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Stoffklasse: LIPIDEFunktionen in der Zelle
Zellmembranen
Speicherstoffe
Signalstoffe, HormonePigmente
R2
R3
Mg
O
N N
N N
H
H
R5R4
COOR6
1
23
45
67
8
9
10
11
12
13
1313
1415
1617
1819
20
12
21 22
2324
R1
A B
CD
E
21
171
172
173
121
Strukturelle Lipide
Biochemie der Pflanzen G. RichterBiochemistry and Molecular biology of Plants, Buchanan Gruissem Jones
Industrielle Nutzung
Anteilsmässige Verteilung in der Pflanzenzelle von Arabidopsis
Lipide-Struktur-einfache, nicht hydrolisierbare Lipide: -Fettsäuren, Polyisoprenide-komplexe, hydrolisierbare Lipide: -Glycerolipide, Shingolipide
-Biosynthese:
-Fettsäuren -Fettsäuresynthese: Acyl CarrierProtein, Desaturation
-essentielle ungesättigte Fettsäuren
-Membranlipide: -Synthese-Eigenschaften: -Löslichkeit, Organisation
-Lipid-Analytik : -Chromatographie-Massenspektroskopie
-Funktion -Membrankomponenten -Lipiddoppelschicht:
Fluidität, Formfaktoren-Energiespeicher -Triacylglycerol
-Industrielle Nutzung-Signalstoffe -IEP-Pigmente -Carotenoide-Hormone -Jasmonat, Abscisinsäure-Strukturelle Lipide -Wachse
Strukturen 1. Zusammengesetzte Lipide:
Glycerolipide SphingolipidePhospholipid Glycolipid Glucocerebrosid
Carotenoide: Energietransduktion, Photoprotektion
Vorstufe:
2. Einfache, nicht hydrolisierbare Lipide:
1. Zusammengesetzte Lipide: Triacylglycerol
Lipidbiosynthese findet in mehreren Kompartimenten statt
FettsäuresyntheseFettsäureabbau
Phospholipidsynthese
Fettsäuren-Biosynthese:Fettsäuresynthese im ÜberblickSchlüsselreaktionen
1. Synthese von Malonat2. Kondensation Acetyl-SFAS + Malonyl-ACP3. Desaturierung
-Physiologische Rolle ungesättigter Fettsäuren-Verteilung in Organellmembranen-Membranenfluidität -essentielle Fettsäuren
Gesättigte Fettsäuren
Nomenclatur Fettsäuren
• Anzahl der Kohlenstoffatome→18
• Zahl der Doppelbindung→18:1
• Ort der Doppelbindung→18:1∆9
• Cis oder Trans→18:1∆9c
• Ort der Doppelbindungrelativ zur ersten Kohlenstoff der Carbonsäure (∆9) oder zur terminalen Methylgruppe (ωKohlenstoff)→ ω9
ω9
Ölsäure (18:1) ∆9c oder ω9C18H34O2
∆9
Vereinfachtes Schema der De-novoFettsäuresynthese im Chloroplast und Export in
das Cytosolische KompartimentAcetyl-CoA→Malonyl-CoA
Acetyl-ACP Malonyl-ACP
4:0-ACP
6:0-ACP
12:0-ACP 12:0 12:0-S-CoA
14:0-ACP
18:0-ACP 18:0 18:0-S-CoA
18:1-ACP 18:1 18:1-S-CoA
16:0-ACP 16:0 16:0-S-CoA
CytosolChloroplast
Fettsäuresynthese wird eingeleitet durch die Synthese von Malonyl-CoA: Carboxylierung von Acetyl-CoA
Kettenverlängerung durch Kondensation von Acyl-ACP und
Malonyl-ACP
Decarboxylierung der Alkyl-Malonyl-treibt Reaktion
3D NMR Struktur des ACP aus Mycobacterium
Acyl Carrier Protein
Fettsäuresynthese: Einbau von Doppelbindung: Synthese von 18:1 im Chloroplasten als Vorstufe aller ungesättigten C18 Fettsäuren
Acetyl-CoA→Malonyl-CoA
Acetyl-ACP Malonyl-ACP
4:0-ACP
6:0-ACP
12:0-ACP 12:0 12:0-S-CoA
14:0-ACP
18:0-ACP 18:0 18:0-S-CoA
