全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 5期
2008年 10月
Vol. 20, No.5
Oct., 2008
文章编号 :1004-0374(2008)05-0816-05
收稿日期:2008-04-21;修回日期:2008-06-10
基金项目:广东省科技计划项目(2005B10401011);广
东省自然科学基金 (5011595)
*通讯作者:E-mail:lmjiang@yahoo.com
脂肪酸去饱和酶的研究进展
曾硕士,江黎明*,元冬娟
(广东医学院生物化学系,湛江 524023)
摘 要:多不饱和脂肪酸由于其在生物体内具有重要的生物活性而越来越受到研究者的关注,特别是 n-
3系列的脂肪酸 EPA(二十碳五烯酸)和DHA(二十二碳六烯酸)。脂肪酸去饱和酶在多不饱和脂肪酸的生物
合成过程中起着重要的作用,本文对其目前研究进展进行了阐述。
关键词:多不饱和脂肪酸;脂肪酸去饱和酶;构象
中国分类号:Q78; Q946.81 文献标识码:A
Research and dvelopment of fatty acid desaturase
ZENG Shuo-shi, JIANG Li-ming*, YUAN Dong-juan
(Department of Biochemistry, Guangdong Medical College, Zhanjiang 5424023, China)
Abstract: More attention was paid to polyunsaturated fatty acids (PUFAs) which have important biological
activity in all organisms, especially the eicosapentaenoic acid(EPA) and docosahexaenoic acid(DHA) of n-3 family
group. And fatty acid desaturases play a key role on the biosynthesis of the PUFAs, this review will elaborate
on the investigation and progress of these desaturases.
Key words: polyunsaturated fatty acids; fatty acid desaturases; conformation
生物体内的脂肪酸分为饱和脂肪酸和不饱和脂
肪酸。不饱和脂肪酸根据双键的数目分为单不饱和
脂肪酸和多不饱和脂肪酸:单不饱和脂肪酸指烃链
中含有一个双键的脂肪酸;多不饱和脂肪酸是指烃
链含有两个及两个以上双键的脂肪酸。存在于生物
体内的多不饱和脂肪酸主要分为两大类:n-3系列
和 n-6系列。n-3系列的脂肪酸是指从甲基端开始的
第三号碳原子存在双键的脂肪酸,主要包括α-亚麻
酸、EPA(二十碳五烯酸) 20:5n-3、DHA(二十二
碳六烯酸) 22:6n-3;n-6系列的脂肪酸是指从甲
基端开始的第六号碳原子存在双键的脂肪酸,主要
包括亚油酸、γ -亚麻酸、AA(二十碳四烯酸)20:4n-6。
n-3系列和n-6系列多不饱和脂肪酸是机体生物膜的
重要组成成分,对生物膜的生化活性及维系细胞的
生物学功能起着重要作用,同时也是许多重要生物
活性分子的前体,可被代谢转化为前列腺素、血栓
素、白三烯和脂氧素等重要生物活性分子,对细胞
的趋化、炎症反应、血管的通透和收缩等多种细胞
功能有重要的调节作用[1]。
1 脂肪酸去饱和酶的分类
脂肪酸去饱和酶存在于几乎所有生物中,是催
化多不饱和脂肪酸生物合成的关键酶类。根据脂肪
酸去饱和酶作用的底物不同可以分为 3类:(1)可溶
性的酰基 -ACP(酰基载体蛋白)去饱和酶,能将与酰
基载体蛋白相结合的脂肪酸去饱和,在其烃链上引
