Isopreenirakenteista yleistä

Prenylaatio tai isoprenylaatio  tarkoittaa hiiliketjun muuttamista  solusynteeseissä siten, että lidipikaltaisuus lisääntyy,  "lipidoitumista".  Tällainen hiiliketju saa ankkuriominaisuuksia
ja peptidi, joka prenyloituu saa hankittua ankkurin itselleen, ja pystyy sijottumaan solukalvoon.
  Ihmisen kehossa suorittaa prenylaatiota  sellainen aineenvaihduntareitti kuin MEVALONIHAPPOTIE:Tämä tie tunnetaan lähinnä siitä, että sen lopusta syntyy myös KOLESTEROLI ja DOLIKOLI.
KOLESTEROLI ja DOLIKOLI ovat vastavaikuttajia ja
vastaavat solukalvojen fluiditeetista sen vedenpitävyyden lisäksi.
Mutta DOLIKOLI-fosfaatti on myös tärkeä, koska
sen varaan asettuu glykoproteiinien sokerirakenteita solukalvoon ( Glykocalyx).
Monta isoprenoidia ( joita keho ei pysty tekemään)  saadaan ravinnossa, kuten rasvaliukoisia vitamiineja.(AEK)

PRENYLAATIOISTA

LÄHDE: Michal Gerhard . Editor. Biochemical Pathways. An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology.

ISOPREENI

Tällä kertaa kirjoitan sellaisesta asiasta kuin prenylaatiosta tai oikeastaan isoprenylaatiosta.

Kehossa on sellaisia essentiellejä hiiliketjuyksikköjä, joissa on 5 hiiltä tietystä erityisessä rakenteessa. (ISOPREENI). Mutta kehon oma järjestelmä ei ole ihmiselle aivan niin riittävä kuin kasveille ja bakteereille, sillä ihminen tarvitsee osan ”prenyloituja” molekyylejä essentielleinä vitamiineina (A,E,K) ravinnon taholta. Myös valmista kolesteroliakin tarvitaan hieman ravinnossa, vaikka endogeeninenkin kolesterolitie toimii ja se tulee tästä prenylaatiotiestä skvaleenin kautta.

Prenylaatio tai isoprenylaatio tai ”lipidaatio” muuntaa hiiliketjua siten, että siihen liitetään hydrofobisia ryhmiä, jolloin saadaan kalvoliukoisuutta. Tämä ominaisuuson hyvä ankkuritoiminnoissa proteiineille, jotka sen takia mielellään antavat ”prenyloida” rakenteensa.

(Prenylation or isoprenylation or lipidation is the addition of hydrophobic molecules to eg. a protein)..

HMG-CoA merkitys. Mevalonaattitie tuottaa prenyloitumista

Ihmisen fundamentaalisimmasta aineenvaihdunnasta käsin voi syntetisoitua sellaista molekyyliä kuin mevalonihappo (MEVALONATE). Tämä aineenvaihdunnallinen tie tunnetaankin mevalonihappotienä. Sen tunnetuin päätuote on kolesteroli ( Cholesterol) ja koska kolesterolin aineenvaihdunnassa on nykymaailman aikaan paljon epätasapainoa, on ratkaisuna ollut kolesterolin alentaminen puuttumalla mevalonihappotiehen aivan sen varhaisvaiheissa.

