Метаболизм липидов

МЕТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ  

Биологические функции липидов определяются прежде всего тем, что они являются источниками  энергии. Эту функцию выполняют  жирные кислоты, освобождающиеся после  распада жиров. Фосфолипиды, гликолипиды  и холестерин участвуют в образовании клеточных мембран. Производные некоторых полиненасыщенных жирных кислот (простагландины) выполняют регуляторную функцию, эти жирные кислоты представляют собой незаменимые пищевые факторы. Холестерин является структурным компонентом мембран, а также предшественником желчных кислот и стероидных гормонов.  

Строение жирных кислот, жиров, стероидов, фосфолипидов  

Кроме того, вместе с жирами при всасывании в организм поступают жирорастворимые витамины (А, Е, D, К). Следует обратить внимание, что гидрофобность — общее свойство всех липидов. Но некоторые липиды (гликолипиды, фосфолипиды, желчные кислоты) амфифильны, так как имеют в своем составе гидрофильные и гидрофобные части.  

Расщепление липидов  в желудочно—кишечном тракте  

Расщепление липидов  происходит в 12—перстной кишке, куда поступают липаза с соком поджелудочной железы и конъюгированные желчные кислоты в составе желчи. Эмульгирование жира — обязательное условие для переваривания, так как делает гидрофобный субстрат более доступным для действия гидролитических ферментов — липаз. Эмульгирование происходит при участии желчных кислот , которые из—за своей амфифильности, окружают каплю жира и снижают поверхностное натяжение, что приводит к дроблению капли.  

Гидролиз жира осуществляется при участии панкреатической липазы , которая, сорбируясь на поверхности капель жира, расщепляет эфирные связи в триацилглицеринах (ТАГ). Жирные кислоты отщепляются прежде всего из a —положения. В результате образуется — диацилглицерин, затем b —моноацилглицерин, который является основным продуктом гидролиза:  
 

Всасывание происходит также при участии желчных  кислот, которые образуют вместе с  моноацилглицеринами, холестерином и  жирными кислотами смешанные  мицеллы — растворимые комплексы, обеспечивающие переход продуктов  гидролиза в клетки слизистой кишечника. Желчные кислоты с током крови доставляются в печень, затем снова секретируются желчью в кишечник, то есть повторно используются, циркулируя по кругу: печень — кишечник — печень. Однако в течение суток примерно 0,3 г желчных кислот не всасываются, а выводятся с калом. Потери восполняются за счет синтеза в печени из холестерина. Нарушение желчеобразования или поступления желчи в кишечник приводит к нарушению расщепления жиров и их выделению в составе кала — стеаторрея .  

Ресинтез триацилглицеринов из продуктов расщепления происходит в клетках слизистой кишечника:  
 

Транспорт ресинтезированного жира через лимфатическую систему  и кровоток возможен только после  включения его в состав липопротеинов.  

Строение липопротеинов  

В кишечнике  образуются два типа липопротеинов: хиломикроны — ХМ и в небольшом  количестве липопротеины очень низкой плотности — ЛОНП. В составе  хиломикронов экзогенные жиры доставляются в органы и ткани.  

Липопротеинлипаза (ЛП—липаза) — фермент, обеспечивающий потребление экзогенных жиров тканями. ЛП—липаза, располагающаяся в эндотелии сосудов, взаимодействует с хиломикронами кровотока и гидролизует триацилглирины на глицерин и жирные кислоты, которые поступают в клетку. По мере извлечения ТАГ из хиломикронов последние превращаются в остаточные хиломикроны и затем поступают в печень. Потребность в жирах составляет 50—100 г. в сутки — в зависимости от характера питания и энергетических затрат.  

