व्याख्यान 27 (Lecture 27)

फैटी एसिड और ट्राइएसिलग्लिसरॉल जैवसंश्लेषण (Fatty acid and triacylglycerol biosynthesis)

फैटी एसिड का जैवसंश्लेषण (Biosynthesis of fatty acids)

यह सोचा गया था कि फैटी एसिड जैवसंश्लेषण (fatty acid biosynthesis) β-ऑक्सीकरण मार्ग (β-oxidation pathway) के उलट होने से हुआ।
इसके विपरीत, यह एक अलग मार्ग से होता है जो कई मायनों में β-ऑक्सीकरण से भिन्न होता है।

संश्लेषण (Synthesis) साइटोसोल (cytosol) में होता है, क्षरण (degradation) या ऑक्सीकरण के विपरीत, जो माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स (mitochondrial matrix) में होता है।
फैटी एसिड संश्लेषण (fatty acid synthesis) में मध्यवर्ती (Intermediates) एक एसाइल वाहक प्रोटीन (acyl carrier protein - ACP) के सल्फहाइड्रील समूह (sulfhydryl group) से सहसंयोजक रूप से जुड़े होते हैं जबकि फैटी एसिड टूटने (fatty acid breakdown) में मध्यवर्ती कोएंजाइम ए (coenzyme A) से बंधे होते हैं।
जानवरों में फैटी एसिड संश्लेषण के एंजाइम एक ही पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला (single polypeptide chain) में जुड़ जाते हैं जिसे फैटी एसिड सिंथेज़ (fatty acid synthase) कहा जाता है। इसके विपरीत, क्षरण एंजाइम (degradative enzymes) जुड़े हुए नहीं लगते हैं। पौधे बायोसिंथेटिक प्रतिक्रियाओं (biosynthetic reactions) को अंजाम देने के लिए अलग-अलग एंजाइमों का उपयोग करते हैं।
फैटी एसिड संश्लेषण में रिडक्टेंट (reductant) $NADPH$ है, जबकि फैटी एसिड ऑक्सीकरण (fatty acid oxidation) में ऑक्सीडेंट NAD+ और FAD हैं।

लिपिड (lipid) और कोलेस्ट्रॉल जैवसंश्लेषण (cholesterol biosynthesis) में उपयोग के लिए माइटोकॉन्ड्रियन (mitochondrion) के भीतर से साइटोप्लाज्म (cytoplasm) में एसिटाइल-CoA इकाइयों (acetyl-CoA units) की गति के लिए मार्ग।

फैटी एसिड जैवसंश्लेषण (fatty acid biosynthesis) में निम्नलिखित सात चरण (seven steps) शामिल हैं:

i) मैलोनिल CoA का निर्माण (Formation of malonyl CoA)

एसिटाइल CoA (acetyl CoA) से मैलोनिल CoA (malonyl CoA) का संश्लेषण एसिटाइल CoA कार्बोक्सिलेज (acetyl CoA carboxylase) द्वारा उत्प्रेरित किया जाता है जिसमें बायोटिन (biotin) प्रोस्थेटिक समूह (prosthetic group) के रूप में होता है।
मैलोनिल CoA का उत्पादन फैटी एसिड संश्लेषण (fatty acid synthesis) में प्रारंभिक और नियंत्रक चरण (initial and controlling step) है।
इस प्रतिक्रिया में, बाइकार्बोनेट (bicarbonate) CO₂ के स्रोत के रूप में कार्य करता है।
प्रतिक्रिया दो चरणों में होती है, अर्थात् ATP को शामिल करते हुए बायोटिन का कार्बोक्सिलेशन (carboxylation of biotin) और कार्बोक्सिल समूह (carboxyl group) का एसिटाइल CoA (acetyl CoA) में स्थानांतरण जिसके परिणामस्वरूप मैलोनिल CoA (malonyl CoA) बनता है।
एसिटाइल CoA कार्बोक्सिलेज (Acetyl CoA carboxylase) फैटी एसिड चयापचय (fatty acid metabolism) को विनियमित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है और इसे फॉस्फोरिलीकरण (phosphorylation) द्वारा निष्क्रिय (inactivated) किया जाता है।

ii) एसिटाइल और मैलोनिल ACP का निर्माण (Formation acetyl and malonyl ACP)