1. AKTIVOITU-ETIKKAHAPPO, Acetyl-CoA sisältää aktivoidun 2 hiilen yksikön.(C2)
2. Aktivoitu asetoetikkahappo, ACETOACETYL-CoA sisältää kondensaattina kaksi etikkahappoa ja nyt hiilten määrä on 4.
3. Tähän liittyy vielä C2- yksikkönä yksi aktivoitu etikkahappo ja HMG-CoA syntaasi alkaa vaikuttaa. Vesimolekyyliäkin tarvitaan reaktioon.
4. Muodostuu kondensaaatti , jossa on kuusi hiiltä (C6): Sen nimi on Beeta- HYDROXY-beeta-METHYL GLUTARYL-CoA ja se on nyt kolmesta etikkahaposta vesimolekyylin avulla kondensoitunut molekyyli, jonka lyhennys on HMG-CoA. (C6) Kolesterolin muodostusta koetetaan tästä alkuvaiheesta jarruttaa ennen kuin tämä ehtii muuttua mevalonaatiksi. Mutta jos tätä molekyyliä HMG-CoA kertyisi liikaa, on mm rhabdomyolyysin tai lihaskipujen vaaraa ja jotkut kolesterolia-alentavat lääkkeet eivät olekaan onnistuneet lihaskudos ym vaikutusten takia.
5. Seuraava reaktio olisi HMG-CoA reduktaasi, jonka tuloksena tulee MEVALONAATTI-molekyyli. Esim statiinit koettavat jarruttaa reduktaasia, jotta mevalonaattia ei pääsisi niin paljon muodostumaan.
6. Tästä vaiheesta MEVALONAATTI-molekyyli voi tarvittaessa vielä pilkkoutua aktiiviksi etikkahapoksi takaisin ja liittyä kehon tärkeään aktiivin etikkahapon aitioon Acetyl-CoA ( muuttua sitten esim energiaksi tai siirtyä pitkien rasvahappojen synteesin puolelle) TAI ketoositilanteessa vain asetoetikkahapoksi, joka voi muuttua beeta-voihapoksi ( molemmat sellaisia puolipalaneita ketotuotteita). Maksa ei kuitenkaan tätä asetoetikkahappoa käytä, vaan se joutuu extrahepaattisiin kudoksiin, jotka ainoastaan voivat aktivoida siitä asetoasetyyli-CoA muotoa ja nyt se kelpaa taas pitkien rasvahappojen tai /ja kolesterolin synteesiin. Myös aktiivi meripihkahappo pystyy aktivoimaan asetoetikkahapon aktiiviksi asetyylietikkahapoksi takaisin. Täten on aika varmaa, että on hyvät lähtökohdat saada molekyylejä pitkien rasvahappojen synteesiin ja samalla välillä mevalonaattitiehen. Tämän tärkeän asetoetikkahapon hyödynnys on ihmisellä hyvä. Evolutionaalisesti ihmisen keho suosii rasvaenergian varastoimista joko neutraalirasvoina, jonne siirretään pitkiä rasvahappoja glyserolitumaan tai kolesterolin puolelle ja näihin erilaiisiin isoprenyaatiotuotteisiin - ne eivät olevarsinaisia  energia-aineita vaan funktionelleja. Koelterolikin pitää erittää pois kehosta.  Ne kuuluvat myös kehon luonnolliseen tärkeään puolustukseen, uloiseen ”nahkaan”, ihoon, solumembraniin, vedenpitävään puolustukseen.Myös luonnolliseen immuniteettiin. 
7. MEVALONAATTIA saadaan HMG-CoA molekyylistä, kun siitä poistuu Koentsyymi A. mikä on helppo reaktio. : www.med.unibs.it/~marchesi/cholest.html

MEVALONAATTI Molekyyli on tosi sopiva solukalvon lipidiankkuripohjan tekijäksi. 

8. Jos fosforyloitu mevalonaatti dekarboksyloituu C5- hiiliseksi, ollaan isopentenyylipyrofosfaatissa. (IPP) Nyt on saatu tärkeä perusmuoto IPP, josta voidaan saada luonnosas hyvin yleisiä  isoprenoidi -yksikköisiä rakenteita ( lego-tapaisesti) , kun niitä kondensoidaan keskenään eri mittaisiksi molekyyleiksi, joille löytyy taas omat odottavat entsyymityövälineistöt, kun tietty mitta on koossa.

Miksi isoprenoidirakenne on tärkeä?

Fosfolipidikaksoiskerroksessa on keskimmäinen kerros vedenpitävää kolesterolia, mutta jos se olisi pelkästään kolesterolia, se olisi aika tankea, mutta kolesteroli-puusta tulee muitakin rakenteita, jotka moduloivat kolesterolin steroidista tumaa ja vastavaikuttavat kolesterolin tankeuteen. DOLIKOLI on KOLESTEROLIN vastavaikuttaja kalvon pitämisessä fluiditeetilta sopivana. Lisäksi dolikoli kalvon keskivaiheilla muodostaa miljöötä, jonne vastaavan hahmoisia isopreenisivuketjuja asettuu, kun eri aineet ankkuroivat kalvoon

Tällä isoprenoidisella rakenteella voidaan molekyyleille tehdä sellaisia ankkureita, joitten avulla molekyylit pystyvät pysyttelemään kiinni solukalvossa eri pitkiä aikoja kuten vitamiinit. Sen takia monet vitamiinit omaavat pitkän isoprenoidisen sivuketjun, kuten E-vitamiini, kaikki K-vitamiinit, A-vitamiini, betakarotenoidit ja iso määrä kasvisflavonoideja ja antioksidantteja, ubikinonit. K1- fytyylisivuketju oksidoituu aika nopeasti, joten lyhyeksi muuntunut tähde metylnaftokinoni  onkin xenobioottinen, joka nopeasti poistuu kehosta. K1- vitamiinin varasto on yhtä suuri kuin päivä tarve. Menakinonit sensijaan pysyttelevät kauemman aikaa kehossa pitkine sivuketjuineen, kuten esim maksassa ja luustossa.

