Garrett R.H., Grisham C.M. - Biochemistry (1999)(2nd ed.)(en)
.pdf25.2 ● Biosynthesis of Complex Lipids |
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Glycerolipid Biosynthesis
A common pathway operates in nearly all organisms for the synthesis of phosphatidic acid, the precursor to other glycerolipids. Glycerokinase catalyzes the phosphorylation of glycerol to form glycerol-3-phosphate, which is then acylated at both the 1- and 2-positions to yield phosphatidic acid (Figure 25.18). The first acylation, at position 1, is catalyzed by glycerol-3-phosphate acyltransferase, an enzyme that in most organisms is specific for saturated fatty acyl groups. Eukaryotic systems can also utilize dihydroxyacetone phosphate as a starting point for synthesis of phosphatidic acid (Figure 25.18). Again a specific acyltransferase adds the first acyl chain, followed by reduction of the backbone keto group by acyldihydroxyacetone phosphate reductase, using NADPH as the reductant. Alternatively, dihydroxyacetone phosphate can be reduced to glycerol-3-phosphate by glycerol-3-phosphate dehydrogenase.
Eukaryotes Synthesize Glycerolipids from
CDP-Diacylglycerol or Diacylglycerol
In eukaryotes, phosphatidic acid is converted directly either to diacylglycerol or to cytidine diphosphodiacylglycerol (or simply CDP-diacylglycerol; Figure 25.19). From these two precursors, all other glycerophospholipids in eukaryotes are derived. Diacylglycerol is a precursor for synthesis of triacylglycerol, phosphatidylethanolamine, and phosphatidylcholine. Triacylglycerol is synthesized mainly in adipose tissue, liver, and intestines and serves as the principal energy storage molecule in eukaryotes. Triacylglycerol biosynthesis in liver and adipose tissue occurs via diacylglycerol acyltransferase, an enzyme bound to the cytoplasmic face of the endoplasmic reticulum. A different route is used, however, in intestines. Recall (Figure 24.3) that triacylglycerols from the diet are broken down to 2-monoacylglycerols by specific lipases. Acyltransferases then acylate 2-monoacylglycerol to produce new triacylglycerols (Figure 25.20).
Phosphatidylethanolamine Is Synthesized from
Diacylglycerol and CDP-Ethanolamine
Phosphatidylethanolamine synthesis begins with phosphorylation of ethanolamine to form phosphoethanolamine (Figure 25.19). The next reaction involves transfer of a cytidylyl group from CTP to form CDP-ethanolamine and pyrophosphate. As always, PPi hydrolysis drives this reaction forward. A specific phosphoethanolamine transferase then links phosphoethanolamine to the diacylglycerol backbone. Biosynthesis of phosphatidylcholine is entirely analogous because animals synthesize it directly. All of the choline utilized in this pathway must be acquired from the diet. Yeast, certain bacteria, and animal livers, however, can convert phosphatidylethanolamine to phosphatidylcholine by methylation reactions involving S-adenosylmethionine (see Chapter 26).
Exchange of Ethanolamine for Serine Converts
Phosphatidylethanolamine to Phosphatidylserine
Mammals synthesize phosphatidylserine (PS) in a calcium ion–dependent reaction involving aminoalcohol exchange (Figure 25.21). The enzyme catalyzing this reaction is associated with the endoplasmic reticulum and will accept phosphatidylethanolamine (PE) and other phospholipid substrates. A mitochondrial PS decarboxylase can subsequently convert PS to PE. No other pathway converting serine to ethanolamine has been found.