एसिटाइल ट्रांससाइलेज़ (Acetyl transacylase) और मैलोनिल ट्रांससाइलेज़ (malonyl transacylase) क्रमशः एसिटाइल ACP (acetyl ACP) और मैलोनिल ACP (malonyl ACP) के गठन को उत्प्रेरित करते हैं।
एसिटाइल ट्रांससाइलेज़ एसिटाइल के साथ-साथ एसाइल समूहों (acyl groups) को स्थानांतरित कर सकता है जबकि मैलोनिल ट्रांससाइलेज़ अत्यधिक विशिष्ट (highly specific) है।

$$ \text{Acetyl CoA} + ACP \xrightarrow{\text{एसिटाइल ट्रांससाइलेज़ (Acetyl transacylase)}} \text{acetyl - ACP} + COASH $$
$$ \text{Malonyl CoA} + ACP \xrightarrow{\text{मैलोनिल ट्रांससाइलेज़ (Malonyl transacylase)}} \text{Malonyl - ACP} + COASH $$

iii) एसिटोएसिटाइल - ACP (β-कीटोएसिल ACP) का निर्माण (Formation of acetoacetyl - ACP (β-ketoacyl ACP))

एसिटोएसिटाइल ACP (acetoacetyl ACP) बनाने के लिए एसिटाइल ACP (Acetyl ACP) मैलोनिल ACP (malonyl ACP) के साथ संघनित (condenses) होता है।
कार्बन डाइऑक्साइड को मैलोनिल ACP (malonyl ACP) से हटा दिया जाता है।

iv) β-कीटोएसिल ACP का β-हाइड्रॉक्सिल एसाइल ACP में कमी (Reduction of β-ketoacyl ACP to β-hydroxyl acyl ACP)

एसिटोएसिटाइल ACP (acetoacetyl ACP) में β-कीटो समूह (β- keto group) को $NADPH$-निर्भर β-कीटोएसिल रिडक्टेस ($NADPH$- dependent β-ketoacyl reductase) द्वारा कम (reduced) किया जाता है।

v) असंतृप्त एसाइल ACP का निर्माण (Formation of unsaturated acyl ACP)

β-हाइड्रॉक्सिल समूह (β-hydroxyl group) γ-कार्बन (γ-carbon) से जुड़े हाइड्रोजन परमाणु के साथ जुड़ता है और α, β-असंतृप्त एसाइल ACP (α, β-unsaturated acyl ACP) बनाने के लिए एक पानी का अणु (water molecule) हटा दिया जाता है।

vi) एसाइल ACP का निर्माण (Formation of Acyl ACP)

असंतृप्त एसाइल ACP (unsaturated acyl ACP) को अगले चरण में कोएंजाइम के रूप में $NADPH$ का उपयोग करके एंजाइम α,β-असंतृप्त एसाइल ACP रिडक्टेस (α,β-unsaturated acyl ACP reductase) द्वारा संतृप्त एसाइल ACP (saturated acyl ACP) में परिवर्तित किया जाता है।
परिणामी उत्पाद में प्रारंभिक सामग्री (starting material) की तुलना में दो अधिक कार्बन परमाणु होते हैं।
मैलोनिल ACP (malonyl ACP) के माध्यम से बाद की एसिटाइल इकाइयों को जोड़ने से 16-कार्बन पामिटेट (16-carbon palmitate) का निर्माण होता है।

फैटी एसिड संश्लेषण की स्टोइकोमेट्री (Stoichiometry of fatty acid synthesis)

पामिटेट (palmitate) के संश्लेषण की स्टोइकोमेट्री (stoichiometry) नीचे दी गई है:

$$ \text{Acetyl CoA} + 7\text{malonyl CoA} + 14NADPH + 20H^+ \longrightarrow \text{Palmitate} + 7CO_2 + 14NADP^+ + 8CoASH + 6H_2O $$

उपरोक्त प्रतिक्रिया में प्रयुक्त मैलोनिल CoA के संश्लेषण (synthesis of the malonyl CoA) का समीकरण है:

$$ 7\text{Acetyl CoA} + 7CO_2 + 7ATP \longrightarrow 7\text{malonyl CoA} + 7ADP + 7P_i + 14H^+ $$

पामिटेट के संश्लेषण (synthesis of palmitate) के लिए समग्र स्टोइकोमेट्री (overall stoichiometry) है:

$$ 8\text{Acetyl CoA} + 7ATP + 14NADPH + 6H^+ \longrightarrow \text{Palmitate} + 14NADP^+ + 8CoASH + 6H_2O + 7ADP + 7P_i $$

फैटी एसिड संश्लेषण और क्षरण (Fatty acid synthesis and degradation) पारस्परिक रूप से विनियमित (reciprocally regulated) होते हैं ताकि दोनों एक साथ सक्रिय (simultaneously active) न हों।

फैटी एसिड का बढ़ाव या लंबी श्रृंखला वाले फैटी एसिड का संश्लेषण (Elongation of fatty acids or synthesis of long chain fatty acids)