Депонирование и мобилизация жиров  

Жиры, как и  гликоген, являются формами депонирования энергетического материала. Причем жиры — наиболее долговременные и более эффективные источники энергии . При голодании запасы жира у человека истощаются за 5—7 недель, тогда как гликоген полностью расходуется примерно за сутки. Если поступление жира превышает потребности организма в энергии , то жир депонируется в адипоцитах — специализированных клетках жировой ткани. Кроме того, если количество поступающих углеводов больше, чем надо для депонирования в виде гликогена, то часть глюкозы также превращается в жиры . Таким образом, жиры в жировой ткани накапливаются в результате трех процессов:

поступают из хиломикронов, которые приносят экзогенные жиры из кишечника 

поступают из ЛОНП, которые транспортируют эндогенные жиры, синтезированные в печени из глюкозы

образуются из глюкозы в самих клетках жировой  ткани.  

В первом и во втором случае жиры в составе липопротеинов  гидролизуются ЛП—липазой и в  клетку поступают жирные кислоты, которые  затем используются для синтеза  ТАГ. Перед включением в ТАГ жирные кислоты сначала активируются путем образования тиоэфиров кофермента А, а затем взаимодействуют с глицеролфосфатом. Так как глицерол не может быть фосфорилирован в адипоцитах (в этих клетках отсутствует глицеролкиназа), то глицеролфосфат образуется при восстановлении диоксиацетонфосфата.  

Метаболизм глицерола  в печени  

Следовательно, синтез ТАГ может протекать только в присутствии глюкозы, из которой  в процессе гликолиза образуется диаксиацетонфосфат. Инсулин стимулирует  синтез ТАГ, потому что в его присутствии повышается проницаемость мембран клеток жировой ткани для глюкозы.  

Роль инсулина в депонировании жира  

Мобилизацию (липолиз) депонированных ТАГ катализирует тканевая липаза. В результате жиры распадаются  на глицерин и свободные жирные кислоты.  

Мобилизация жира и его окисление в мышцах  

Адреналин и  глюкагон активируют внутриклеточную  липазу. Действие этих гормонов опосредовано аденилатциклазным каскадом реакций, начиная с активации аденилатциклазы  и заканчивая фосфорилированием липазы, которая при этом переходит в активную форму и расщепляет эфирные связи в ТАГ. Глицерол как растворимое в плазме вещество транспортируется в печень, где используется в реакциях глюконеогенеза. Жирные кислоты транспортируются кровью в виде комплексов с сывороточными альбуминами в разные органы и ткани, где включаются в процесс окисления.  

Синтез и мобилизация  триацилглицеридов  

Окисление жирных кислот  

Окисление жирных кислот состоит из двух этапов:

b —окисление 

цитратный цикл  

Оба этапа сопряжены с дыхательной цепью. b —окисление происходит в митохондриях клетки, а жирная кислота поступает из кровотока в цитозоль, где активируется путем конденсации с коферментом А, образуя тиоэфир.  

Окисление жирных кислот  

Для того чтобы  пройти через митохондриальную мембрану, жирной кислоте необходим специальный переносчик — карнитин . Поэтому сначала ацильная группа переносится с ацил—СоА на карнитин. Ацил—карнитин пересекает мембрану и отдает свой ацильный фрагмент снова на кофермент А. Ферментом этой обратимой реакции служит ацил—карнитинтрансфераза . Результатом четырех последующих реакций b —окисления является отщепление двухуглеродного фрагмента и перенос его на кофермент А с образованием ацетил—СоА, который затем может включаться в цитратный цикл для полного окисления. Укороченная ацильная цепь вторично входит в цикл b —окисления. Конечным итогом повторяющихся циклов b —окисления будет окисление всей ацильной цепи до ацетил—СоА.  

Энергетика окисления  жирных кислот  

За один цикл b —окисления образуется 1 молекула ацетил—СоА, окисление которого в цитратном цикле обеспечивает синтез 12 моль АТР. Кроме того, образуется 1 моль FADH2 и 1 моль NADH, при окислении которых в дыхательной цепи синтезируется соответственно 2 и 3 моль АТР (в сумме 5).  