入双键,存在于植物质体的基质中;(2)酰基 -lipid
去饱和酶是一类膜结合的酶,能将结合于甘油酯上
的脂肪酸去饱和形成双键,或在糖脂结合的脂肪酸
烃链上引入双键,存在于内质网膜、植物的叶绿体
膜,一些杆菌的质膜上;(3)酰基 -CoA去饱和酶,
也是一种膜结合蛋白,能在与辅酶A结合的脂肪酸
的烃链上引入双键,存在于动物及真菌的内质网膜上[2]。
817第5期 曾硕士,等:脂肪酸去饱和酶的研究进展
1.1 酰基-ACP去饱和酶 酰基-ACP去饱和酶是脂
肪酸去饱和酶家族中唯一的可溶性的酶,存在于植
物的叶绿体或者质体的基质中,催化与酰基载体蛋
白结合的脂肪酸去饱和,主要有△ 9酰基 -ACP去饱
和酶,催化与ACP结合的硬脂酸或软脂酸的 9号和
10号碳原子之间去饱和形成油酸和软油酸。已经从
蓖麻子、黄瓜、红花、大豆、菠菜和翼叶山牵牛
( Thunberia alata) 中克隆获得了其编码序列 [3]。
每个脂酰 -ACP 去饱和酶结合2 个铁原子, 它们
与氧原子形成反应复合物, 将C-C 单键转化成C=C。
蓖麻种子硬脂酰-ACP 去饱和酶 0.24Å分辨率晶体
结构进行晶体学分析显示,它形成了一个二铁原子
的活性中心,两个铁原子的结合高度对称,其中一
个铁原子和侧链的Glul96与His146作用;另一个与
侧链Glul05与 Hisl46作用,Glu143和Glu229的侧
链对两个铁原子起协调作用,其晶体结构显示存在
有一个很深的沟, 从酶的表面延伸到内部, 很可能是
脂肪酸烃链的结合部位[4]。对可溶性的酰基 -ACP去
饱和酶进行结构改造,发现将△ 6-棕榈酰 -ACP去
饱和酶的 5个氨基酸残基替换后,能够转变成具有
△9硬脂酰-ACP去饱和酶功能的酶。△9硬脂酰-ACP
去饱和酶晶体结构的进一步分析,推测脂肪酸链长
C18或 C16的识别主要是由容纳脂肪酸烃链的空穴
底部氨基酸残基的特性决定的。用Gly和 Phe分别
替代△6棕榈酰-ACP去饱和酶中的Ala188和Trp189
后,使得结合脂肪酸烃链的空穴扩大了,能容纳增
加 2个甲基基团的脂肪酸链,因此能对 C16和 Cl8
的脂肪酸进行去饱和[5]。
最近,从英国常青藤中克隆得到了的一种多功
能的酰基 -ACP去饱和酶,在拟南芥和大肠杆菌中
表达显示它能对16:0-ACP的△4位去饱和及18:0-ACP
的△ 9位去饱和,同时它还能将16:1△9和 18:1△9转
化成相对应的△ 4,9双烯。这表明可能存在两种底
物结合的模式:一种是将△ 4位结合到含铁活性位
置;另一种是将△ 9位结合到含铁活性位置。这为
进一步了解区域专一性的决定部位提供了合适的研
究对象[6]。Guy等[7]获得了英国常青藤的这种多功能
酰基 -ACP去饱和酶的1.95 Å分辨率的晶体结构,显
示其结合的两个Fe原子之间距离大约是 3.2 Å,一个
U型氧桥将这两个Fe原子连接起来,是目前报道的
唯一一个以氧化 Fe3+-Fe3+形式存在的去饱和酶,将
其与推测的蓖麻△ 9硬脂酰 -ACP去饱和酶的活性位
点进行对比,发现在蓖麻的去饱和酶活性位点中协
调 2号Fe原子的His227仅通过一个水分子与2号Fe
原子有微弱的联系,与两个 F e 原子相互作用的
Glu224侧链也与这两个Fe原子失去了相互作用,同
时认为环绕底物结合孔穴表面的氨基酸和其他存在
于孔穴底部的氨基酸可能是酶底物特异性的决定因
素。
1.2 酰基-COA去饱和酶 大多数酰基-CoA去饱和
酶由 300- 350个氨基酸组成, 是一种膜结合的蛋
白质,跨膜 4 次,主要存在于动物、酵母、真菌
中。这类酶接受来自细胞色素 b5和NADH-细胞色
素b5还原酶组成的电子转运系统提供的电子。 现已
从不同的物种中克隆到了△ 5、△ 6和△ 9脂酰 -CoA
去饱和酶,但是研究较多的是 SCD(硬脂酰 -CoA去
饱和酶)。该酶在与辅酶A相结合的饱和脂肪酸烃链
的△ 9位引入双键形成单不饱和脂肪酸,在哺乳动
物体内的脂类代谢以及能量消耗过程中起着关键性
