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A story about Fatty acid (II)
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A story about Fatty acid (II)
之前描述了由Acetyl-CoA经ACC催化生成Malonyl-CoA的过程，也是FA合成过程中的限速步骤，可称之为反应的活化（activation）。进入Malonyl-CoA通路后便一路畅通，类似的反应重复几次变可获得长链的FA，可称之为延伸（elongation），大体反应如下：
Acetyl-CoA+7 Malonyl-CoA+14NADPH--FASN--Palmitate+7 CO2+14 NADP+8 CoA
FA延伸是以Acetyl-CoA（2个C）为单位，经过缩合聚合（condensationstep）、还原（reduction step）、脱水（dehydrationstep）再加一步还原反应，如此反复。此过程中的脂肪酸合成酶（fatty acid synthase,FASN）是关键催化酶，貌似他的功能比较多，一方面如其表意，延伸脂肪酸链；一方面在C链≥16时还可以将酰基转运蛋白（acyl carrier protein,ACP）切除。在FA合成开始时羟基丁酸（β-Hydroxybutyrate,BHBA）可作为C源加入FA链中，但在后续合成的过程中不再由此提供C，而是来自Acetyl-CoA。
From internet
总的来说，FA的合成发生在细胞质中，中间产物与ACP相连（是否有种核糖体的意味？总是要连接在一个蛋白分子上辅助合成，若是能充分利用生化合成，不知是否会为化学合成带来帮助？），延伸过程中以2个C为单位，体供还原力的是NADPH2，一般情况下延伸至16个C时停止聚合，再经过后续加工产生身体所需要的各种脂肪酸类物质。看到这里好像一切都很简单，其实这里也有很多问题：为何FA只能在细胞之中合成？为何线粒体中主要是FA的氧化？为何要延伸至16C？Acetyl-CoA的来源？如何生成？FASN的酶有哪些活性？还是他是一个蛋白复合体，分别行使缩合、聚合、脱水和还原等反应？若反应从中间停止，会发生什么？多余的脂肪酸如何降解？是否会干扰机体的正常运转？
现在不急着作答，只是觉得如果不把FA的合成仅仅看成一个反应，而是一个故事，总是需要有个为什么，需要个缘由。想知道为什么，还是要先了解一些基本的概念。每每想到这里我就非常佩服前人的工作：这条通路时如何一步步被界定的？厉害！我总觉得脂肪酸是包括长链的C在末端连接一个-COOH，是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分。根据链长短可分为短链脂肪酸（shortchain fatty acids, SCFA，C的个数<6），中链脂肪酸（mid chain fatty acids，MCFA, C的个数6~12，主要成分是8C的辛酸和10C的癸酸），长链脂肪酸（longchain fatty acids，LCFA， C的个数>12）。
先看看Acetyl-CoA是从哪里来的。在植物中她至少存在于4个位置：色素体、线粒体、微小体和细胞质，主要由ATP-柠檬酸裂解酶（ATPcitrate lyase，ACL）催化产生。由于她无法自由的透过膜结构（为何？因为结构？没有转运蛋白？还是FA合成过程需要什么限制？），由此她的合成只能在需要的位置发生。曾有文章报道她的前体分子，比如乙酸盐、丙酮酸盐、柠檬酸盐等，但那时具体生理机制还不清楚。[1]现在我们知道乙酰CoA可由糖氧化分解或由脂肪酸、酮体和蛋白分解生成（发生在线粒体中），之后她必须由线粒体转运至胞浆参与FA的合成，此间先要通过一个称为柠檬酸—丙酮酸循环(citrate pyruvate cycle)来完成乙酰CoA由线粒体到胞浆的转移。（看来想知道整个过程是怎样，不得不试着走进曾经让我忌惮的领域，哎，试试看吧！有不正确的地方还请朋友们指正。）