Таким образом, при окислении, например, пальмитиновой  кислоты (С16) происходит 7 циклов b —окисления, в результате которых образуется 8 моль ацетил—СоА, 7 моль FADH2 и 7 моль NADH+Н+. Следовательно, выход АТР составляет 35 АТР в результате b —окисления и 96 АТР в результате цитратного цикла, что соответствует в сумме 131 моль АТР.  

Образование кетоновых  тел в печени (кетогенез)  

b —окисление  жирных кислот в печени ведет  к образованию восстановленных  коферментов, которые используются  для энергетических нужд клеток печени.  

Основным путем  дальнейшего использования ацетил—СоА, образованного при b —окислении в  печени, является синтез кетоновых  тел , который происходит следующим  образом: двухуглеродные молекулы конденсируются друг с другом с образованием в дальнейших реакциях ацетоацетата и b —гидроксибутирата.  

Синтез кетоновых  тел  

Эти две кислоты  называются кетоновыми телами. Кетоновые  тела диффундируют в кровь и используются внепеченочными тканями в качестве источников энергии. В норме концентрация кетоновых тел в крови 2 мг/дл. Ферменты, катализирующие синтез кетоновых тел, находятся в митохондриях. В определенных метаболических условиях, когда в печени происходит интенсивное окисление жирных кислот, образуется значительное количество кетоновых тел. Это происходит в состояниях, связанных с затруднениями в использовании углеводов, когда основным источником энергии для организма являются жирные кислоты (длительная мышечная работа, голодание, сахарный диабет). Скорость синтеза кетоновых тел может превышать потребление их тканями и вести к накоплению. Значительное увеличение концентрации кетоновых тел создает опасную ситуацию, которую называют кетоацидозом (кетозом) . При патологическом кетоацидозе ацетоацетат неферментативно декарбоксилируется, что сопровождается образованием ацетона, поэтому для кетоза характерен запах ацетона в выдыхаемом воздухе.  

Окисление кетоновых  тел  

Биосинтез жирных кислот  

Процесс осуществляется в различных частях клетки. В цитоплазме синтезируются насыщенные жирные кислоты с углеродной цепью до С16 (пальмитат).  

Синтез высших жирных кислот  

В митохондриях происходит дальнейшее наращивание  цепи, а в ретикулуме насыщенные жирные кислоты превращаются в ненасыщенные, и также происходит удлинение  цепи.  

Основным продуктом системы синтеза, содержащимся в цитозоле, является пальмитиновая кислота . Субстратом для синтеза жирной кислоты служит ацетил—СоА , образующийся из глюкозы в результате окисления пирувата. Использование пирувата в синтезе пальмитата включает следующие метаболические пути: окисление глюкозы в процессе гликолиза до пирувата в цитозоле, затем окислительное декарбоксилирование пирувата в митохондриях и последующая конденсация ацетил—СоА с оксалоацетатом с образованием цитрата. Далее цитрат перемещается в цитозоль, где распадается на ацетил—СоА и оксалоацетат. Первая реакция в биосинтезе жирной кислоты — это карбоксилирование ацетил—СоА и превращение его в малонил—СоА. Реакция катализируется ацетил—СоА—карбоксилазой , коферментом которой является биотин . Затем следуют повторяющиеся циклы из шести реакций. Катализирует весь процесс пальмитилсинтетаза — полифункциональный белок — фермент, имеющий одну полипептидную цепь, упакованную в два домена . Оба домена имеют в своем составе активные центры, способные поочередно катализировать реакции каждого цикла. Ацильные группы связываются с одним из доменов, содержащим пантотеновую кислоту, а малонильные — с остатком цистеина другого домена. После инициации процесса путем реакции конденсации с образованием b —кетоацил—фермента, растущая цепь жирной кислоты удерживается тиоэфирной связью с одним из доменов пальмитилсинтетазы. Ковалентно связанный субстрат поочередно попадает в активные центры фермента, где подвергается соответствующим превращениям. Очередной цикл синтеза начинается с присоединения новой молекулы малонил—СоА к одной из SH—групп активных центров доменов. Каждый цикл из шести реакций увеличивает длину цепи на два углеродных атома . Когда цепь достигает длины 16 углеродных атомов, тиоэфирная связь гидролизуется и пальмитат освобождается.  

