Метаболизм углеводного и липидного обменов. Биохимия
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
Глава 2. Обмен липидов Л.П. Никитина, А.Ц. Гомбоева 2.1. Строение и функции липидов Липиды – это гетерогенный класс органических соединений, включающих высшие жирные кислоты, высшие спирты, их эфиры, а также связавшиеся с ними вещества нелипидной природы (Приложение, рис. 6). Простые однокомпонентные липиды – высшие жирные кислоты (ВЖК), высшие спирты, в том числе сфингозин, холестерин (ХС) – не способны к гидролизу. Двукомпонентные липиды - сложные эфиры, то есть продукты взаимодействия ВЖК и различных спиртов (с глицерином – триацилглицеролы (ТАГ), с высшими ациклическими спиртами - воска, с ХС - его эфиры). Исключением служат церамиды, являющиеся амидами ВЖК и высшего ациклического аминоспирта – сфингозина.  В состав сложных липидов входят полярные компоненты: фосфорилированные азотистые основания в фосфолипиды (ФЛ), моно-, олигосахариды в гликолипиды, полипептиды в протеолипиды, что делает их амфифилами. Липиды имеют огромное значение для организма (рис. 13). ТАГ являются самой компактной и энергоемкой формой хранения энергии, запасаются в адипоцитах жировой ткани, которая кроме того выполняет теплоизолирующую и механическую защитные функции. Во всех мембранах (клеточных и органоидных) основу составляет билипидный слой, включающий различные фосфо-, гликолипиды и ХС. Последний кроме того в коже преобразуется в холекальциферол (витамин D3); в коре надпочечников и в половых железах из него синтезируются соответствующие гормоны; в печени – желчные кислоты (рис. 14).  Рис. 14. Пути использования эфиров холестерина в клетке Около 50% ВЖК фосфолипидов мембран являются полиненасыщенными, что увеличивает текучесть и проницаемость. Такие ВЖК очень чувствительны к действию различных радикалов, в первую очередь, активных форм кислорода (АФК): супероксида аниона О2.- , пероксида водорода, радикала гидроксила и других, которые индуцируют свободно-радикальные процессы, в том числе перекисное окисление липидов (ПОЛ), чрезмерная активация которого сопровождает или служит причиной многих патологических состояний. В физиологических условиях эти процессы участвуют в самообновлении и репарации мембран, в синтезе биологически активных веществ (БАВ). Такие полиненасыщенные высшие жирные кислоты (ПНЖК), как арахидоновая и эйкозапентаеновая, подвергаясь реакциям пероксидации, образуют эйказоноиды (простагландины, лейкотриены, тромбоксаны), некоторые тканевые гормоны, регулирующие функции клеток. Арахидоновая, α-линоленовая, , эйкозапентаеновая и докозагексаеновая кислоты не синтезируются в организме человека и относятся к незаменимым (эссенциальным), поэтому их объединяют под термином витаминF . По положению первой двойной связи от конечной Н3С-группы их делят на ω3 и ω6 ПНЖК (Приложение, рис. 7). Рыбий жир включает много первых аналогов, они обладают сосудорасширяющим действием, а для ω6 кислот характерны противовоспалительный, антиаллергический, иммунодепрессивный эффекты. Гликолипиды выполняют рецепторные функции. Фосфатидилинозитол принимает непосредственно участие в передаче гормональных сигналов в клетку. 2.2. Переваривание липидов пищи Катаболическая фаза для большинста липидов также складывается из трех стадий. Если молекула состоит из двух и более компонентов, то она гидролизуется; затем продукты подвергаются специфическому распаду. С пищей в организм ежедневно поступает до 80-150 г липидов. Основной вклад вносят ТАГ, наряду с глюкозой служащие главными источниками энергии. Жидкие жиры (масла), содержащие в своем составе ПНЖК (витамин F), должны составлять не менее 1/3 ТАГ рациона. Переваривание липидов начинается в ротовой полости, где продукты питания измельчаются и смачиваются слюной. У детей железы Эбнера, располагающиеся на дорсальной поверхности языка, секретируют лингвальную липазу, которая при нейтральных значениях рН среды слабоактивна (рНопт 4,0-4,5). Из-за кислой среды желудка гидролиз липидов у взрослых не происходит, у грудничков его рН находится в пределах 6,5-7,0, что позволяет ферменту продолжать распад субстратов. У взрослых расщепление липидов начинается в двенадцатиперстной кишке. Обязательным условием переваривания является эмульгирование. Основную роль в этом процессе играют соли жёлчных кислот, входящие в состав жёлчи. Будучи амфифильными соединениями, они окружают каплю жира и способствуют ее дроблению на множество мелких капелек. Таким способом молекулы ТАГ становятся доступными для действия панкреатических липаз. В эмульгировании пищевого жира кроме того участвуют ионы К+, Na+, бикарбонаты сока pancreas и перистальтика кишечника. Ключевой фермент гидролиза ТАГ-липаза синтезируется в поджелудочной железе и поступает в кишечник, где под действием трипсина активируется путем частичного протеолиза. Данный энзим разрушает сложноэфирные связи преимущественно в положениях 1 и 3, поэтому основными продуктами гидролиза являются свободные жирные кислоты и 2-моноацилглицеролы (рис. 15).      