der Umgebung unentbehrlich sind.

Für die genaue Biosynthese inklusive Strukturformeln siehe Abschnitt Weblinks

Bemerkenswert ist, dass die im Aufbau befindliche Fettsäure bei Säugetieren und Pilzen bis zur endgültigen Fertigstellung an einem multifunktionellen Enzym, der sogenannten Fettsäure-Synthase, gebunden bleibt, die alle sieben Enzymfunktionen trägt. Sie besitzt eine periphere (distale) SH-Gruppe und eine zentrale (proximale) SH-Gruppe an einer Untereinheit des Komplexes, der Acyl-Carrier-Protein-Domäne (ACP). Die einzelnen Enzymfunktionen und ACP sind bei Pflanzen und Bakterien auf verschiedene Proteine verteilt, die sich zu einem Proteinkomplex zusammenlagern. Ebenso existiert bei allen Eukaryoten ein zweiter Fettsäuresyntheseweg in den Mitochondrien, bei welchem die Enzymaktivitäten auf Einzelproteine verteilt sind.

Der Reaktionsweg läuft wie folgt ab:

1) Acetyl-CoA entsteht in mehreren Prozessen, hauptsächlich durch oxidative Decarboxylierung von Pyruvat in der Glykolyse, durch Abbau von Aminosäuren oder durch β-Oxidation von Fettsäuren, dem umgekehrten zum hier dargestellten Prozess.
2)
Carboxylierung (Anlagerung von CO2) von freiem Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA außerhalb des Komplexes durch die Acetyl-CoA-Carboxylase (mit der prosthetischen Gruppe Biotin).
3) M a l o n y l - C o A + A C P - S H A C P S M a l o n y l t r a n s f e r a s e C o A - S H + M a l o n y l - A C P {\displaystyle \mathrm {Malonyl{\text{-}}CoA+ACP{\text{-}}SH{\xrightarrow[{ACP-S-Malonyltransferase}]{}}CoA{\text{-}}SH+Malonyl{\text{-}}ACP} }
Bindung des Malonyl-CoA an die Acyl-Carrier-Protein-Domäne durch die Malonyl-Transferase, dabei wird Coenzym A wieder abgespalten.
4)
Der Acetylrest kondensiert unter Abspaltung von CO2 mithilfe der Ketoacyl-Synthase an den Malonylrest, es bildet sich eine Acetoacetylgruppe (C4) an der proximalen SH-Gruppe; mit jeder der acht „Zyklen“, die die Reaktion durchläuft, bekommt dieses Zwischenprodukt mehr C-Atome (hat folglich auch einen anderen Namen). In Pflanzen und Bakterien kann auch ein anderes Enzym die Kette verlängern, das Acetyl-CoA direkt als Substrat benutzt (KAS III, EC 2.3.1.180).
5)
Reduktion der Keto-Gruppe des Ketoacylrests an C3 durch die Ketoacyl-ACP-Reduktase, das Produkt ist ein Hydroxyacylrest.
6)
Dehydratisierung des Hydroxyacylrests durch die Hydroxyacyl-ACP-Dehydratase zwischen C2 und C3.
7)
Zweite Reduktion der Doppelbindung durch die Enoyl-ACP-Reduktase.
8) Anlagerung von Malonyl-CoA an die ACP-Domäne (=Schritt 3), anschließend sechsmalige Wiederholung des Zyklus und damit Verlängerung des Acylrests an der proximalen SH-Gruppe.
9) Palmitinsäure: C16 wird durch eine Acyl-Hydrolase freigesetzt und dissoziiert sofort zu Palmitat.

Dieser Vorgang wiederholt sich bis zur Fertigstellung, wobei meistens Palmitinsäure durch eine Thiolase hydrolytisch abgespalten wird. Hierbei ist zu beachten, dass die Fettsäure zunächst frei vorliegt. Das Schlüsselenzym der Fettsäuresynthese ist die Acetyl-CoA-Carboxylase, die sowohl allosterisch als auch hormonell reguliert wird.

Die Kettenverlängerung der Fettsäuren wird in der Pflanze durch Elongasen katalysiert.

