脂肪酸的生物合成

malonyl-CoA:ACP transacylase
HS-CoA
O
HO O
H3C C S ACP
acetyl-ACP
C O
a
C C S ACP H malonyl-ACP
9
脂肪酸合成的第二步：起始缩合 FabH：β-Ketoacyl-ACP synthase III
a
10
脂肪酸合成的第三步：还原
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
a
26
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
a
27
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
Optimized: FabA:FabB:FabD:FabF:FabG:FabH:FabI:FabZ:holo-ACP:TesA 1:1:1:1:1:1:10:10:30:30 a Yu X. and Liu T. et. al. PNAS 202111
• 脂肪酸合成途径还能帮助我们解决生活中很多问题
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)
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
Mitochondrial fatty acid elongation Page 938 Biochemistry 3rd Edition by Donald Voet and Judith G. Voet
a
29
Liu T. and Khosala C. Annual Review of Genetics, 201202
• 合成生物学中的经典案例
Metabolic Engineering, 2008,2010; Nature, 2010
a
Science, 2010 ; Annual Review of Genetics, 201203
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
a
28
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？
H 20
HO
H 3C C C C S A C P
H
tra n s -e n o y l-A C P
a
12
脂肪酸合成的第三步：还原
③ FabI: Enoyl-ACP Reductase （烯基还原酶, ER ）
HO
H 3C C C C S A C P
H
tra n s -e n o y l-A C P
a
11
脂肪酸合成的第三步：还原
②FabA/Z: 3(R)-Hydroxyacyl-ACP Dehydratase（脱水酶, DH）
OH H O
H 3C C C C S A C P H H -h y d ro x y a c y l-A C P
-h y d ro x y a c y l-A C P d ehyd rase
• 大肠杆菌II型脂肪酸合成系统的延伸步骤
a
6
• 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
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.
a
18
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
a
19
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。
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
① FabG: β-Ketoacyl-ACP reductase（酮基还原酶, KR）
O H3C C
HO C C S ACP H acetoacetyl-A CP
NADPH + H+
K etoacyl-A C P R eductase
NADP+
OH H O
H3C C C C S ACP H H -hydroxybutyryl-A C P
II型脂肪酸合成系统
大肠杆菌脂肪酸合成的各个酶
每个的催化功能单元都是一个独立的蛋白 该系统主要存在于细菌、植物以及高等生物的线粒体中
a
4
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)
NADPH + H+
e n o y l-A C P re d u c ta s e
NADP+
HH O
H 3C C C C S A C P H H tra n s -e n o y l-A C P
a
13
脂肪酸合成的最后一步：产物的释放 Thioesterase 硫酯酶: TE TesA
HO H 3C C C S A C P
《生物化学》—— 脂肪酸的合成 Fatty Acid Biosynthesis
• 刘天罡 药学院 • 2012年9月18日
a
1
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
3. 细胞内一些特殊的营养成分 和信号物质
植物油
深海鱼油 a
三酸甘油酯
多不饱和脂肪酸 DHA EPA 2
H
14
P a lm ito y l-A C P
T h io e s te ra s e
H S -A C P
HO
H 3C C C O
P a lm itic A c id
H
14
A T P + H S -C o A
AM P + PPi
HO
H 3 C C C S C o A P a lm ito y l-C o A
a
Liu T. et. al. ME 201020
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。 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
• 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？
2. 脂肪肝
3. 生长发育迟缓、智力障碍等
a
3
• 脂肪酸合成体系的两种形式
I型脂肪酸合成系统
酵母 FAS α链
多个的催化功能单元在一条肽链上
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
• 大肠杆菌II型脂肪酸合成系统的起始步骤
a
5
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）
a
8
• 脂肪酸合成的第一步：加载
• MALONYL-CoA:ACP TRANSACYLASE (FabD)
O
H3C C S CoA acetyl-CoA
acetyl-CoA:ACP transacylase
HS-ACP
MAT
HS-CoA
HO O
C C C S CoA
O
malonyl-CoA
H
HS-ACP
• 大家是否知道这来自百度文库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
a
24
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
a
25
最经典的I型聚酮合酶：红霉素内酯的生物合成
H
14
a
14
• 让我们再次回顾一下大肠杆菌脂肪酸合成的过 程
a
15
• 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
a
16
酵母 FAS α链 酵母 FAS β链
a
17
• 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
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apo-
ACP变为holo-ACP
a
7
• 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：