Menakinonin isoprenoidissa on kaksoisidoksia useampia. K1 vitamiinin sivuketjussa on 1 kaksoissidos. Mm aivoissa kuitenkin on entsyymeitä, jotka muuntavat K1 vitamiinia menakinoni-4 muotoon, joka on mieto K2-vitamiini, aivokudoksen suosima koko. 

Ubikinonin sivuketju syntetisoidaan kehossa , ihmiselläkin, ja kondensoidaan vaikuttavaan molekyyliin ubikinoniksi.

Kolesterolilla on paljon tehtäviä, joista yksi on sijaita fosfolipidikaksoiskerroksen sisällä. Jos nyt kolesteroliongelmien takia joudutaan manipuloimaan koko mevalonaattitietä ja isoprenoidiankkureitten saaminenkin (dolikoli-P) herättää kysymyksiä, voidaan asiaa korjata pitämällä huolta kasvisperäisistä antioksidanteista ja bioflavonoideista ravinnossa, jolloin isoprenyloituja molekyylejä saadaan kuitenkin riittävästi solukalvoihin. Täysin ei ravintoperäistä kolesterolilisääkään pitäisi eliminoida. Esim pari kananmunaa viikossa ainakin on aivan sopivaa. Eikä  "yksi  muna päivässä" liene liikaa.  Exogeeninen kolseteroli ilmeisesti negatiivisesti säätää endogeenisen kolesterolin tuotantoakin, sillä keho tarvitsee tietyn määrän kolesteroliaan joka päivä kaikkien  solujen ja kalvorakenteiden  ylläpitoon.

Mevalonaattitie näihin sivuketjuja antaviin ryhmiin on seuraava.

Tulee huomata että tämä on luonnossa yleinen molekyyli, mutta ihmisellä esiintyy vain vain muutamia isopreenirakenteita ja muutamia aineenvaihdunnallisia teitä. Ilman mevalonaattitietä ihminen ei pysty muodostamaan isopreeneja, kuten kasvit tai bakteerit taas puolestaan pystyvät.

Ihmisellä toimii tällainen sekvenssi tapahtumia.

MEVALONAATTI

ISOPENTENYYLI-PP (IPP)

GERANYYLI-PP (GPP)

FARNESYYLI-PP (FPP). Sivutiet: FARNESOLI (FOH), DOLIKOLI, UBIKINONISIVUKETJU, ANKKURIT

GERANYLGERANYYLI-PP (GPP): tiettyjen  mielellään prnyloituvien PROTEIINIEN ANKKURI

SKVALEENI

KOLESTEROLI ( Kolesterolista tulee sitten myös hormoneita, joilla on steroidirakenne)

ISOPREENI CH2=C(CH3)-CH=CH2

Tämä on tavallinen viiden hiilen rakenneyksikkö luonnossa. Kasvit ja eläimet käyttävät sen aktivoitua pyrofosfaattimuotoa
 ( IPP)

ISOPENTENYYLI-PP,     CH2 =C(CH3)-CH2-CH2-PP

Tässäkin on viisi hiiltä (5C). Bakteereissa ja vihreissä levissä ja kloroplasteissa tätä voi muodostua aivan ilman mevalonaattitietäkin ja silloin se muodostuu suoraan kondensoitumalla hydroksietyylitiamiini pyrofosfaatista ja glyseraldehydi 3-fosfaatista. Se aineenvaihdunnallinen tie, mitä silloin käytetään, menee D-1-xyluloosi 5-fosfaatin kautta Tuotetta bakteerit ja kasvit taas käyttävät isoprenoidiensa syntetisoimiseen. Mutta ihmisellä tarvitaan mevalonaattitietä.