Dieser Stoffwechselweg spielt beim Menschen unter gewöhnlichen Nahrungsbedingungen eine geringe Rolle, da durch die Nahrung bereits genügend Fette aufgenommen werden. Infolgedessen besteht nicht die Notwendigkeit, aus Kohlenhydraten Fettsäuren aufzubauen. Bei Tieren hat die Fettsäuresynthese noch eine größere Rolle, da diese z. B. eine erhebliche Fettreserve für den Winter bilden müssen.

Fettsäureketten mit ungerader Anzahl von Kohlenstoffatomen entstehen, wenn Propionyl-CoA anstelle von Acetyl-CoA als Startmolekül dient. Die Kettenverlängerung findet dann, wie schon bei den geradzahligen Fettsäuren beschrieben, durch sukzessive Reaktionen mit Malonyl-CoA statt.

iso-Pentadecansäure
anteiso-Pentadecansäure

Verzweigungen am Alkyl-Ende der Fettsäure ergeben sich, wenn die Synthese mit einem verzweigten Molekül beginnt. Dabei spricht man beim Vorhandensein einer zusätzlichen Methylgruppe am vorletzten Kohlenstoffatom der Hauptkette von einer iso-Fettsäure und am vorvorletzten von einer anteiso-Fettsäure. Iso-Fettsäuren entstehen, wenn die Synthese mit Isovaleryl-CoA oder Isobutyryl-CoA beginnt. Diese Verbindungen leiten sich von den verzweigtkettigen Aminosäuren Leucin beziehungsweise Valin ab. Dagegen entsteht durch den Synthesestart mit 2-Methylbutyryl-CoA, das sich von Isoleucin ableitet, eine anteiso-Fettsäure. Weiter innerhalb der Fettsäurekette können aber ebenfalls Methyl-Verzweigungen während der Synthese erzeugt werden. Das geschieht, wenn die Kettenverlängerung nicht mit Malonyl-CoA, sondern mit Methylmalonyl-CoA durchgeführt wird.

Für etliche Bakterienarten wie die Mykobakterien ist die Synthese von verzweigtkettigen Fettsäuren von großer Bedeutung, da Kettenverzweigungen eine Möglichkeit zur Regulierung der Membranfluidität darstellen. Die Biosynthese der längsten natürlichen Fettsäuren, der Mykolsäuren, ist so umfangreich, dass er hier nicht detailliert dargestellt werden kann.

  1. EC 2.3.1.85 (Fettsäure-Synthase (MEC)).
  2. J. K. Hiltunen u. a.: Mitochondrial fatty acid synthesis and respiration. In: Biochimica et biophysica acta Band 1797, Nummer 6–7, 2010 Jun-Jul, S. 1195–1202. doi:10.1016/j.bbabio.2010.03.006. PMID 20226757. (Review).
  3. EC 2.3.1.39 (ACP-S-Malonyltransferase).
  4. EC 2.3.1.41 (β-Ketoacyl-ACP-Synthase I).
  5. EC 1.1.1.100 (3-Ketoacyl-ACP-Reduktase).
  6. EC 4.2.1.61 (3-Hydroxypalmitoyl-ACP-Hydratase).
  7. EC 1.3.1.10 (Enoyl-ACP-Reduktase).
  8. Klaus Urich: Comparative Animal Biochemistry. Springer, Berlin 1994, ISBN 3-540-57420-4,S.564f.
  9. T. Kaneda: Iso- and anteiso-fatty acids in bacteria: biosynthesis, function, and taxonomic significance. In: Microbiol. Rev. 55(2); June 1991: S. 288–302, PMID 1886522 (freier Volltextzugang).