From <https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/pyruvate-oxidation-and-the-citric-acid-cycle/a/the-citric-acid-cycle>
之前在查阅ACC反应机制的时候，看到了生物素辅助转移羧基，而在酶学试验中并未涉及到生物素（biotin，是一种水溶的维生素，可被一些植物、细菌和真菌合成，她有一个主要的生化作用是与一些辅酶共价结合，参与重要物质的代谢过程，比如脂肪合成过程中与ACC结合、亮氨酸代谢中的甲基巴豆酰辅酶A羧化酶（methylcrotonyl-CoAcarboxylase）等），突然看见在buffer中竟然有Citrate（柠檬酸盐），她是做什么用的？看了她的结构感觉这个分子好奇怪，怎么一个C上连着3个-COOH，没过一会儿功夫，瞬间觉得自己傻了，这不是3个羧基吗？不就是三羧酸嘛！不就是TCA cycle嘛！
是的，这就是三羧酸循环中的第一个产物，我们可称之为柠檬酸盐，也可称之为质子化的柠檬酸，最有名气的应该算三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle, TCA），也可称呼她为柠檬酸循环（citricacid cycle）或者以发现者（Hans Krebs）命名的Krebscycle。无论怎么称呼，现在才发现这个循环的重要性，主要因为Acetyl-CoA！在线粒体产生的Acetyl-CoA经过TCA“摇身一变”称为Citrate，这个分子可以经柠檬酸—丙酮酸循环（主要利用线粒体膜上的转运蛋白）转移到细胞质，再通过ACL还回原型的Acetyl-CoA，接着开始后面秘密的FA合成。而在转运的过程中，最为关键的“地下党”或者“易容师”就是草酰乙酸（oxaloacetate），虽说她不可以自由的穿梭于线粒体膜，但她有方法：在线粒体中与Acetyl-CoA缩合成柠檬酸转出线粒体，在线粒体外经苹果酸脱氢酶催化，还原成苹果酸再经线粒体内膜上的载体转运入线粒体，经氧化后补充草酰乙酸，或者在苹果酸酶的催化下氧化脱羧变成丙酮酸再进入线粒体内。（是不是很神奇？！恍惚间好像想起高中学习的一点知识，人们是如何一步步发现这个循环的，可惜，现在已经快要忘干净了。）
From, Nikolau Lab Projects, Iowa State University
那么，合成的脂肪酸去干什么了？和细胞内的哪些结构或功能相关？其中又有哪些关键的靶点呢？平时的感觉是蛋白质才是有营养的物质，比如我们说的必需氨基酸，其实脂肪酸也是身体所必需的，单单从细胞膜上看，这里面的许多磷脂、固醇类物质，都是衍变于脂肪酸，更何况脂肪是能量储存的一种方式，不可小觑。越是重要的部件，在癌细胞中越是关键，因为她们需要疯狂的增长，这就需要每一个功能原件过多的活化，正因如此，脂肪酸合成过程中的关键酶也就成为治疗癌症的靶点选择之一，因为她是癌细胞膜的主要组成部分，也为癌细胞提供大量的能量。
脂肪的合成主要发生于肝脏和脂肪组织，最为广泛的来源是糖酵解（glycolysis）过程产生的Acetyl-CoA，变成Citrate后再经ACL变回Acetyl-CoA，再经ACC催化生成Malonyl-CoA，之后再通过FASN合成长链的棕榈酸（palmitic acid），之后通过Elvol6转化成硬脂酸（stearic acid），后面再通过硬脂酰CoA去饱和酶-1（stearoylCoA desaturase 1, SCD1生成棕榈油酰（palmitoleoyl-）或油酰（oleoyl-）-CoA，进而合成甘油三酯（triglycerides,TG）以VLDL形式分泌到细胞外储存在脂肪组织中或磷脂质（phospholipids）用于合成细胞膜。简单来看，一部分形成自由的FA（暂且称作常规通路），一部分通过甲戊二羟酸途径（mevalonatepathway）合成胆固醇、参与类异戊二烯的蛋白修饰等过程，一部分还可以通过乙酰化（acetylationreactions）过程在表观上调节基因的活性。
Acetyl-CoA related pathways [2]