LUONNON TERPEENIT MUODOSTUVAT NÄISTÄ ISOPRENOIDEISTA

Hyvin suuri ryhmä orgaanisia kasviyhdisteitä on rakenteeltaan terpeenejä, ja niitä jaetaan monoterpeeneihin (C10) , seskviterpeeneihin (C15) ja diterpeeneihin (C20) sen mukaan miten ne koostuvat.

Terpeenien biosynteesi tapahtuu intramolekulaarisella prenylaatiolla ja se alkaa geranyyli-PP molekyylistä käsin (GPP) tai farnesyyli-PP.stä (FPP) tai geranyyligeranyyli-PP.stä käsin Kun nyt sitten johdetaan jokin hydroksyyliryhmä (-OH) tai karboksiryhmä (C=O) molekyyleihin, syntyy suunnaton määrä erilaisia yhdisteitä Monet niistä ovat aromaattisia ja joillain on havaittu lääkkeellisiä ominaisuuksia, esim. antimalarialääkkeitä on niistä löytynyt.

MONOTERPEENEITÄ (C10) muodostuu geranyyli-PP: stä, neryyli-PP.stä ja linalyyli-PP:stä käsin. esim. geranioli, limoneeni, alfa-pineeni, kamferi, teresantoli. Näitä on vain evoluution korkeimmissa kasveissa ja ne ovat haihtuvia, ominaistuoksun omaavia, useimmiten niissä ei ole happea.

SESKVITERPEENEJÄ (C15) muodostuu farnesyyli-PP:stä, joskus nerolidyyli-PP:sta. Niitä ovat farnesoli, kurkumeeni (curcumene), cadineeni ja cedreeni. Näitä esiintyy sellaisilla lajeilla kuin tracheophyta, sammaleet, sienet, ruskeat ja punaiset levät, hyönteiset. Niitä on eteerisiä öljyjä, myös kasvien hormoneja kuten phytoalexiinit, hyttysten varhaismuotojen hormoneja.

DITERPEENIT (C20) muodostuvat geranyyligeranyylistä käsin. Niitä ovat fytoli, kauruunihappo, abietiinihappo. Niitä on kasveissa ja sienissä ( fungi). Nämä ovat osina resiineissä ja balsameissa. Usein ne ovat hyvin oksidoituneita. Gibberreliinihappo ( Gibberelic acid), jota muodostuu kaureenista (kaurene), on kasvien kasvuhormoni.

ALL-TRANS-METABOLIITIT

KAROTENOIDIT ( Carotenoids), (C40) ovat muodostuneet kahdesta geranyyligeranyylimolekyylistä.

Evolutionaalisesti korkeat kasvit, hiivat ja levät tuottavat cis-phytoeeniä (cis-phytoene), joka muuttuu trans-muotoon myöhemmin. Mutta bakteerit tekevät trans-fytoeeniä suoraan. Kalvoon kiinnittyneet fytoeeni-desaturaasit oksidoivat ja syklisoivat fytoeenejä useissa vaiheissa ja niistä tulee all-trans- ALFA-ja BEETA-KAROTEENEJA.

Asteittaisella oksidaatiolla kasvit ja bakteerit muuttavat niitä XANTOFYLLIINEIKSI, jotka toimivat valoa absorboivina fotosynteettisinä pigementteinä kasveilla. Ne pystyvät myös eliminoimaan vapaita radikaaleja ja toimimaan kalvoa suojaavina aineina ja siinä ne vastaavat ihmisten E-vitamiineja.

BEETA-KAROTEENI voi katalysoitua dioksygenaasilla ja pilkkoutua symmetrisesti all- trans RETINOLIKSI Tämä yhdiste on taas selkärankaisille - kuten ihmiselle- välttämätön näköprosessissa (visual process). Soluissa RETINAALI on tasapainossa all-trans RETINOLIN kanssa (A-VITAMIINI). Solujen välinen kuljetus ja jakautuminen edistyy spesifisten retinolia sitovien kompleksien avulla, kuten RBP, CRBP II, IRBP), kun taas varastoituminen ja otto ravinnosta tapahtuu retinoli-rasvahappoesterien muodossa. Toisaalta pieni määrä RETINAALIA oksidoituu RETINONIHAPOKSI ( Retinoic Acid). Tätä yhdistettä kuljetaan hyvin spesifisenä kompleksina solujen retinonihappoa sitovana proteiinina (CRABP, Cellular Retinoic Acid Binding Protein). Retinonihapolla on hormonin kaltaisia ominaisuuksia solujen kehityksessä ja solun jakaantumisessa, minkä se vaikuttaa tiettyjen tumareseptoreitten (NRs, Nuclear Receptors) kautta. Promyelosyyttisessä leukemiassa (PML) sitä annetaan cancerostaattisena lääkkeenä. BEETA-KAROTEENIT ovat tärkeitä myös immunologisen puolustuksen kehittymisessä ja arterioskleroosin estämisessä.

