Biosynthese von Glyceroglykolipiden und Glycerophospholipiden

In den meisten höheren Pflanzen wird bei der Glycerolipid- und Glycerophospho-lipidsynthese innerhalb der Plastiden selektiv 18:1n-9 durch die lösliche Acyl-ACP:sn-Glycerin-3-Phosphat-Acyltransferase (GPAT) auf die sn-1-Position von Glycerin-3-Phosphat übertragen. Auf das gebildete Lyso-PtdOH wird nun durch die membranständige Acyl-ACP:sn-1-Acylglycerin-3-phosphat-Acyltransferase (LPAAT) aus-schließlich 16:0 auf die sn-2-Position übertragen, wobei PtdOH entsteht. Da diese Substrat-spezifitäten der Acyl-ACP-Acyltransferasen und die daraus resultierende Verteilung der Fett-säuren in den Lipiden auch bei Cyanobakterien anzutreffen sind, wird die plastidäre Lipid-synthese auch als prokaryote GlycerolipidLipid-synthese bezeichnet (Ohlrogge und Browse, 1995).

Das gebildete PtdOH kann nun für die Synthese von PtdGro genutzt werden oder durch die PtdOH-Phosphatase zu DAG umgesetzt werden. DAG dient als Substrat für die am stärksten in den plastidären Membranen vertretenen Lipide MGDG, DGDG und SQDG (Joyard et al., 1994). In den Plastiden existieren neben der löslichen Stearoyl-ACP-Desaturase fünf membranständige Acyl-Lipid-Desaturasen. Die Acyl-Lipid-Desaturase FAD4 verwendet ausschließlich PtdGro und FAD5 verwendet ausschließlich MGDG als Substrat (Somerville und Browse, 1996). Beide Desaturasen haben die gemeinsame Eigenschaft, dass sie jeweils selektiv das an der sn-2-Position gebundene 16:0 desaturieren (Browse et al., 1985; Kunst et al., 1989). Die plastidären Acyl-Lipid-Desaturasen FAD6, FAD7 und FAD8 sind weitaus weniger selektiv bezüglich der Kopfgruppe des Lipids und verwenden die in Plastiden synthetisierten Glycerolipide PtdGro, MGDG, DGDG und SQDG als Substrate. 16:1n-9 bzw.

18:1n-9 werden durch die Desaturase FAD6 an der ω6-Position zu 16:2n-6 bzw. 18:2n-6 desaturiert. Eine weitere Desaturierung zu 16:3n-3 und 18:3n-3 erfolgt durch die Desaturasen FAD7 und FAD8 (Browse et al., 1986; Falcone et al., 1994; Gibson et al., 1994; McConn et al., 1994). Für die Glycerolipidsynthese am ER verwendete Fettsäuren werden in den Plastiden durch Thioesterasen vom ACP abgespalten. Die freien Fettsäuren passieren auf einem bisher unbekannte Weg die innere und äußere Membran der Plastiden und werden noch an der äußeren Hüllmembran durch Acyl-CoA-Synthetasen auf CoA übertragen und in dieser Form der Lipidsynthese am ER zugeführt (Browse und Somerville, 1991). Im Unterschied zu den plastidären Acyl-ACP-Acyltransferasen verwenden die am ER lokalisierten Acyltransferasen Acyl-CoA-Thioester als Substrate. Dabei transferiert die Acyl-CoA:sn-Glycerin-3-Phosphat-Acyltransferase (GPAT) bevorzugt 18:1n-9, aber auch 16:0 auf die

sn-1-Die Acyl-CoA:sn-1-Acylglycerin-3-Phosphat-Acyltransferase (LPAAT) transferiert nahezu ausschließlich 18:1n-9 auf die sn-2-Position von Lyso-PtdOH. Die unterschiedliche Spezifität zwischen ER-lokalisierter und plastidärer LPAAT führt zu jeweils charakteristischen Acylierungen der sn-2-Positionen und ergibt die eukaryote Fettsäureverteilung der am ER synthetisierten Lipide.