谈到分子水平的调控总是很复杂，一般来说ACC，FASN和SCD1的表达受控于LXR和SREBP-1c，而AMPK也参与其中的调控。有报道称在多种癌症中ACC、FASN是过表达的，[3, 4]在一些肿瘤中的非饱和脂肪酸也随着SCD1的高活性而大量积累，SREBP1与肿瘤的生长密切相关，[5]也有文章显示脂肪的合成与EGF、HER2、PI3K/Akt通路也有关，还有诸多的磷酸化水平等等；抑制脂肪酸合成酶（FASN）的活性也可通过改变细胞膜结构、抑制信号转导通路、调节基因表达等方式诱导肿瘤细胞凋亡。[6]
Lipogenesis. Upon glucose entry into the cells,pyruvate is formed through glycolysis.[7]
随着研究的不断深入，人们已经发现了更多在FA合成过程中有关键作用的酶，比如和线粒体转运相关的脂酰肉碱转移酶（carnitinetranslocase, CAT）或肉毒碱棕榈酰转移酶I和II（carnitine palmitoyl transferase I and II, CPT1 and 2，这个酶的活性受细胞质中malonyl-CoA浓度的调节）、细胞膜转运的蛋白如FA结合蛋白（FABP）、FA转移酶（FAT），在脂肪酸氧化的过程中也有许多成员有着关键作用，比如羟化Acetyl-CoA的脱氢酶、malonyl-CoA的脱氢酶等等。针对于不同的病症，人们所关注的酶系也会不同，所要筛选的抑制剂或是激动剂也需要选择。对人体或细胞肥胖过度的患者来说，需要抑制FA合成的过程，而对于心力衰竭来说，却需要合适的激动剂刺激FA的吸收和氧化（胎盘的心脏的能量来自葡萄糖，而成人的心脏需要脂肪酸的氧化提供能量，有许多案例显示在心力衰竭患者和动物模型的心脏中可以发现心肌细胞对FA的摄入和氧化存在问题。但，对于FA含量过高的情况另论）。[8]
从上表可以看出抑制某个过程首选限速步骤（蛇打七寸嘛），很容易想到的就是ACC，目前市场上已有一些公开的结构可抑制ACC的活性，目前他们的疗效在临床还存有一些争议。Abbott的特异于ACC2的抑制剂可剂量依赖性的减少肌肉细胞中的Malonyl-CoA，然而她的炔类结构在体内的神经毒性和心血管毒性较高；参考Abbott的结构，Boehringer Ingelheim研制的抑制剂同样降低Malonyl-CoA的含量、刺激FA的氧化、提高对葡萄糖的耐受；Sanofi-Aventis苯基醚类的化合物对ACC1/2没有选择性，加速了脂肪的氧化，但在大鼠和小鼠模型中未能降低肝脏中TG的含量和体重；Tekeda的化合物可适度地抑制ACC1和2，有数据支持可加速脂肪的氧化；Amgen的双重抑制剂可降低Malonyl-CoA的含量，但同时提高了血糖的含量、对葡萄糖的耐受有所下降；天然产物soraphenA可同时抑制ACC1和2，可降低小鼠的体重和机体的脂肪含量，提高对胰岛素的敏感性，只是临床上的安全窗（safetywindow）较小；Nimbus也报道了一个化合物可影响体重、甘油、胆固醇和胰岛素的敏感性，结构并未公开（不知现在是否已经公开，至少Gilead会快速的推进该化合物的临床试验）；Pfizer的spiroketone可降低肝脏和肌肉组织中的Malonyl-CoA，他们还在继续优化化合物的性能，希望能用于治疗糖尿病。[9]
From [9]
看起来非常基础的研究，描述起来却很费劲，若想盯上一个靶点，研制出一个药物真的是难上加难，这是一份挑战智力和毅力的工作。有人说小分子化合物的设计，核心在于化学合成，在于对小分子的修饰和改造。有时我总会有疑问：这些设计的化合物，自然界中没有吗？是否有这样的一个数据库，涵盖了人们所知道的自然界中的小分子？或者，这些新合成的化合物，除了作为治疗的药物意外，人们吃掉以后排到自然界是否会诱发污染？人们总说是药三分毒，或许人们只注意到药物对人类的作用几何，真不知道在合成这个药物的时候，需要产生多少污染，在治疗一个疾病的时候，又增添了几多危险。
TJ Pharmaron
Monday, August 15, 2016
References
https://blog.sciencenet.cn/blog-571539-996674.html
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