Суммарное уравнение  синтеза пальмитата (7 циклов): Ацетил—СоА+7Малонил—КоА+14(NADPH+Н+) → пальмитат + 8HS—CoA+ 7CO2+14NADP++7H2O  

Необходимый для  восстановительных реакций NADPH образуется при окислении глюкозы по пентозофосфатному  пути . Большинство жирных кислот имеют более длинную, чем пальмитат, углеводородную цепь, которая может содержать ненасыщенные связи. Следовательно, биосинтез большинства жирных кислот требует участия ферментов элонгации и десатурации . Активность этих ферментов связана с эндоплазматическим ретикулумом, но иногда может протекать и в митохондриях.  

Полиненасыщенные  жирные кислоты  

Животные не способны синтезировать ни линолевую, ни линоленовую жирные кислоты из—за  отсутствия соответствующих десатураз. Поэтому эти кислоты должны обязательно поступать с пищей. Полиненасыщенные жирные кислоты, например, арахидоновая, 20:4 (5,8,11,14), являются непосредственным предшественником простагландинов .  

Синтез простагландинов  

Регуляция синтеза  и окисления жирных кислот в печени  

Переключение  процессов синтеза жирных кислот на их окисление происходит при смене  периода пищеварения на постабсорбтивное состояние и осуществляется с  помощью регуляторных механизмов. Синтез малонил—СоА — ключевая реакция  в регуляции синтеза и окисления жирных кислот . В период пищеварения в цитозоле увеличивается концентрация цитрата, который является переносчиком ацетильных остатков из митохондрий. Цитрат аллостерически активирует ацетил—СоА—карбоксилазу , что ускоряет синтез малонил—СоА и, следовательно, синтез жирных кислот. Малонил—СоА в свою очередь ингибирует ацил—карнитил—трансферазу , катализирующую перенос жирных кислот из цитозоля в митохондрии и "запускающую" механизм b —окисления. Таким образом, увеличение концентрации малонил—СоА в период пищеварения "включает" процесс синтеза жирных кислот и "выключает" b —окисление и синтез кетоновых тел. Ацетил—СоА—карбоксилаза также аллостерически ингибируется длинноцепочечными ацил—СоА, если они накапливаются, не успевая вступить в реакцию этерификации. Это пример ингибирования конечным продуктом процесса.  

Аллостерическая регуляция метаболизма жирных кислот в печени  

Кроме аллостерической  регуляции существует гормональный контроль активности ацетил—СоА—карбоксилазы. Адреналин и глюкагон путем увеличения концентрации сАМР и активности протеинкиназы фосфорилируют ацетил—СоА—карбоксилазу и переводят ее в неактивное состояние. Эти гормоны также путем фосфорилирования переводят липазу в жировой ткани в активное состояние.  

Гормональная  регуляция обмена жирных кислот  

Следовательно, синтез жирных кислот прекращается, а  начинается мобилизация ТАГ, окисление  жирных кислот и синтез кетоновых  тел, то есть включаются процессы, которые  поставляют клеткам энергодативные вещества.  

Взаимосвязь углеводного и жирового обмена  

Метаболизм холестерина  и желчных кислот  

Функции холестерина . Холестерин является предшественником в синтезе других стероидов: желчных  кислот, стероидных гормонов, витамина D3. Холестерин входит как структурный  компонент в состав мембран всех клеток. Существует два пути поступления холестерина:

из пищи животного  происхождения (экзогенный холестерин)

синтез в печени (эндогенный холестерин)  

Кроме печени в  небольшом количестве холестерин может  синтезироваться в клетках кишечника  и кожи.  