作用。硬脂酰 -CoA去饱和酶的编码基因已经从大
鼠、小鼠、牛、人类及仓鼠中克隆获得。硬酰基 -
CoA1是从大鼠中克隆的硬脂酰 -CoA去饱和酶 4种
亚型中了解最为清楚的一个,包含 355个氨基酸,
能被食物和激素因素所调节,在调节脂肪代谢过程
中起重要的作用[8]。
1.3 酰基 -lipid去饱和酶 多数酰基 -lipid去饱和酶
也是由 300一 350个氨基酸残基组成, 跨膜 4次,
主要存在于高等植物和蓝细菌中。在蓝细菌的细胞
及叶绿体中,此酶利用铁氧还蛋白作为电子供体;
而在植物细胞质中, 这种酶则利用由细胞色素b5和
NADH-细胞色素 b5还原酶组成的系统作为电子供
体。
△ 9酰基 -lipid去饱和酶基因己经从玫瑰花瓣,
拟南芥、红藻、高山被孢霉,蓝细菌中克隆得到。
其中红藻△ 9酰基 -lipid去饱和酶基因与动物和真菌
的脂酰-CoA去饱和酶基因序列比较具有同源性。 从
蓝细菌中克隆获得了△ 6、△ 9、△ 12、△ 15等 4 种
酰基 -lipid去饱和酶,它们都特异性地作用于结合在
甘油酯 sn-1的脂肪酸,最近从蓝细菌中克隆获得的
一种新的△ 9酰基 - l i p i d 去饱和酶能特异地作用
△ 6酰基 -lipid去饱和酶基因,已从琉璃苣 、向日
葵和藓类植物中克隆,报道的氨基酸序列的N端含
细胞色素 b5 结构域,其中藓类植物△ 6酰基 -lipid去
饱和酶的N端约 100 个氨基酸与已知序列没有同源
性, 接着有一个细胞色素 b5结构域,C-端与其他酰
基 -lipid去饱和酶相似性很低,敲除基因组中的相应
818 生命科学 第20卷
基因, 细胞不能合成 γ-亚麻酸和花生四烯酸。 根据
脂肪酸去饱和反应中电子供体的不同分为两类:(1)
以NADH:NADH-细胞色素b5还原酶和细胞色素b5
作为电子供体。首先电子由NADH转至NADH-细
胞色素b5还原酶的FAD辅基上,先使细胞色素b5铁
卟啉蛋白中的 Fe3+还原为 Fe2+,再使去饱和酶中的
非血色素 Fe3+还原成 Fe2+,然后分子氧及饱和的软
脂酰或硬脂酰 -CoA底物与其作用,氧分子分别接
受来自NADH及脂酰底物单键的 2对电子,形成 1
个双键,同时释放 2分子水[9]。 (2)以NADPH:铁
氧还蛋白氧化还原酶和铁氧还蛋白作为电子供体,
主要是可溶性的脂肪酸去饱和酶的电子供体[2]。
2 多不饱和脂肪酸的生物合成
植物多不饱和脂肪酸的生物合成:首先,在
植物叶绿体基质中以乙酰 -COA为前体在乙酰 -CoA
羧化酶的作用下合成丙二酰 -CoA;然后,脂肪酸
合成酶以丙二酰 -CoA 为底物进行连续的聚合反应,
以每次循环增加两个碳的频率合成酰基碳链;最
后,合成 16 至 18 碳的饱和脂肪酸。饱和脂肪酸
在脂肪酸去饱和酶的作用下形成单不饱和或者多不
饱和脂肪酸。在叶绿体基质中形成的饱和脂肪酸进
一步在△ 9酰基 -ACP脂肪酸去饱和酶作用下生成棕
榈油酸和油酸。生成的棕榈油酸和油酸通过转运到
其他细胞器进一步去饱和。叶绿体和内质网(ER)膜
上的脂肪酸去饱和酶继续在碳链的一定位置催化去
饱和反应,如ω6去饱和酶在△ 12处加第 2个双键,
形成亚油酸(C18:2n6);ω3和(或)△ 6去饱和酶进一
步在ω3和(或)△6位置上加双键形成α-亚麻酸(18:3n3)
和(或)γ-亚麻酸。 多数高等植物只合成 α-亚麻酸,
只有少数产生 γ- 亚麻酸。
微藻多不饱和脂肪酸的生物合成:近年来,由
于海洋微藻中丰富的n-3多不饱和脂肪酸含量而成为
各国研究者的焦点,其多不饱和脂肪酸的生物合成
途径也逐渐被发现。与植物的饱和脂肪酸合成过程
相似,微藻细胞也是利用乙酰 -CoA合成 16碳和 18
碳的饱和脂肪酸,然后在碳链延长酶和一系列脂肪
酸去饱和酶作用下形成多不饱和脂肪酸,其合成途
径如图 1。
微藻不饱和脂肪酸的合成在前期是和高等植物
一样的,由于植物缺乏进一步将脂肪酸去饱和及延
长的酶类,多数只能合成 α- 亚麻酸,只有少数产
生 γ-亚麻酸。微藻可通过图 1中 n-6途径合成 n-6系