ДАГ МАГ ТАГ Глицерол   МАГ МАГ Рис. 15. Гидролиз пищевых жиров в тонком кишечнике Затем специфическая изомераза переносит ацил из положения С2 в С1, после чего липаза может отщепить и этот остаток и освободить трехатомный спирт (рис. 15), но чаще к стенке тонкого кишечника подходят для всасывания продукты неполного распада: МАГ, ДАГ, а также глицерин, ВЖК. Как отмечено выше эффективность любой липазы зависит не только от рН среды, но и от присутствия эмульгаторов, дробящих крупные капли жира на мелкие, что делает молекулы доступными к действию энзима. Глицерофосфатиды пищи гидролизуются фосфолипазами, эфиры холестерина – холестеролэстеразой. Продукты расщепления – ВЖК, МАГ, ДАГ, лизофосфатиды, холестерол образуют мицеллы с парными (глико-, таурохолевыми или хенодезоксихолевыми) кислотами. С ними же комплексируются липовитамины. Получившиеся структуры всасывются щеточной каемкой энтероцитов или мицеллярной диффузией, или эндоцитозом. В цитозоле клетки эти макромолекулы диссоциируют, высвободившиеся желчные кислоты возвращаются в печень (энтерогепатическая циркуляция), что позволяет использовать их неоднократно для обработки пищевых ТАГ и липовитаминов. По vena porta в гепатоциты попадают также глицерин, короткоцепочечные жирные кислоты. Большая часть всосавшихся веществ в клетках тонкого кишечника подвергаются ресинтезу. С помощью триацилглицеролсинтетазы формируются нейтральные жиры, холестерол с участием ацил-КоА реацилируется, по похожей схеме получаются фосфолипиды. Ресинтезированные ТАГ, ЭХ, ГФЛ связываются с апопротеинами энтероцитов, образуются стабильные комплексные частицы – хиломикроны (ХМ), которые выходят в лимфу и через грудной лимфатический проток попадают в систему верхней полой вены с дальнейшим достижением легких, после чего оказываются в большом круге кровообращения. В кровотоке хиломикроны, встречаясь с ЛПВП обмениваются апопротеинами (рис. 16):  Рис. 16. Схема образования зрелых хиломикронов Этот обмен очень важен, так как апоС2 является кофактором ЛП-липазы, которая располагается в эндотелии капилляров скелетной, сердечной мускулатуры, жировой ткани, диафрагмы, селезенки, лактирующей молочной железы и гидролизует ТАГи в молекулах ХМ. В жировой ткани, высвобождающиеся в результате гидролиза жирные кислоты участвуют в синтезе ТАГов, а в мышечной – выступают в роли субстрата окисления – источника энергии. По мере продвижения хиломикронов в сосудистом русле они теряют ТАГи, уменьшаются в размерах, однако в них сохраняются ФЛ и ХС. Образующиеся структуры – ремнанты (остатки) в конечном итоге утилизируются в печени, куда попадают при помощи апоЕ и апоВ48, используя рецептор-опосредованный эндоцитоз. Как и в метаболизме многих соединений, печень занимает ключевую позицию в процессах переработки, биосинтеза, иммобилизации липидов, т.е. играет роль диспетчера. В промежутках между приемами пищи баланс липидов поддерживается их эндогенными аналогами, синтезированными гепатоцитами и адипоцитами. Из-за слабой полярности они транспортируются кровью в составе липопротеинов. 2.3. Классификация и роль липопротеинов Существует несколько классификаций липопротеинов (ЛП), основанных на различиях в их свойствах: гидратированной плотности, скорости флотации, электрофоретической подвижности, а также на различиях в апопротеиновом составе частиц. Наибольшее распространение получила классификация, использующая поведение отдельных ЛП в гравитационном поле при ультрацентрифугировании. Применяя набор солевых плотностей, можно изолировать отдельные фракции ЛП: хиломикроны (ХМ), липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеины промежуточной плотности (ЛППП), липопротеины низкой плотности (ЛПНП), липопротеины высокой плотности (ЛПВП). Различная электрофоретическая подвижность по отношению к глобулинам плазмы крови положена в основу другой классификации ЛП, согласно которой различают ХМ (остаются на старте аналогично γ-глобулинам), β-ЛП, пре-β-ЛП, α-ЛП, занимающие положение β- и α1- и α2-глобулинов соответственно. Электрофоретическая подвижность фракций ЛП, выделенных путем ультрацентрифугирования, соответствует подвижности отдельных глобулинов, поэтому иногда применяют их двойное обозначение: ЛПОНП (пре-β-ЛП), ЛПНП (β-ЛП), ЛПВП (α-ЛП). Состав и функции различных липопротеинов плазмы крови представлены в таблице 1, а рис. 17 служит иллюстрацией их судьбы в организме.  