RETINOIDIEN katabolia tapahtuu konjugoitumalla glukuronihappoihin ja erittymällä virtsaaan.

POLY-Cis-METABOLIITIT: DOLIKOLI, TEIKOHAPPO ja LUONNNONKUMI

Ihmisessä  on DOLIKOLIA.

DOLIKOLI-P (C70----C120) on aivan essentielli molekyyli ihmisellä, sillä se toimii fosforyloituna ollessaan sokerirakenteitten kantajana animaalisessa kehossa solun pintakalvossa, kasveilla ja sienillä, kun muodostuu GLYKOPROTEIINEJA (gp) endoplasmisessa retikulumissa (ER). Edelleen dolikyyliesterit toimivat rasvahappojen kuljetuksissa ja varastoitumisissa.

Pyrofosforyloidusta Cis GGPP tiestä, sanoo Michal, (mutta moni muu lähde FPP-tiestä), lähtee kehittymään DOLIKOLI ja siinä välittää hyvin hanakkaasti toimiva entsyymi polyprenyyli-cis-transferaasi.

BAKTEEREILLA on LPS ja TEIKOHAPPO ( teichoic acid)

Bakteerit käyttävät undekaprenyyli-P (C55) muotoa glykopeptidiensä kuljettajana, kun ne muodostavat soluseinämänsä mureiinia ( MUREIN).

Se toimii myös sokerien kantajana muille bakteerikalvon komponenteille, kuten LIPOPOLYSAKKARIDEILLE (LPS) tai teikonihapoille (TEICHOIC ACIDS). Molemmat yhdisteet kantavat 2-3 kaksoissidosta, jotka sijaitsevat trans-konfiguraatiossa niiden non-hydroksyylisessä päässä.

LUONNON KUMI

Isopentenyyli-PP (IPP) on alkulähtökohta luonnon kumeille ( esim lähteestä Hevea brasiliensis)., jotka sisältävät hyvin pitkän all-cis isoprenoidi ketjun (C 3500---- C25000).

ISOPRENOIDI-SIVUKETJUT OVAT TÄRKEITÄ VITAMIINEISSA

Bakteerien pigmenteissä ja kasvihormoneissa, cytokiniineissä, on isoprenoidisivuketjuja.

FYTYYLI-PP (C20) muodostuu all-trans-geranyyligeranyyli-PP:stä kasveilla ja eräillä bakteereilla.

FYTYYLI toimii KLOROFYLLISSÄ sivuketjuna.

Se on myös alfa-TOKOFEROLIN eli E-VITAMIININ sivuketju.

K1- VITAMIINI eli FYLLOKINONI, käyttää FYTYYLI- sivuketjua myös.

Pitempiä isoprenoidisia sivuketjuja on läsnä K2-vitamiineissa, joita sanotaan MENAKINONEIKSI ( C20----C30).

Samoin UBIKINONIN sivuketju on pitkä C30---C50). Tätä valmistuu ihmisessä mevalonihappotiestä.

Bakteereitten hengityksessä on tärkeitä menakinonit ja/tai ubikinonit. Joillain bakteereilla on hyvin monen pituisia menakinoneja kuten stafylokokeilla, joilla kaiketi on bakteereista suurin kirjo menakinoneja. Bakteereita voi lajitella niitten menakinoni- ja ubikinoni tyyppien mukaan.

Kasvien hengityksessä tärkeä on PLASTOKINONI ja sen koko on C45.

MONET PROTEIINIT liittyvät solukalvoihin ISOPRENOIDI-ANKKUREILLA.

Tio-eetterisidoksella useimmiten liittyy proteiini farnesyliin, joskus myös geranyyligeranyyliketjuun.

ESIM. Ras proteiini, G gamma-proteiinit ja Heme-A ovat tällaisia proteiineja.

Tämä prenylaatio määrää proteiinin sijoittumisen ja funktion.