फैटी एसिड सिंथेज़ कॉम्प्लेक्स (fatty acid synthase complex) द्वारा बढ़ाव (Elongation) पामिटेट (16 C) के निर्माण पर रुक जाता है।
आगे बढ़ाव (elongation) और डबल बॉन्ड (double bonds) का निर्माण अन्य एंजाइम प्रणालियों द्वारा किया जाता है।
फैटी एसिड जैवसंश्लेषण (fatty acid biosynthesis) का प्रमुख उत्पाद 16-कार्बन फैटी एसिड, पामिटेट (palmitate) है।
लंबी श्रृंखला वाले फैटी एसिड को संश्लेषित करने के लिए अतिरिक्त एंजाइमों (Additional enzymes) की आवश्यकता होती है।
चेन बढ़ाव प्रतिक्रियाएं (Chain elongation reactions) माइटोकॉन्ड्रिया (mitochondria) और माइक्रोसोम (microsomes) दोनों में होती हैं। माइक्रोसोम छोटे झिल्ली-संलग्न पुटिकाएं (membrane-enclosed vesicles) हैं जो कोशिकाओं के एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम (endoplasmic reticulum) से प्राप्त होती हैं।
माइटोकॉन्ड्रिया और माइक्रोसोम फैटी एसिड में दो-कार्बन इकाइयों (two-carbon units) को जोड़कर श्रृंखला बढ़ाव करते हैं।
माइक्रोसोमल प्रणाली (microsomal system) का बहुत शारीरिक महत्व है क्योंकि यह पशु प्रणाली (animal system) में तंत्रिका कोशिकाओं (nerve cells) के मायलिनेशन (myelination) के लिए आवश्यक लंबी श्रृंखला फैटी एसिड (18-24C) प्रदान करता है।
श्रृंखला बढ़ाव (Chain elongation) संघनन (condensation), कमी (reduction), निर्जलीकरण (dehydration) के एक चक्र द्वारा होता है, इसके बाद एक और कमी होती है जो साइटोसोलिक फैटी एसिड जैवसंश्लेषण (cytosolic fatty acid biosynthesis) के समानांतर (parallels) होती है।
अधिक सक्रिय बढ़ाव प्रणाली (more active elongation system) पामिटॉयल-CoA (palmitoyl-CoA) में दो कार्बन जोड़ती है ताकि इसे स्टेरोयल CoA (steroyl CoA) बनाया जा सके।
बढ़ाव का तंत्र (mechanism of elongation) एंजाइम सिस्टम और एसाइल वाहक प्रोटीन (acyl carrier protein) को छोड़कर पामिटेट (palmitate) के संश्लेषण में ज्ञात तंत्र के समान है।

असंतृप्त फैटी एसिड का जैवसंश्लेषण (Biosynthesis of unsaturated fatty acids)

पामिटेट (Palmitate) और स्टीयरेट (stearate) क्रमशः दो सबसे आम मोनोअनसैचुरेटेड फैटी एसिड (monounsaturated fatty acids), पामिटोलिएट (palmitoleate), 16:1, (Δ9) और ओलिएट (oleate), 18:1 (Δ9) के अग्रदूत (precursors) के रूप में काम करते हैं।
इनमें से प्रत्येक फैटी एसिड में C-9 और C-10 के बीच एक डबल बॉन्ड (single double bond) होता है।
फैटी एसाइल-CoA डेसट्यूरेज़ (fatty acyl-CoA desaturase) द्वारा उत्प्रेरित एक ऑक्सीडेटिव प्रतिक्रिया (oxidative reaction) द्वारा फैटी एसिड श्रृंखला में डबल बॉन्ड (double bond) पेश किया जाता है, जो $NADPH$-निर्भर एंजाइम है।
असंतृप्त फैटी एसिड (unsaturated fatty acids), लिनोलिएट (linoleate), 18:2 (Δ9,12) और α-लिनोलेनेट (α-linolenate), 18:3 (Δ9,12,15) स्तनधारियों (mammals) द्वारा संश्लेषित नहीं किए जा सकते हैं; लेकिन पौधे दोनों को संश्लेषित कर सकते हैं।
उपरोक्त दोनों फैटी एसिड के संश्लेषण के लिए जिम्मेदार डेसट्यूरेसेस (desaturases) पौधों के एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम (endoplasmic reticulum) में मौजूद हैं।
संयंत्र डेसट्यूरेसेस (plant desaturases) फॉस्फेटिडिलकोलाइन-बाउंड ओलिएट (phosphatidylcholine-bound oleate) को ऑक्सीकृत करते हैं और पॉलीअनसेचुरेटेड फैटी एसिड (polyunsaturated fatty acids) का उत्पादन करते हैं और फैटी एसिड में सीधे डबल बॉन्ड नहीं जोड़ते हैं।
एक बार अंतर्ग्रहण (ingested) होने के बाद, लिनोलिएट (linoleate) आसानी से जानवरों और मनुष्यों में γ-लिनोलेनेट (γ-linolenate), एराकिडोनिक एसिड (arachidonic acid) आदि जैसे अन्य पॉलीअनसेचुरेटेड फैटी एसिड में परिवर्तित हो जाता है।

