La synthèse des acides gras est le processus par lequel sont produits les composants fondamentaux des lipides les plus importants dans les cellules (acides gras), qui participent à de nombreuses fonctions cellulaires très importantes.
Les acides gras sont des molécules aliphatiques, c'est-à-dire qu'ils sont essentiellement composés d'atomes de carbone et d'hydrogène liés entre eux de manière plus ou moins linéaire. Ils ont un groupe méthyle à une extrémité et un groupe carboxylique acide à l'autre, pour lesquels ils sont appelés «acides gras».
Résumé de la synthèse des acides gras (Source: Mephisto spa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)
Les lipides sont des molécules utilisées par différents systèmes de biosynthèse cellulaire pour la formation d'autres molécules plus complexes telles que:
- phospholipides membranaires
- triglycérides pour le stockage d'énergie et
- les ancres de certaines molécules spéciales trouvées à la surface de nombreux types de cellules (eucaryotes et procaryotes)
Ces composés peuvent exister sous forme de molécules linéaires (avec tous les atomes de carbone saturés de molécules d'hydrogène), mais ceux à chaîne droite et certaines saturations peuvent également être observés, c'est-à-dire avec des doubles liaisons entre leurs atomes de carbone.
Les acides gras saturés peuvent également être trouvés avec des chaînes ramifiées, dont la structure est légèrement plus complexe.
Les caractéristiques moléculaires des acides gras sont cruciales pour leur fonction, car nombre des propriétés physico-chimiques des molécules qu'ils forment en dépendent, notamment leur point de fusion, leur degré de conditionnement et leur capacité à former des bicouches.
Ainsi, la synthèse des acides gras est une question hautement régulée, car il s'agit d'une série d'événements séquentiels critiques pour la cellule à de nombreux points de vue.
Où se produit la synthèse des acides gras?
Dans la plupart des organismes vivants, la synthèse des acides gras se produit dans le compartiment cytosolique, tandis que leur dégradation se produit principalement entre le cytosol et les mitochondries.
Le processus dépend de l'énergie contenue dans les liaisons ATP, du pouvoir réducteur du NADPH (généralement dérivé de la voie du pentose phosphate), du cofacteur de la biotine, des ions bicarbonate (HCO3-) et des ions manganèse.
Chez les mammifères, les principaux organes de synthèse des acides gras sont le foie, les reins, le cerveau, les poumons, les glandes mammaires et le tissu adipeux.
Le substrat immédiat pour la synthèse de novo des acides gras est l'acétyl-CoA et le produit final est une molécule de palmitate.
L'acétyl-CoA dérive directement de la transformation d'intermédiaires glycolytiques, c'est pourquoi une alimentation riche en glucides favorise la synthèse des lipides (lipogenèse) ergo, également des acides gras.
Enzymes impliquées
L'acétyl-CoA est le bloc de synthèse à deux carbones utilisé pour la formation d'acides gras, car plusieurs de ces molécules sont liées consécutivement à une molécule de malonyl-CoA, formée par la carboxylation d'un acétyl-CoA.
La première enzyme de la voie, et l'une des plus importantes du point de vue de sa régulation, est celle en charge de la carboxylation de l'acétyl-CoA, connue sous le nom d'acétyl-CoA carboxylase (ACC), qui est un complexe Un composé enzymatique composé de 4 protéines et utilisant la biotine comme cofacteur.
Cependant, et malgré les différences structurelles entre les différentes espèces, l'enzyme acide gras synthase est responsable des principales réactions de biosynthèse.
Cette enzyme est, en réalité, un complexe enzymatique composé de monomères ayant les 7 activités enzymatiques différentes, nécessaires à l'élongation de l'acide gras à la «naissance».
Les 7 activités de cette enzyme peuvent être répertoriées comme suit:
- ACP: protéine porteuse du groupe acyle
- Acétyl-CoA-ACP transacétylase (AT)
- β-cétoacyl-ACP synthase (KS)
- Malonyl-CoA-ACP transférase (MT)
- β-cétoacyl-ACP réductase (KR)
- β-hydroxyacyl-ACP déshydratase (HD)
- Enoyl-ACP réductase (ER)
Dans certains organismes comme les bactéries par exemple, le complexe acide gras synthase est constitué de protéines indépendantes qui s'associent entre elles, mais sont codées par des gènes différents (système acide gras synthase de type II).
Enzyme synthase d'acide gras de levure (Source: Xiong, Y., Lomakin, IB, Steitz, TA / domaine public, via Wikimedia Commons)
Cependant, chez de nombreux eucaryotes et certaines bactéries, le multienzyme contient plusieurs activités catalytiques qui sont séparées en différents domaines fonctionnels, dans un ou plusieurs polypeptides, mais qui peuvent être codées par le même gène (système de synthase d'acide gras de type I).
Étapes et réactions
La plupart des études menées concernant la synthèse des acides gras impliquent les découvertes faites dans le modèle bactérien, cependant, les mécanismes de synthèse des organismes eucaryotes ont également été étudiés en profondeur.
Il est important de mentionner que le système synthase d'acide gras de type II est caractérisé en ce que tous les intermédiaires d'acyle gras sont liés de manière covalente à une petite protéine acide connue sous le nom de protéine de transport d'acyle (ACP), qui les transporte d'une enzyme à l'autre.
Chez les eucaryotes, au contraire, l'activité ACP fait partie de la même molécule, étant entendu que la même enzyme possède un site particulier pour la liaison des intermédiaires et leur transport à travers les différents domaines catalytiques.