Биосинтез холестерина . Процесс происходит в цитозоле клетки. Молекула холестерина целиком "собирается" из ацетил—СоА. Промежуточным  метаболитом является b —окси— b —метил—глутарил—СоА , а его восстановление в мевалоновую  кислоту с использованием NADPH служит ключевой реакцией процесса. Скорость синтеза холестерина зависит от количества экзогенного холестерина, то есть поступающего с пищей. При поступлении 2—3 г холестерина в сутки синтез эндогенного холестерина подавляется.  

Пути синтеза  и использования холестерина  

Фермент гидроксиметелглутарил—СоА—редуктаза  играет главную роль в регуляции  синтеза холестерина. Холестерин подавляет  синтез ГМГ—СоА—редуктазы и таким  образом по механизму отрицательной  обратной связи снижает скорость своего синтеза.  

Синтез холестерина  

Транспорт холестерина  и триацилглицеринов  

Жиры и холестерин, поступающие в организм с пищей  или синтезированные в печени, должны транспортироваться в другие органы, где они используются. Проблема гидрофобности жиров и холестерина при транспорте решается с помощью образования транспортных частиц — липопротеинов, в которых триацилглицерины и эфиры холестерина взаимодействуют с амфифильными фосфолипидами и белками, обеспечивающими их растворимость. Липопротеины разделяются методом ультрацентрифугирования соответственно их плотности на четыре основных типа: хиломикроны — ХМ, липопротеины очень низкой плотности — ЛОНП, липопротеины низкой плотности — ЛНП, липопротеины высокой плотности — ЛВП. Существуют также промежуточные формы в метаболизме липопротеинов: хиломикроны остаточные (ХМост), ЛОНП остаточные (или липопротеины средней плотности — ЛСП).  

Свойства липопротеинов  плазмы крови 

Липопротеины   Основные липиды  Электрофоретическая фракция  Основные апопротеины  

ХМ  ТАГ  Нет  B—48 ,A—I, IV  

ЛОНП  ТАГ  Pre— b  B—100, E, C—I, II, III  

ЛСП  ТАГ и эфиры холестерина  b  B—100, E  

ЛНП  Эфиры холестерина  b  B—100  

ЛВП  Фосфолипиды и холестерин  a 1  A—I, II   

Аполипопротеины — это белковая часть липопротеинов (апобелок). В состав липопротеина может входить один или несколько апобелков. Некоторые апобелки являются интегральной частью липопротеина, а другие могут перемещаться с одного липопротеина на другой. Апобелки обозначают буквами: А, В, С, Е. Апобелки выполняют разнообразные функции . Они могут служить лигандом для рецепторов клеток при использовании липопротеинов тканями или обеспечивать взаимодействие с ЛП—липазой. Изменение конформации как рецептора, так и лиганда — апобелка, по различным причинами приводит к нарушению использования липопротеинов и их накоплению в крови. Апобелки могут активировать ферменты , участвующие в обмене липидов (ЛП—липаза, ЛХАТ). Например, Апо—С11 является кофактором ЛП—липазы. Этот апобелок имеет специфический участок связывания с ЛП—липазой, а гидролиз ТАГ в составе ХМ и ЛОНП происходит при контакте липопротеина с ферментом. Апобелки выполняют также и структурную функцию . Примеры функции апобелков представлены в таблице:  

Рецепторы липопротеинов 

Рецептор  Распознавание  Липопротеин  Ткань  Роль в обмене  Примечание  

ХМост.  Apo—E  ХМост.  Печень  Переносит пищевые жиры в печень  Также называется apo—E рецептор  

ЛВП  Неизвестно  ЛВП  Печень, возможно др. ткани  Присоединение ЛВП к клеткам   

ЛНП  Apo—B—100, apo—E  ЛНП, ЛСП  Печень, многие др. ткани  Удаление ЛНП, ЛСП из циркуляции  Способствует переносу холестерина из печени в ткани   

Транспорт липопротеинов  

В клетках слизистой  кишечника экзогенный холестерин и  ТАГ встраиваются в хиломикроны  и далее транспортируются кровью.  