Fettsäuresynthese
fettsäuresynthese, synthese, sprache, beobachten, bearbeiten, übergeordnetlipidbiosynthese, metabolismus, fettsäurengene, ontologyquickgo, biologische, anaboler, assimilierender, stoffwechselprozess, fettsäuren, zweck, speicherung, energie, hergestellt, werden. Fettsauresynthese Art von Synthese Sprache Beobachten Bearbeiten UbergeordnetLipidbiosynthese Metabolismus der FettsaurenGene OntologyQuickGO Die biologische Fettsauresynthese ist ein anaboler assimilierender Stoffwechselprozess bei dem Fettsauren z B zum Zweck der Speicherung von Energie hergestellt werden Sie verlauft durch sukzessiven Anbau von Malonyl CoA an eine initial vorhandene Acetylgruppe die an Coenzym A gebunden ist Im Gegensatz zum Abbau der Fettsauren der b Oxidation der sich in der Mitochondrienmatrix abspielt findet deren Aufbau bei Tieren und Pilzen im Cytosol statt Inhaltsverzeichnis 1 Fettsauresynthese bei Pflanzen 2 Allgemeiner Reaktionsablauf 3 Ungeradzahlige Fettsauren 4 Verzweigtkettige Fettsauren 5 Siehe auch 6 Literatur 7 Weblinks 8 EinzelnachweiseFettsauresynthese bei Pflanzen BearbeitenBei Pflanzen lauft die Fettsauresynthese nur in den Plastiden ab bei grunen Pflanzenzellen in den Chloroplasten sonst in den Chromoplasten Leukoplasten oder Proplastiden Es laufen dieselben Reaktionen wie im Cytosol ab jedoch werden nur Fettsauren bis C18 synthetisiert Diese konnen maximal eine Doppelbindung durch eine losliche Desaturase des Stromas erhalten Nach Transport ins glatte endoplasmatische Retikulum sER erfolgt die Kettenverlangerung im sER konnen durch membrangebundene Desaturasen weitere Doppelbindungen eingebaut werden Der Abbau der Fettsauren erfolgt bei Pflanzen nicht in den Mitochondrien sondern nur in Peroxisomen Langkettige Fettsauren sind in Pflanzen der Ausgangspunkt fur die Biosynthese von Wachs und Cutin welche beide fur den Schutz vor der Umgebung unentbehrlich sind Allgemeiner Reaktionsablauf BearbeitenFur die genaue Biosynthese inklusive Strukturformeln siehe Abschnitt Weblinks Bemerkenswert ist dass die im Aufbau befindliche Fettsaure bei Saugetieren und Pilzen bis zur endgultigen Fertigstellung an einem multifunktionellen Enzym der sogenannten Fettsaure Synthase 1 gebunden bleibt die alle sieben Enzymfunktionen tragt Sie besitzt eine periphere distale SH Gruppe und eine zentrale proximale SH Gruppe an einer Untereinheit des Komplexes der Acyl Carrier Protein Domane ACP Die einzelnen Enzymfunktionen und ACP sind bei Pflanzen und Bakterien auf verschiedene Proteine verteilt die sich zu einem Proteinkomplex zusammenlagern Ebenso existiert bei allen Eukaryoten ein zweiter Fettsauresyntheseweg in den Mitochondrien bei welchem die Enzymaktivitaten auf Einzelproteine verteilt sind 2 Der Reaktionsweg lauft wie folgt ab 1 Acetyl CoA entsteht in mehreren Prozessen hauptsachlich durch oxidative Decarboxylierung von Pyruvat in der Glykolyse durch Abbau von Aminosauren oder durch b Oxidation von Fettsauren dem umgekehrten zum hier dargestellten Prozess 2 Carboxylierung Anlagerung von CO2 von freiem Acetyl CoA zu Malonyl CoA ausserhalb des Komplexes durch die Acetyl CoA Carboxylase mit der prosthetischen Gruppe Biotin 3 M a l o n y l C o A A C P S H A C P S M a l o n y l t r a n s f e r a s e C o A S H M a l o n y l A C P displaystyle mathrm Malonyl text CoA ACP text SH xrightarrow ACP S Malonyltransferase CoA text SH Malonyl text ACP Bindung des Malonyl CoA an die Acyl Carrier Protein Domane durch die Malonyl Transferase 3 dabei wird Coenzym A wieder abgespalten 4 Der Acetylrest kondensiert unter Abspaltung von CO2 mithilfe der Ketoacyl Synthase 4 an den Malonylrest es bildet sich eine Acetoacetylgruppe C4 an der proximalen SH Gruppe mit jeder der acht Zyklen die die Reaktion durchlauft bekommt dieses Zwischenprodukt mehr C Atome hat