ट्राइएसिलग्लिसरॉल का जैवसंश्लेषण (Biosynthesis of triacylglycerols)

ट्राइएसिलग्लिसरॉल (Triacylglycerols) लिपोलिसिस (lipolysis) के उलट (reversal) होने से संश्लेषित (synthesised) नहीं होते हैं।
वे एक अलग तंत्र (different mechanism) द्वारा संश्लेषित होते हैं जिसमें ग्लिसरॉल (glycerol) और फैटी एसिड (fatty acids) दोनों एसाइलग्लिसरॉल (acylglycerols) में शामिल होने से पहले ATP द्वारा सक्रिय (activated) होते हैं।

i) ग्लिसरॉल का सक्रियण (Activation of glycerol)

ग्लिसरॉल किनेज (Glycerol kinase) ग्लिसरॉल 3-फॉस्फेट (glycerol 3-phosphate) में ग्लिसरॉल (glycerol) के सक्रियण को उत्प्रेरित करता है।
यदि ग्लिसरॉल किनेज कम मात्रा में पाया जाता है या अनुपस्थित है, तो ग्लिसरॉल 3-फॉस्फेट ग्लाइकोलाइसिस (glycolysis) से प्राप्त डायहाइड्रॉक्सीसिटोन फॉस्फेट (dihydroxyacetone phosphate) से बनेगा और यह प्रतिक्रिया एंजाइम ग्लिसरॉल 3-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज (glycerol 3-phosphate dehydrogenase) द्वारा उत्प्रेरित होती है।

ii) फैटी एसिड का सक्रियण (Activation of fatty acids)

ATP और CoASH का उपयोग करते हुए एंजाइम एसाइल CoA सिंथेटेस (acyl CoA synthetase) द्वारा फैटी एसिड (Fatty acids) एसाइल CoA (acyl CoA) में सक्रिय (activated) हो जाते हैं।
एसाइल CoA (acyl CoA) के दो अणु 1,2-डायसिलग्लिसरॉल फॉस्फेट (1,2-diacylglycerol phosphate) बनाने के लिए ग्लिसरॉल 3-फॉस्फेट (glycerol 3-phosphate) के साथ जुड़ते हैं।
1,2-डायसिल ग्लिसरॉल फॉस्फेट (1,2-diacyl glycerol phosphate) का निर्माण दो चरणों में होता है, जो ग्लिसरॉल 3-फॉस्फेट एसाइल ट्रांसफरेज़ (glycerol 3-phosphate acyl transferase) और फिर 1-एसाइल ग्लिसरॉल 3-फॉस्फेट एसाइल ट्रांसफरेज़ (1-acyl glycerol 3- phosphate acyl transferase) द्वारा उत्प्रेरित होता है।
1,2-डायसिल ग्लिसरॉल (1,2-diacyl glycerol) बनाने के लिए फॉस्फेटिडिक फॉस्फेट (phosphatidate phosphatase) द्वारा 1,2-डायसिल ग्लिसरॉल फॉस्फेट (1,2-diacyl glycerol phosphate) से फॉस्फेट समूह को हटा दिया जाता है।
ट्राइएसिलग्लिसरॉल (Triacylglycerols) अंततः डायसिलग्लिसरॉल (diacylglycerol) के साथ एसाइल CoA (acyl CoA) के एक या अधिक अणु के एस्टरीफिकेशन (esterification) द्वारा बनते हैं।

ट्राइएसिलग्लिसरॉल जैवसंश्लेषण के लिए वैकल्पिक मार्ग (Alternative pathway for triacylglycerol biosynthesis)

इस मार्ग में, ग्लाइकोलाइसिस (glycolysis) से डायहाइड्रॉक्सीसिटोन फॉस्फेट (dihydroxyacetone phosphate) $NADPH$ द्वारा कम किया जाता है, एसाइलेटेड (acylated) किया जाता है और लिसोफोस्फेटिडैट (lysophosphatidate) में परिवर्तित किया जाता है।
यह मार्ग कुल ट्राइएसिलग्लिसरॉल संश्लेषण (total triacylglycerol synthesis) के 10% से भी कम के लिए जिम्मेदार है।

अस्वीकरण (Disclaimer):
यह स्टडी मटेरियल ICAR के मूल कंटेंट का हिंदी अनुवाद है। हम इसकी पूर्ण सटीकता के लिए उत्तरदायी नहीं हैं। यह फाइल अभी केवल सुधार और परीक्षण (Improvement Purpose) के लिए यहाँ उपलब्ध कराई गई है। बहुत जल्द हम इसे डाउनलोड करने के लिए PDF फॉर्मेट में अपडेट करेंगे।

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