822 Chapter 25 ● Lipid Biosynthesis
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cytidylyltransferase |
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ethanolamine |
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Phosphatidic acid |
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CTP |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||
cytidylyltransferase |
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P P |
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CTP: Phosphocholine |
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Cytidine |
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ADP |
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H2O |
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|
P |
P |
|
|
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|
cytidylyltransferase |
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Diacylglycerol |
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Phosphatidic acid |
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Cytidine |
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O |
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O |
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+ |
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|
|
kinase |
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|
phosphatase |
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O |
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O |
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|||||||||||||||||||||
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O |
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|
P |
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|
|
|
|
O |
|
|
|
P |
|
|
|
OCH2CH2NH3 |
|
|
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|
ATP |
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||||||||||||||||||||
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|
P |
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+ |
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– |
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|
– |
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O |
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P |
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|
O |
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|
P |
|
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|
|
OCH2CH2N(CH3)3 |
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O |
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O |
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CDPcholine: |
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1,2-diacylgly- |
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|
|
CDPethanolamine |
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O– |
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|
O– |
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cerol phospho- |
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O |
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|
|
choline |
|
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|
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|
|
CDPcholine |
||||||||||||||||||||
CDPethanolamine: 1,2- |
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
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|
|
|
transferase |
|
|
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|
|
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R1 |
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C |
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|
O |
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CH2 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||
diacylglycerol phospho- |
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ethanolamine transferase |
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CMP |
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CMP |
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R2 |
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C |
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CH |
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CH2OH |
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OCH2CH2N(CH3)3 |
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Diacylglycerol |
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acyltransferase |
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CH2 |
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OCH2CH2NH3 |
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CoA |
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Phosphatidylcholine |
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Phosphatidylethanolamine |
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O CH2 O C R3
Triacylglycerol
● Diacylglycerol and CDP-diacylglycerol are the principal precursors of glycerolipids in eukaryotes. Phosphatidylethanolamine and phosphatidylcholine are formed by reaction of diacylglycerol with CDP-ethanolamine or CDP-choline, respectively.
25.2 ● Biosynthesis of Complex Lipids |
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–OOC |
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CH2OH |
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CH3(CH2)14 |
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C |
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S |
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CoA |
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+NH3 |
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Palmitoyl-CoA |
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Serine |
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3-Ketosphinganine |
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H2O |
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||||||||||||||
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||||||||||||
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synthase |
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||||||
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CoASH |
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HCO3– |
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O |
H |
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||||
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CH2OH |
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||||||
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CH3(CH2)14 |
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C |
|
C |
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|||||||||||||||
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+NH3 |
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2S-3-Ketosphinganine |
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NADPH + H+ |
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3-Ketosphinganine |
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|||||||||||
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reductase |
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|||||||
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NADP+ |
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OH |
H |
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CH2OH |
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CH3(CH2)14 |
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C |
|
C |
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H |
+NH3 |
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2S,3R-Sphinganine |
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Acyl-CoA |
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CoA |
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N -acyl-sphinganine |
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X |
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XH2 |
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H |
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OH H |
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CH2OH |
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CH3(CH2)12 |
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C |
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C |
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C |
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C |
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H |
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H |
NH |
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(CH2)n
CH3
Ceramide
● Biosynthesis of sphingolipids in animals begins with the 3-ketosphinga- nine synthase reaction, a PLP-dependent condensation of palmitoyl-CoA and serine. Subsequent reduction of the keto group, acylation, and desaturation (via reduction of an electron acceptor, X) form ceramide, the precursor of other sphingolipids.
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Chapter 25 ● |
Lipid Biosynthesis |
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CH3 |
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(CH2)12 |
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C |
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C |
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CHOH |
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H |
H |
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R1 |
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C |
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N |
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CH |
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CH3 |
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|
H |
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Phosphatidyl- |
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CH3 |
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H |
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O |
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CH2 |
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UDP- |
Gal |
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(CH2)12 |
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C |
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|
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|
C |
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CHOH |
|
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|
(CH2)12 |
|
|
C |
|
|
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|
C |
|
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|
CHOH |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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choline |
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CH2OH |
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H |
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H |
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R1 |
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C |
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N |
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CH |
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R1 |
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C |
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N |
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C |
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O |
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CH2OH |
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1,2-Diacylglycerol |
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O |
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CH2 |
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Ceramide |
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OH |
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UDPgalacto- |
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UDP- |
Glu |
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|
Sphingomyelin |
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|
syltransferase |
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–O |
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|
O |
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|
β -D-Galactosylceramide |
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UDP |
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UDP- |
Gal |
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P |
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UDP |
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CH2OH |
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CH2 |
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CH2OH |
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O |
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H |
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CH2 |
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H |
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O |
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CH2 |
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O |
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OH |
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H |
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HC |
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|
N |
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|
C |
|
R1 |
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H3C N CH3 |
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H |
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OH |
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H |
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OH |
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OH |
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CH3 |
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H |
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OH |
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H |
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HC |
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R2 |
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β -D-Galactosyl-(1 |
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4)-β -D-glucosylceramide |
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N-Acetylgalactosamine |
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UDP |
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N-Acetylgalactosaminyltransferase |
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CH2OH |
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CH2OH |
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O |
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OH |
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OH |
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H |
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HC |
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N |
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C |
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R1 |
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OH |
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H |
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HC |
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CH3 |
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H |
OH |
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R2 |
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|
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|
|
β-D-N-Acetylgalactosamine-(1 4)-
β-D-galactosyl-(1 4)-β -D-glucosylceramide
|
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CH3 |
CH2OH |
|
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CMP- |
sialic acid |
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O |
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C H HCOH |
COO– |
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Sialytransferase |
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HN |
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COH |
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|
CMP |
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H H |
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H |
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CH2OH |
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CH2OH |
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O |
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HC |
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N |
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C |
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R1 |
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OH |
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H |
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OH |
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HC |
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Ganglioside GM2 |
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FIGURE 25.26 ● Glycosylceramides (such as galactosylceramide), gangliosides, and sphingomyelins are synthesized from ceramide in animals.