列的多不饱和脂肪酸,n-3途径合成 n-3系列的多不
饱和脂肪酸,在部分微藻中存在的 ω3脂肪酸去饱
和酶可以将相应的n-6系列脂肪酸转化成n-3系列脂
肪酸,提高微藻体内 n-3系列多不饱和脂肪酸的含
图1 多不饱和脂肪酸合成途径[10]
注:C18:0:硬脂酸 ;C18:1 △ 9 :油酸;C18:2 △ 9,12:亚油酸;C18:3 △ 6,9,1 2:γ -亚麻酸;C18:3△ 9,12 ,1 5:α-亚麻
酸; C18 :4 △ 6,9,12 ,1 5:十八碳四烯酸;C20:3 △ 8. 11 .1 4:二十碳三烯酸;C20:3 △ 11 ,14 ,1 7::二十碳三烯酸;C20:4△ 8,11 ,
14,17:二十碳四烯酸;C20:4△ 5. 8. 11 .1 4:花生四烯酸 ARA;C20:5 △ 5,8,1 1,1 4,1 7:二十碳五烯酸 EPA;C22:5△ 7,10,13,1 6,1 9:
二十二碳五烯酸 ;C22:6△ 4,7,10,13,16,19:desaturase:脂肪酸去饱和酶 ;elongase:脂肪酸延长酶
819第5期 曾硕士,等:脂肪酸去饱和酶的研究进展
量,因而不同的微藻种之间合成的长链多不饱和脂
肪酸的含量及种类存在一定的差别。
在真核微藻中,紫球藻(Porhyridium cruertum)
的多不饱和脂肪酸的生物合成途径的研究发现,它
也是由 18:2n-6经 n-6和 n-3两条途径合成的,其中
n-6途径是多不饱和脂肪酸生物合成的主要途径。
两条途径的产物均以二脂酰甘油的形式转运到叶绿
体,被糖基化为相应的单糖基二脂酰甘油。此外,
以 n- 3 途径为主的还有紫球藻( P o r p h y r i d i u m
yezoensis)、小球藻(Chtorella sp.和Chtorella stigmato
Phora)、盐生拟微绿球藻(Nannochloropsis salina);
以 n-6途径为主的有纤细裸藻(Euglena gracilis),它
可将 18:2n-6延长至 20:2n-6,再去饱和为 20:3n-6。
钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)中只有 n-6途径,其
主要不饱和脂肪酸是 γ-亚麻酸。在硅藻中的三角褐
指藻(Phaeodactylum tricornutum)中主要存在的脂肪
酸是 EPA、十六碳三烯酸C16:3n-6,EPA被认为是
来源于微粒体,先经过 n-6途径合成 18:3n-6 ,然
后在ω3脂肪酸去饱和酶作用下进入 n-3途径最终合
成 EPA,而十六碳三烯酸被认为是来源于质体的,
由 n-6途径合成[11]。
人体多不饱和脂肪酸的生物合成:人体饱和脂
肪酸的合成过程与高等植物是相同的,利用胞液体
系内质网体系及线粒体体系中的酶合成C16:0及C18:0
的饱和脂肪酸,合成的饱和脂肪酸转运到内质网,
经内质网膜上的△ 9硬脂酰 -CoA去饱和酶进一步去
饱和生成 C16:1△ 9 (软油酸)和 C18:1△ 9(油酸)。由
于缺乏图 1中的△ 12 desaturase和ω3 desaturase,人
体自身不能进一步合成亚油酸、α- 亚麻酸,必需
从食物中摄取。尽管在内质网上还存在△ 4、△ 5、
△ 6、△ 8去饱和酶及△ 5、△ 6延长酶能将从食物中
摄取的亚油酸、α-亚麻酸经 n-6及 n-3途径代谢合
成其他的多不饱和脂肪酸,然而,能进入下一步去
饱和反应的亚油酸、α - 亚麻酸含量很低,导致
EPA、ARA、DHA等多不饱和脂肪酸合成量远不能
达到人体正常生理健康所需,必需从食物中摄取。
因而,亚油酸、α - 亚麻酸、E PA、AR A、DH A
等多不饱和脂肪酸被称为必需脂肪酸。
3 脂肪酸去饱和酶的空间构象
脂肪酸去饱和酶可分为两类:可溶性的脂肪酸
去饱和酶和膜结合的脂肪酸去饱和酶。目前脂肪酸
去饱和酶的空间构象的研究主要集中在膜结合的脂