Состав и свойства липопротеинов  

Затем в результате взаимодействия с ЛП—липазой хиломикроны  теряют до 90% ТАГ и превращаются в  ХМ остаточные, поглощение которых  печенью осуществляется при участии  рецепторного белка апо—Е. В печени пул холестерина составляется из синтезированного холестерина самими клетками и поступившего из остаточных хиломикронов.  

Транспортная  функция липопротеинов  

Этот пул холестерина  существует не только для собственных  нужд печени, но и для снабжения  других тканей. Холестерин печени вместе с жирами, синтезированными из глюкозы, включаются в ЛОНП и таким образом транспортируются кровью. После гидролиза жиров ЛП—липазой образуются ЛОНП остаточные, называемые ЛСП. Эти липопротеины либо поглощаются печенью, либо превращаются в ЛНП.  

В клетках—потребителях холестерина существуют рецепторы для ЛНП. Взаимодействие рецепторов с ЛНП происходит с помощью Апо—В—100, после чего ЛНП путем эндоцитоза поглощается клеткой. Потребление холестерина клеткой регулируется путем изменения количества рецепторов на поверхности клетки. При снижении потребности клетки в холестерине уменьшается количество рецепторов. Регулятором является сам холестерин, который репрессирует транскрипцию генов, соответствующих этим белкам. Липопротеины, циркулирующие в крови , обмениваются холестерином. Особенно активно это происходит между ЛНП и ЛВП, причем поток холестерина направлен в сторону ЛВП. Холестерин в виде свободного неэтерифицированного соединения находится в поверхностном монослое липопротеинов. ЛВП способны этерифицировать холестерин с помощью лецитин—холестерин—ацилтрансферазы (ЛХАТ). Этот фермент катализирует перенос ацильного остатка из b —положения фосфатидилхолина на холестерин. Эфир холестерина погружается внутрь ЛВП, освобождая место для новых молекул холестерина в поверхностном слое. Двусторонняя диффузия холестерина происходит и при контакте ЛВП с клетками, при этом ЛВП извлекают холестерин из мембран клеток. ЛВП, нагруженные холестерином, поглощаются в основном печенью путем эндоцитоза и там освобождают холестерин. Следовательно, ЛВП предупреждает накопление холестерина, а ЛНП обеспечивает клетку холестерином по мере потребности в нем. Таким способом поддерживается постоянство содержания холестерина в клетках. Нарушение соотношения между ЛНП и ЛВП может быть причиной гиперхолестеринемии .  

Метаболизм желчных  кислот  

Синтез . Желчные  кислоты — первичные (хенодезоксихолевая и холевая) образуются в клетках  печени из холестерина.  

Желчные кислоты  

После выделения  в кишечник под влиянием бактерий они преобразуются во вторичные (литохолевая и дезоксихолевая). В кишечник желчные кислоты поступают в составе желчи в виде конъюгатов с глицином и таурином. Ранее описывались функции желчных кислот в процессе переваривания липидов. После переваривания и всасывания желчные кислоты возвращаются через воротную вену в печень, совершая такой цикл до 10 раз в сутки. Этот цикл называется кишечно—печеночная циркуляция желчных кислот . Постоянным компонентом желчи является холестерин. Как и желчные кислоты, он подвергается обратному всасыванию, но некоторое количество желчных кислот и холестерина теряются с калом. Для восполнения потери желчных кислот, выводимых с фекалиями, происходит постоянно синтез желчных кислот из холестерина. Получается, что удаление холестерина в свободном виде или в виде желчных кислот является единственным способом освобождения организма от него.  

Метаболизм желчных  солей