Рис. 17. Судьба липопротеинов в организмеПищевые липиды (ТАГ, холестерин) после всасывания доставляются к клеткам с помощью хиломикронов (ХМ) (1). Их эндогенные аналоги, синтезированные в печени, как отмечено выше, включены в ЛПОНП (3). Обе транспортные формы, продвигаясь по сосудам, подвергаются действию липопротеинлипазы, фиксированной на поверхности эндотелия капилляров, которая гидролизует ТАГи, содержащиеся в белковых комплексах; освободившиеся ВЖК и глицерол специфически метаболизируются тканями. Таблица 1. Состав липопротеинов крови, их функции
Остаточные ХМ (ремнанты), а также получившиеся последовательно из ЛПОНП – ЛППП, а далее ЛПНП, захватываясь рецепторами гепатоцитов (реакции 5 и 8) и других тканей, подвергаются эндоцитозу. Предшественники ЛПВП формируются в тонком кишечнике и печени (реакция 9). ЛПВП3, обогащаясь ХС в крови, обратимо превращаются в ЛПВП2 (реакции 6 и 7) под действием ферментов ЛХАТ (лецитин-холестерол-ацилтрансферазы) и печеночной ТАГ-липазы. Первый энзим катализирует следующую реакцию:  Специфический белок апоД, транспортирует образовавшиеся ЭХС с ЛПВП на ЛПОНП, ЛППП и ЛПНП (реакции 10,11, 12), которые доставляют его в гепатоциты. Таким образом, эффективность удаления холестерола из кровотока зависит от концентрации ЛПВП, которые играют главную роль в его переносе из периферических тканей в печень, где он становится доступным для синтеза желчных кислот и последующего выведения из организма. 2.4. Катаболизм глицерола и ВЖК 2.4.1. Пути утилизации глицерола В клетках печени, почек и тонкого кишечника глицерол подвергается окислению по следующей схеме (рис. 17):  Рис. 18. Катаболизм глицерола в клетках Глицерол фосфорилируется и окисляется до дигидроксиацетонфосфата (ДГАФ), который вступает в гликолиз, повторяя судьбу глюкозо-6-фосфата. Избыток последнего заставляет последующие порции ГА-3-Ф отправляться в глюконеогенез (ГНГ). 2.4.2. Виды окисления жирных кислот Источниками жирных кислот в клетке являются: кровь, где они находятся в комплексе с альбуминами, и собственные клеточные сложные липиды, высвобождающие ЖК путем гидролиза. В цитозоле они активируются с помощью фермента ацил-S-КоА–синтетазы и глубокого гидролиза АТФ (рис. 19).  Рис.19. Активация жирных кислот β–Окисление жирных кислот Независимо от особенностей строения эти однокомпонентные липиды начинают разрушаться с окисления атома углерода в β-положении, поэтому этот процесс получил название β-окисление. Он происходит в матриксе митохондрий, поэтому после активации жирные кислоты должны транспортироваться в митохондрии (рис. 20).  Рис. 20. Схема транспорта ацилов (ВЖК) через митохондриальную мембрану. Под действием фермента карнитинацилтрансферазы I (КАТ I) ацил-КоА переносится на карнитин с образованием ацилкарнитина. Специфическая транслоказа проводит это вещество через внутреннюю мембрану митохондрий. На ее внутренней поверхности карнитинацилтрансферазы II (КАТ II) расщепляет ацилкарнитин с помощью митохондриального HSКоА (рис. 20). Образовавшийся ацил-КоА включается в специфический процесс распада, который состоит из четырех стадий, повторяющихся циклически. В них последовательно происходит окисление (ацил-КоА-дегидрогеназа), гидратирование (еноил-КоА-гидратаза) и вновь окисление β-атома углерода (гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа). В последней, трансферазной реакции от жирной кислоты отщепляется ацетил-КоА. К оставшейся (укороченной на два углерода) жирной кислоте присоединяется HS-КоА, и она возвращается к началу преобразований (рис. 21). Все повторяется до тех пор, пока в последнем цикле не образуются две молекулы ацетил-КоА, конечные продукты процесса, запускающие цикл трикарбоновых кислот, восстановительные эквиваленты которого индуцируют биологическое окисление и сопряженное с ним окислительное фосфорилирование. ФАД ФАДН2   R-СН=СН-СSКоА О R-С-СН2-СSКоА О О НSКоА Тиолаза |