folglich auch einen anderen Namen In Pflanzen und Bakterien kann auch ein anderes Enzym die Kette verlangern das Acetyl CoA direkt als Substrat benutzt KAS III EC 2 3 1 180 5 Reduktion der Keto Gruppe des Ketoacylrests an C3 durch die Ketoacyl ACP Reduktase 5 das Produkt ist ein Hydroxyacylrest 6 Dehydratisierung des Hydroxyacylrests durch die Hydroxyacyl ACP Dehydratase 6 zwischen C2 und C3 7 Zweite Reduktion der Doppelbindung durch die Enoyl ACP Reduktase 7 8 Anlagerung von Malonyl CoA an die ACP Domane Schritt 3 anschliessend sechsmalige Wiederholung des Zyklus und damit Verlangerung des Acylrests an der proximalen SH Gruppe 9 Palmitinsaure C16 wird durch eine Acyl Hydrolase freigesetzt und dissoziiert sofort zu Palmitat Dieser Vorgang wiederholt sich bis zur Fertigstellung wobei meistens Palmitinsaure durch eine Thiolase hydrolytisch abgespalten wird Hierbei ist zu beachten dass die Fettsaure zunachst frei vorliegt Das Schlusselenzym der Fettsauresynthese ist die Acetyl CoA Carboxylase die sowohl allosterisch als auch hormonell reguliert wird Die Kettenverlangerung der Fettsauren wird in der Pflanze durch Elongasen katalysiert Dieser Stoffwechselweg spielt beim Menschen unter gewohnlichen Nahrungsbedingungen eine geringe Rolle da durch die Nahrung bereits genugend Fette aufgenommen werden Infolgedessen besteht nicht die Notwendigkeit aus Kohlenhydraten Fettsauren aufzubauen Bei Tieren hat die Fettsauresynthese noch eine grossere Rolle da diese z B eine erhebliche Fettreserve fur den Winter bilden mussen Ungeradzahlige Fettsauren BearbeitenFettsaureketten mit ungerader Anzahl von Kohlenstoffatomen entstehen wenn Propionyl CoA anstelle von Acetyl CoA als Startmolekul dient Die Kettenverlangerung findet dann wie schon bei den geradzahligen Fettsauren beschrieben durch sukzessive Reaktionen mit Malonyl CoA statt 8 Verzweigtkettige Fettsauren Bearbeiten iso Pentadecansaure anteiso Pentadecansaure Verzweigungen am Alkyl Ende der Fettsaure ergeben sich wenn die Synthese mit einem verzweigten Molekul beginnt Dabei spricht man beim Vorhandensein einer zusatzlichen Methylgruppe am vorletzten Kohlenstoffatom der Hauptkette von einer iso Fettsaure und am vorvorletzten von einer anteiso Fettsaure Iso Fettsauren entstehen wenn die Synthese mit Isovaleryl CoA oder Isobutyryl CoA beginnt Diese Verbindungen leiten sich von den verzweigtkettigen Aminosauren Leucin beziehungsweise Valin ab Dagegen entsteht durch den Synthesestart mit 2 Methylbutyryl CoA das sich von Isoleucin ableitet eine anteiso Fettsaure Weiter innerhalb der Fettsaurekette konnen aber ebenfalls Methyl Verzweigungen wahrend der Synthese erzeugt werden Das geschieht wenn die Kettenverlangerung nicht mit Malonyl CoA sondern mit Methylmalonyl CoA durchgefuhrt wird 8 Fur etliche Bakterienarten wie die Mykobakterien ist die Synthese von verzweigtkettigen Fettsauren von grosser Bedeutung da Kettenverzweigungen eine Moglichkeit zur Regulierung der Membranfluiditat darstellen Die Biosynthese der langsten naturlichen Fettsauren der Mykolsauren ist so umfangreich dass er hier nicht detailliert dargestellt werden kann 9 Siehe auch Bearbeitena Oxidation b Oxidation CarbonsaurenLiteratur BearbeitenFlorian Horn Biochemie des Menschen Das Lehrbuch fur das Medizinstudium 3 Auflage Thieme 2005 ISBN 3 13 130883 4 Jeremy M Berg John L Tymoczko Lubert Stryer Biochemie 5 Auflage Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2003 ISBN 3 8274 1303 6 Peter Sitte Elmar Weiler 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taxonomic significance In Microbiol Rev 55 2 June 1991 S 288 302 PMID 1886522 freier Volltextzugang Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Fettsauresynthese amp oldid 210226180, wikipedia, wiki, deutsches

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