Für die Synthese der Glycerophospholipide existieren verschiedene Reaktionswege (Athenstaedt und Daum, 1999). Ein Weg besteht in der Dephosphorylierung von PtdOH zu DAG. Katalysiert durch die Cholin:DAG-Phosphocholintransferase (CPT) bzw. CDP-Ethanolamin:DAG-Phosphoethanolamintransferase können die aktivierten Kopfgruppen Cytidin-5'-Cholin oder Cytidin-5'-Ethanolamin auf die sn-3-Position von DAG übertragen werden, wodurch PtdCho bzw. PtdEtn entsteht. Durch den zweiten Weg werden die Glycerophospholipide PtdIns, PtdSer und zu einem wesentlich geringeren Anteil PtdGro gebildet. Hierfür wird zuerst die Kopfgruppe von PtdOH durch Cytidin-5'-triphosphat zu CDP-DAG umgesetzt und aktiviert. Anschließend werden Inosit, Serin oder Glycerin auf CDP-DAG übertragen (Ohlrogge und Browse, 1995). Die am ER lokalisierten Desaturasen FAD2 und FAD3 modifizieren die an PtdCho gebundenen Fettsäuren. Das an PtdCho ge-bundene 18:1n-9 wird durch die Acyl-Lipid-Desaturase FAD2 zu 18:2n-6 und durch die Desaturase FAD3 weiter zu 18:3n-3 umgesetzt (Arondel et al., 1992; Okuley et al., 1994). In Eukaryoten findet die Biosynthese von Cardiolipin in der inneren Mitochondrienmembran statt. Dabei katalysiert die Cardiolipin-Synthase den Transfer eines Phosphatidrests von CDP-DAG auf PtdGro (Nowicki et al., 2005; Schlame, 2008a). Am ER synthetisierte Lipide können auch für die Synthese der plastidären Glycerolipide verwendet werden. Der Reimport in die Plastiden erfolgt in Form von PtdOH (Xu et al., 2003; Xu et al., 2005). Dadurch wird in den Plastiden MGDG, DGDG und SQDG mit einer eukaryoten Fettsäureverteilung gebildet.

Anhand des 16:3n-3/18:3n-3-Verhältnisses an der sn-2-Position von MGDG ist es möglich, das Ausmaß des Reimportes zu bestimmen, worüber eine Klassifizierung in 16:3- und 18:3-Pflanzen erfolgt.

PtdCho - Pool

Abb. 3 Biosynthese von Fettsäuren und Lipiden in Pflanzen (modifiziert nach Ohlrogge & Browse, 1995).

An der Biosynthese von Fettsäuren und Lipiden sind verschiedene Zellkompartimente beteiligt.

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Abb. 3 –Fortsetzung–

In den Plastiden erfolgen die Fettsäuresynthese und die Synthese von Glyceroglykolipiden. (1) Kondensation von Acetyl-CoA und Malonyl-CoA durch die Acetyl-CoA-Carboxylase; (2) Reaktionssequenz der Fettsäure-Synthase (FAS); (3) Desaturierung von 18:0 durch die lösliche, plastidäre Stearoyl-ACP-Desaturase; (4) Transfer der Fettsäurereste von Acyl-ACP auf Glycerin-3-Phosphat und die sukzessive Bildung von PtdOH und DAG mit der für Prokaryoten charakteristischen Fettsäureverteilung; (5) Synthese des Glycerophospholipids PtdGro; (6) Synthese der Glyceroglykolipide MGDG, DGDG und SQDG; (7) Desaturierung der Fettsäuren von Glyceroglykolipiden durch die plastidären, membranständigen Acyl-Lipid-Desaturasen; (8) Export der neugebildeten Fettsäuren in das Cytosol unter gleichzeitiger Übertragung der Fettsäuren auf CoA. Am Endoplasmatischen Retikulum erfolgt die Synthese der Glycerolipide und Glycerophospholipide mit der für Eukaryoten charakteristischen Fettsäureverteilung. (9) Transfer der Fettsäurereste von Acyl-CoA auf Glycerin-3-Phosphat und die sukzessive Bildung von (10) Lyso-PtdOH und (11) PtdOH; (11) Synthese von PtdIns, PtdGro und PtdSer über den CDP-DAG-Weg; (12) Dephosphorylierung von PtdOH zu DAG; (13) Synthese von PtdEtn und (14) PtdCho. (15) An der Synthese von TAG sind DAG und PtdCho beteiligt. (16) Desaturierung der Fettsäuren an PtdCho durch die membranständigen Acyl-Lipid-Desaturasen; (17) Transfer der lipidgebundenen Fettsäuren aus der sn-2-Position von PtdCho auf CoA. (18) Der eukaryote und der prokaryote Glycerolipidsynthese-Weg sind über den Reimport des DAG-Restes aus PtdCho oder aus Lyso-PtdCho in die Plastiden miteinander verbunden; (19) Verwendung des reimportierten DAG-Restes für die Glyceroglykolipidsynthese. (20) Der Acyl-CoA-Pool stellt Fettsäuren auch für andere Zellorganellen, wie z. B.

Mitochondrien, bereit (Erläuterungen und Erklärung der Abkürzungen siehe Text).