肪酸去饱和酶,由于它是一种膜内在蛋白以现有的
技术还无法对其进行纯化获得该膜蛋白的晶体,所
以,人们对其结构信息的认识十分有限,更多的是
对其蛋白序列的嗜水性图谱分析及其与进化相关的
烷羟化酶的序列的对比。近年来,对不同种类的膜
结合脂肪酸去饱和酶的空间构象进行了预测,建立
了预测的模型。
目前被广泛接受的膜结合的脂肪酸去饱和酶的
模型是由 Stukey等[12]提出来的,建立在对小鼠和酵
母的△ 9硬脂酰辅酶A去饱和酶的序列的分析基础
上。在这个模型中,两个 50个氨基酸的疏水区被
认为是各自跨膜两次,并且该蛋白的大部分氨基酸
是处于内质网膜的胞质面的, 存在于两个可溶性的长
链中。对食油假单胞菌的膜结合AlkB的空间构象的
研究支持上述提出的模型。后来 Shanklin等对小鼠
△ 9去饱和酶中可能在活性位置结合 2个铁原子的 8
个功能必需组氨酸进行研究,发现其中的 5个组氨
酸是存在于两个跨膜结构域侧面的胞质区域,相反
剩下的 3个组氨酸则存在于可溶性的 C末端区域。
Dyer和Mullen [13]构建带有不同抗原决定簇标签
的脂肪酸去饱和酶的表达载体在烟草悬浮细胞中进
行瞬时转染,将转染后的烟草悬浮细胞进行免疫荧
光显微分析,显示这两个膜结合脂肪酸去饱和酶
(Fad2、Fad3)是定位于细胞的内质网膜上的。进一
步对细胞膜和内质网膜进行不同的透化作用显示了
这两个酶的N末端都是面向内质网膜的细胞质一面
的。Man等[8]对小鼠硬脂酸辅酶A去饱和酶 1号亚
型的蛋白序列进行了嗜水性分析,预测该蛋白可能
包含4个跨膜结构域以及3个连接这些跨膜结构域的
环。通过构建在不同位点插入了不同的抗原标签的
小鼠硬脂酸辅酶A去饱和酶 1号亚型的重组体,转
染HeLa细胞后进行免疫学荧光检测和半胱氨酸的衍
生化分析,发现与预测的结果一致,且认为 3个连
接环中的两个环是处于内质网腔中,一个环是处于
胞质中,该蛋白的N末端和C末端都是定向于胞质
面,同时还证实了半胱氨酸对于硬脂酰辅酶A的催
化活性不是必需的,其预测模型如图 2[8]。
4 脂肪酸去饱和酶研究的展望
随着人们认识到多不饱和脂肪酸,特别是 n-3
系列多不饱和脂肪酸对人体正常的发育和功能的重
要性及对这些多不饱和脂肪酸的需求日益增加,许
多研究者着手于该领域,期望能找到一个更加经济
和合理的方法来获得它们。由于过度的捕伐及从深
海鱼类中提取这些脂肪酸的费用的日益增长,人们
820 生命科学 第20卷
开始寻找替代的来源。目前研究者希望能通过基因
工程技术来解决这个问题。2004年,康景轩等发
表在Nature杂志上的成功表达了 fat-1基因的转基因
小鼠能将体内的n-6 系列的多不饱和脂肪酸有效地转
化为 n- 3 系列的脂肪酸,这为我们提供了一个选
择,通过转基因到动物及家畜体内来生产富含 n-3
系列多不饱和脂肪酸的的食物。其次,有些研究者
通过转基因到油料种子中来生产获得n-3系列多不饱
和脂肪酸,结果往往不理想,目的产物产量低以及
费用很高等问题无法解决。 然而,随着越来越多的
物种脂肪酸去饱和酶基因被发现和克隆,特别是对
富含多不饱和脂肪酸的微藻中的脂肪酸去饱和酶的
克隆,为我们提供了更好的选择,以及对脂肪酸去
饱和酶的生化性质和不同物种中脂肪酸合成机制更
深入的了解,必将能找到一个可靠、经济地获得这
些必需脂肪酸的方法。
[参 考 文 献]
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castor seed and its relationship to other diiron proteins.
图2 大鼠的硬脂酸-CoA去饱和酶的膜结合构象的预测模型
注:1 - 4:四个跨膜结构域 9 2、9 7、2 22、2 3 3;3 2 2:5 个半胱氨酸残基;黑色:3 个保守的组氨酸簇;9 3、1 3 8:
抗原决定簇标签的插入位点
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