脂肪酸的生物合成

大肠杆菌II型脂肪酸合成系统的延伸步骤
脂肪酸合成前的准备工作：Acyl Carrier Protein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
Phosphopantetheinyl arm 20Å from CoA and ACP
AcpS 属于phosphopantetheinyl transferase protein superfamily 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apoACP变为holo-ACP
酵母 FAS α链
酵母 FAS β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. Xiong Yong 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。
O O
H C C H
O C S ACP
malonyl-ACP
脂肪酸合成的第二步：起始缩合 FabH：β-Ketoacyl-ACP synthase III
脂肪酸合成的第三步：还原
① FabG: β-Ketoacyl-ACP reductase（酮基还原酶, KR）
O H3C C H C H
Ketoacyl-ACP Reductase
实现这一个过程我们只改变 了整个系统中四种酶的比例
Reference: FabA:FabB:FabD:FabF:FabG:FabH:FabI:FabZ:holo-ACP:TesA 1:1:1:1:1:1:1:1:10:10 Optimized: FabA:FabB:FabD:FabF:FabG:FabH:FabI:FabZ:holo-ACP:TesA 1:1:1:1:1:1:10:10:30:30
将Malonyl-CoA加载到活化的ACP蛋白上
FabH：β-Ketoacyl-ACP synthase III (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起始步骤
FabB/FabF: β-Ketoacyl-ACP synthase I/II （负责后续的碳碳键合成, KS） FabG: β-Ketoacyl-ACP reductase（酮基还原酶, KR） FabA/Z: 3(R)-Hydroxyacyl-ACP Dehydratase（脱水酶, DH） FabI: Enoyl-ACP Reductase （烯基还原酶, ER）
NADP+
O C S ACP
acetoacetyl-ACP
NADPH + H+
OH H H3C C H C H
O C S ACP
-hydroxybutyryl-ACP
脂肪酸合成的第三步：还原
②FabA/Z: 3(R)-Hydroxyacyl-ACP Dehydratase（脱水酶, DH）
OH H H3C C H C H
O C S ACP
trans-enoyl-ACP NADPH + H+
enoyl-ACP reductase NADP+
H H3C C H
H C H
O C S ACP
trans-enoyl-ACP
脂肪酸合成的最后一步：产物的释放 Thioesterase 硫酯酶: TE TesA
H O H3C C C S ACP H
脂肪酸合成的底物准备：乙酰辅酶A羧化酶 (Acetyl-CoA Carboxylase)
总反应式：
Association of acetyl-CoA carboxylase protomers
总反应机理：源自文库
脂肪酸合成的第一步：加载
MALONYL-CoA:ACP TRANSACYLASE (FabD)
Yu X. and Liu T. et. al. PNAS 2011
脂肪酸合成途径还能帮助我们解决生活中很多问题
Liu T. and Khosla C. Annual Review of Genetics, 2010
合成生物学中的经典案例
Metabolic Engineering, 2008,2010; Nature, 2010 Science, 2010 ; Annual Review of Genetics, 2010
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？ 2. II型脂肪酸合成系统是怎样联合工作的？
参考读物： Engineered reversal of the β-oxidation cycle for the synthesis of fuels and chemicals. Dellomonaco C, Clomburg JM, Miller EN, Gonzalez R. Nature. 2011 Aug 10;476(7360):355-9. doi: 10.1038/nature10333.
Step 1：体外途径系统的构建
Step 2：体外酶 反应以及动力学 分析
Step 4：指导体内的遗传改造
Step 3：提炼信息并提供量化的数据
Liu T. et. al. ME 2010
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
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。
《生物化学》—— 脂肪酸的合成 FATTY ACID BIOSYNTHESIS
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
植物油
三酸甘油酯
3. 细胞内一些特殊的营养成分 和信号物质
深海鱼油 多不饱和脂肪酸 DHA EPA
脂肪酸合成的异常会引起机体很多问题：
1. 肥胖 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？
O C S ACP
-hydroxyacyl-ACP
-hydroxyacyl-ACP dehydrase
H20
H H3C C H C
O C S ACP
trans-enoyl-ACP
脂肪酸合成的第三步：还原
③ FabI: Enoyl-ACP Reductase （烯基还原酶, ER）
H H3C C H C
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
最经典的I型聚酮合酶：红霉素内酯的生物合成
ACC：乙酰辅酶A羧化酶
由Acetyl-CoA合成Malonyl-CoA
ACP：酰基载体蛋白
整个反应的“Shuttle Bus”
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)
O H3C
acetyl-CoA
C S CoA
HS-ACP
O O
H C C H
O C S CoA
malonyl-CoA HS-ACP
acetyl-CoA:ACP transacylase
HS-CoA
MAT
malonyl-CoA:ACP transacylase HS-CoA
O H3C C S ACP
acetyl-ACP
14 Palmitoyl-ACP
Thioesterase HS-ACP
H O H3C C C O H
14 ATP + HS-CoA Palmitic Acid
AMP + PPi
H O H3C C C S CoA H
14 Palmitoyl-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
2. 脂肪肝
3. 生长发育迟缓、智力障碍等
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
酵母 FAS α链
酵母 FAS β链
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
大肠杆菌脂肪酸合成的各个酶
该系统主要存在于细菌、植物以及高等生物的线粒体中
像一条严谨有序的装配线
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
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, TE
3. 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
Mitochondrial fatty acid elongation Page 938 Biochemistry 3rd Edition by Donald Voet and Judith G. Voet