L'union entre la protéine ou la partie ACP et les groupes acyle gras se fait par des liaisons thioester entre ces molécules et le groupe prosthétique 4'-phosphopantéthéine (acide pantothénique) de l'ACP, qui est fusionné avec le groupe carboxyle de l'acyle gras.
- Initialement, l'enzyme acétyl-CoA carboxylase (ACC) est responsable de la catalyse de la première étape de «l'engagement» dans la synthèse des acides gras qui, comme mentionné, implique la carboxylation d'une molécule d'acétyl-CoA pour former l'intermédiaire de 3 atomes de carbone appelés malonyl-CoA.
Le complexe acide gras synthase reçoit les groupements acétyle et malonyle, qui doivent correctement «remplir» les sites «thiol» de celui-ci.
Cela se produit initialement par le transfert de l'acétyl-CoA au groupe SH de la cystéine dans l'enzyme β-cétoacyl-ACP synthase, une réaction catalysée par l'acétyl-CoA-ACP transacétylase.
Le groupe malonyl est transféré du malonyl-CoA au groupe SH de la protéine ACP, un événement médié par l'enzyme malonyl-CoA-ACP transférase, formant le malonyl-ACP.
- L'étape d'initiation de l'élongation de l'acide gras à la naissance consiste en la condensation du malonyl-ACP avec une molécule d'acétyl-CoA, réaction dirigée par une enzyme à activité β-cétoacyl-ACP synthase. Dans cette réaction, de l'acétoacétyl-ACP est alors formé et une molécule de CO2 est libérée.
- Les réactions d'élongation se produisent dans des cycles où 2 atomes de carbone sont ajoutés à la fois, dans lesquels chaque cycle consiste en une condensation, une réduction, une déshydratation et un deuxième événement de réduction:
- Condensation: les groupes acétyle et malonyle se condensent pour former un acétoacétyl-ACP
- Réduction du groupe carbonyle: le groupe carbonyle du carbone 3 de l'acétoacétyl-ACP est réduit, formant la D-β-hydroxybutyryl-ACP, une réaction catalysée par la β-cétoacyl-ACP-réductase, qui utilise le NADPH comme donneur d'électrons.
- Déshydratation: les hydrogènes entre les carbones 2 et 3 de la molécule précédente sont éliminés, formant une double liaison qui se termine par la production de trans -∆2-buténoyl-ACP. La réaction est catalysée par la β-hydroxyacyl-ACP déshydratase.
- Réduction de la double liaison: la double liaison trans-del2-buténoyl-ACP est réduite pour former la butyryl-ACP par l'action de l'énoyl-ACP réductase, qui utilise également le NADPH comme réducteur.
Pour poursuivre l'allongement, une nouvelle molécule de malonyle doit se lier à nouveau à la partie ACP du complexe acide gras synthase et commence par sa condensation avec le groupement butyryle formé lors du premier cycle de synthèse.
Structure du palmitate (Source: Edgar181 / Domaine public, via Wikimedia Commons)
À chaque étape d'élongation, une nouvelle molécule de malonyl-CoA est utilisée pour faire croître la chaîne sur 2 atomes de carbone et ces réactions sont répétées jusqu'à ce que la longueur appropriée (16 atomes de carbone) soit atteinte, après quoi une enzyme thioestérase libère l'acide gras complet par hydratation.
Le palmitate peut être traité ultérieurement par différents types d'enzymes qui modifient ses caractéristiques chimiques, c'est-à-dire qu'ils peuvent introduire des insaturations, prolonger sa durée, etc.
Régulation
Comme de nombreuses voies de biosynthèse ou de dégradation, la synthèse des acides gras est régulée par différents facteurs:
- Dépend de la présence d'ions bicarbonate (HCO3-), de vitamine B (biotine) et d'acétyl-CoA (lors de l'étape initiale de la voie, qui implique la carboxylation d'une molécule d'acétyl-CoA au moyen d'un intermédiaire carboxylé de biotine pour former le malonyl-CoA).
- C'est un chemin qui se produit en réponse aux caractéristiques énergétiques cellulaires, car lorsqu'il y a une quantité suffisante de «carburant métabolique», l'excès est converti en acides gras qui sont stockés pour une oxydation ultérieure en période de déficit énergétique.
Au niveau de la régulation de l'enzyme acétyl-CoA carboxylase, qui représente l'étape limitante de l'ensemble de la voie, elle est inhibée par le palmitoyl-CoA, principal produit de synthèse.
Son activateur allostérique, d'autre part, est le citrate, qui dirige le métabolisme de l'oxydation à la synthèse pour le stockage.
Lorsque les concentrations mitochondriales d'acétyl-CoA et d'ATP augmentent, le citrate est transporté dans le cytosol, où il est à la fois un précurseur de la synthèse cytosolique de l'acétyl-CoA et un signal d'activation allostérique pour l'acétyl-CoA carboxylase.
Cette enzyme peut également être régulée par phosphorylation, un événement déclenché par l'action hormonale du glucagon et de l'épinéphrine.
Références
- McGenity, T., Van Der Meer, JR et de Lorenzo, V. (2010). Manuel de microbiologie des hydrocarbures et des lipides (p. 4716). KN Timmis (éd.). Berlin: Springer.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA et Rodwell, VW (2014). La biochimie illustrée de Harper. Mcgraw-hill.
- Nelson, DL et Cox, MM (2009). Principes de Lehninger de la biochimie (pp. 71-85). New York: WH Freeman.
- Numa, S. (1984). Métabolisme des acides gras et sa régulation. Elsevier.
- Rawn, JD (1989). Biochimie-édition internationale. Caroline du Nord: Neil Patterson Publishers, 5.