25.3 ● Eicosanoid Biosynthesis and Function |
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Ceramide Is the Precursor for Other
Sphingolipids and Cerebrosides
Ceramide is the building block for all other sphingolipids. Sphingomyelin, for example, is produced by transfer of phosphocholine from phosphatidylcholine (Figure 25.26). Glycosylation of ceramide by sugar nucleotides yields cerebrosides, such as galactosylceramide, which makes up about 15% of the lipids of myelin sheath structures. Cerebrosides that contain one or more sialic acid (N-acetylneuraminic acid) moieties are called gangliosides. Several dozen gangliosides have been characterized, and the general form of the biosynthetic pathway is illustrated for the case of ganglioside GM2 (Figure 25.26). Sugar units are added to the developing ganglioside from nucleotide derivatives, including UDP-N-acetylglucosamine, UDP-galactose, and UDP-glucose.
25.3 ● Eicosanoid Biosynthesis and Function
Eicosanoids, so named because they are all derived from 20-carbon fatty acids, are ubiquitous breakdown products of phospholipids. In response to appropriate stimuli, cells activate the breakdown of selected phospholipids (Figure 25.27). Phospholipase A2 (Chapter 8) selectively cleaves fatty acids from the C-2 position of phospholipids. Often these are unsaturated fatty acids, among which is arachidonic acid. Arachidonic acid may also be released from phospholipids by the combined actions of phospholipase C (which yields diacylglycerols) and diacylglycerol lipase (which releases fatty acids).
Eicosanoids Are Local Hormones
Animal cells can modify arachidonic acid and other polyunsaturated fatty acids, in processes often involving cyclization and oxygenation, to produce so-called local hormones that (1) exert their effects at very low concentrations and
(2) usually act near their sites of synthesis. These substances include the prostaglandins (PG) (Figure 25.27) as well as thromboxanes (Tx), leukotrienes, and other hydroxyeicosanoic acids. Thromboxanes, discovered in blood platelets (thrombocytes), are cyclic ethers (TxB2 is actually a hemiacetal; see Figure 25.27) with a hydroxyl group at C-15.
Prostaglandins Are Formed from Arachidonate by
Oxidation and Cyclization
All prostaglandins are cyclopentanoic acids derived from arachidonic acid. The biosynthesis of prostaglandins is initiated by an enzyme associated with the endoplasmic reticulum, called prostaglandin endoperoxide synthase, also known as cyclooxygenase. The enzyme catalyzes simultaneous oxidation and cyclization of arachidonic acid. The enzyme is viewed as having two distinct activities, cyclooxygenase and peroxidase, as shown in Figure 25.28.
A Variety of Stimuli Trigger Arachidonate Release
and Eicosanoid Synthesis
The release of arachidonate and the synthesis or interconversion of eicosanoids can be initiated by a variety of stimuli, including histamine, hormones such as epinephrine and bradykinin, proteases such as thrombin, and even serum albumin. An important mechanism of arachidonate release and eicosanoid syn-