18:1-ACP 18:1 18:1-S-CoA
16:0-ACP 16:0 16:0-S-CoA
CytosolChloroplast
Desaturierung der Fettsäuren durch Stearoyl-ACP ∆9 Desaturase
Oxidation ist anAktivierung von O2 gebunden
Zusammenfassung
• Lipidstrukturen: zusammengesetzte Lipide: bestehen aus Bausteinen aus unterschiedlichen Biosynthese wegen: Beispiel Glycerolipide: Glycerin+Fettsäure
• Fettsäurebiosynthese: -findet im Chloroplasten statt-Synthese von Malonyl-CoA (Carboxylierung von AcetylCoA) initiertFettsäuresynthese-Kondensation von Acetyl-S-FAS und Malonyl-CoA treibt Fettsäuresynthese -Produktion von ungesättigten Fettsäuren durch Desaturasen: Koordinationszustände des binuklearen Eisenzentrums als Grundlage für die durch O2 betriebene Katalyse
Stearoyl-ACP∆9-Desaturase: 3D Struktur
Aktive Zentrum Nicht-Häm Dieisen Zentrum
Aktive Zentrum der Desaturase: Nicht-Häm Di-Eisenzentrum
2 Histidin und 4 Glutamat Liganden
1. Ruhezustand:Diferric Fe (FeIII), µ-oxo
2. Reduktion zum Diferrous Fe (FeII)
3. Bindung von O2 führt zum peroxo Intermediate
(FeIII)
4. Spaltung des O2, Oxidation zum aktivierten
diferryl Fe (FeIV) Intermediate5. Abspaltung des H
Es entsteht ein Radical der Fettsäure
6. Abspaltung des benach-barten H, Doppelbindung
Katalytischer Mechanismus der FAD
Anlagerung des Substrats 18:0 Acyl~ACP
‚Near attack configuration‘: Substrat Konformation ähnlich zuÜbergangzustands
Reactions of diiron enzyme steroyl acyl carrier protein desaturase. Fox et al. Acc. Chem Research 2004
Desaturasen in ER sind Membranproteine
• Nur Pflanzen haben lösliche Desaturasen• Acyl-ACP ist Substrat (und nicht z.B. Acyl-
CoA oder Phospholipide)• NADPH liefert Reduktionsequivalente zur
Ferredoxin• Ferredoxin liefert Reduktionsequivalente an
Desaturase• In Anwesenheit von O2 werden H Atome am
C9 and C10 entfernt• Oxidationsreaktion O2 + 4e- +4H+ → 2H2O
Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (Polyensäuren)
Mutationen der FADs in
Arabidopsiszeigt Spezifität
und Lokalisation der
Enzyme für Acyl-Ketten
In Pflanzen sind die mehrfach ungesättigte Fettsäuren essentiell für autotrophes Wachstum
Lipide in Chloroplastenmembranen
Pflanzen: Rapsöl, Leinöl
Fetter Fische: Eicosapentaensäure
Zusammenfassung• Lipidstrukturen: zusammengesetzte Lipide: bestehen aus
Bausteinen aus unterschiedlichen Biosynthese wegen: Beispiel Glycerolipide: Glycerin+Fettsäure
• Fettsäurebiosynthese -findet im Chloroplasten statt-Synthese von Malonyl-CoA (Carboxylierung von AcetylCoA) initiertFettsäuresynthese-Kondensation von Acetyl-S-FAS und Malonyl-ACP treibt Fettsäuresynthese (Schrittmacherreaktion)-Desaturierung: Produktion von ungesättigten Fettsäuren durch Desaturasen: Koordinationszustände des Di-Eisenzentrums als Grundlage für die durch O2 betriebene Katalyse
• Mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind essentiell für photoautotrophes Wachstum
• Essentielle Fettsäuren für Säugetiere: z.B. Linolsäure als Vorstufen für Eicosanoide