4 ОБМЕН ЛИПИДОВ

---

 

4.1 Транспорт липидов

4.2 Распад жиров (триацилглицеридов)

4.3 Окисление жирных кислот

4.4 Метаболизм кетоновых тел

4.5 Биосинтез жирных кислот

4.6 Биосинтез триацилглицеролов и фосфолипидов

4.7 Обмен холестерола

4.8 Регуляция липидного обмена

4.9 Нарушения липидного обмена

---

Обмен липидов включает два противоположных процесса: липолиз и синтез жира. Липолиз – распад эндогенных жиров в жировой ткани, происходит поэтапно. Потребность в липидах взрослого организма составляет 50–100 г в сутки, из них растительных (жидких) жиров должно быть не менее 30 %. С пищей в основном поступают триацилглицериды (ТАГ), фосфолипиды (ФЛ) и эфиры холестерола (ХС). Переваривание липидов происходит главным образом в тонкой кишке и осложняется тем, что их молекулы полностью или частично гидрофобны. Для преодоления этой помехи используется процесс эмульгирования, когда гидрофобные молекулы (ТАГ, эфиры ХС) или гидрофобные части молекул (жирные кислоты в составе ФЛ, циклическая структура ХС) погружаются внутрь мицеллы, а гидрофильные остаются на поверхности, обращенной к водной фазе. В ротовой полости и желудке эти процессы не идут.

Условно внешний обмен липидов можно подразделить на следующие этапы:

1. Эмульгирование жиров пищи – необходимо для того, чтобы ферменты ЖКТ смогли начать работу.

2. Гидролиз ТАГ, ФЛ и эфиров ХС под влиянием ферментов ЖКТ.

3. Образование мицелл из продуктов переваривания (жирных кислот, моноацилглицерина, ХС).

4. Всасывание образованных мицелл в эпителий кишечника. Однако короткие жирные кислоты (до 10 атомов углерода) всасываются вне мицелл сразу в воротную вену. Этот процесс важен для грудных детей, т.к. молоко содержит в основном коротко- и среднецепочечные жирные кислоты.

5. Ресинтез ТАГ, ФЛ и эфиров ХС в энтероцитах.

После ресинтеза липидов в кишечнике они собираются в транспортные формы – хиломикроны (основные) и липопротеины высокой плотности (ЛПВП, малое количество) – и разносятся по организму.

Для увеличения поверхности соприкосновения с гидрофильными ферментами жиры должны эмульгироваться (разбиться на мелкие капли). Эмульгирование происходит под действием солей желчных кислот. Эмульгированию также способствует перистальтика кишечника и выделение пузырьков СО₂, происходящее при нейтрализации кислого содержимого желудка бикарбонатом, выделяющимся в составе сока поджелудочной железы.

Постадийный гидролиз ТАГ осуществляется панкреатической липазой с оптимумом рН 8,0–9,0. В кишечник она поступает в виде пролипазы, для проявления ее активности требуется колипаза, которая помогает липазе расположиться на поверхности липидной капли (рисунок 23).

Панкреатическая липаза гидролизует жиры преимущественно в положениях 1 и 3, поэтому основными продуктами гидролиза являются глицерол, свободные жирные кислоты, моноацилглицеролы (в форме 2-МАГ) (рисунок 24). 2-МАГ всасываются или превращаются моноглицерол-изомеразой в 1-моноацилглицеролы. Последний гидролизуется до глицерола и жирной кислоты. Свободный глицерол всасывается напрямую в кровь. Фосфолипиды гидролизуются панкреатическими фосфолипазами А₁, А₂, С и D. Продуктами переваривания являются глицерол, жирные кислоты, фосфорная кислота и азотистые спирты (холин, этаноламин).

Эфиры холестерола расщепляются панкреатической холестеролэстеразой на холестерол и жирные кислоты. Активность фермента проявляется в присутствии желчных кислот.

В результате воздействия на эмульгированные жиры ферментов панкреатического и кишечного соков образуются лизофосфолипиды, 2-моноацилглицеролы, жирные кислоты и свободный холестерол.

Всасывание липидов происходит в проксимальной части тонкого кишечника. 3–10 % жиров пищи всасывается без гидролиза в виде триацилглицеролов. Основная же часть липидов всасывается лишь в виде продуктов расщепления. Всасывание гидрофильных продуктов переваривания (глицерол, жирные кислоты с числом углеродных атомов менее 12, фосфорная кислота, холин, серин, этаноламин и др.) происходит самостоятельно, а гидрофобные (длинноцепочечные жирные кислоты, ди- и моноглицеролы) всасываются в составе мицелл.

Структура этих мицелл такова, что их гидрофобное ядро (жирные кислоты, моноглицериды) оказывается окруженным снаружи гидрофильной оболочкой из желчных кислот и фосфатидов. Размеры мицелл примерно в 100 раз меньше самых мелких эмульгированных капель. В составе мицелл высшие жирные кислоты и моноглицериды переносятся с места гидролиза жиров к всасывающей поверхности кишечного эпителия. Здесь происходит распад жировых мицелл, при этом желчные кислоты сразу же поступают в ток крови и через систему воротной вены попадают в печень, откуда они вновь секретируются в составе желчи, т.е. происходит постоянная циркуляция желчных кислот между печенью и кишечником.

Главную роль в образовании мицелл играют желчные кислоты – холевая (гидроксилирована по С₃, С₇, С₁₂) и хенодезоксихолевая (гидроксилирована по С₃, С₇), затем они образуют парные желчные киcлоты – конъюгаты с глицином (гликопроизводные) и с таурином (тауропроизводные), в соотношении 3:1 соответственно (рисунок 25).

В дистальных отделах кишечника под действием микрофлоры эти желчные кислоты теряют ОН-группу при С₇ и превращаются во вторичные желчные кислоты – дезоксихолевую (гидроксилирована по С₃ и С₁₂) и литохолевую (гидроксилирована только по С₃).

В желчи содержится небольшая часть желчных кислот (10–15 % от общего количества), вновь синтезированных печенью. Основная масса желчных кислот (85–90 %) реабсорбируются в кишечнике и повторно секретируются в составе желчи. Желчные кислоты далее по воротной вене возвращаются в печень, а липидные компоненты включаются в процесс ресинтеза. В ресинтезе ТАГ участвуют не только жирные кислоты, всосавшиеся из кишечника, но и жирные кислоты, синтезированные в организме, поэтому по составу ресинтезированные жиры отличаются от полученных с пищей.

Ресинтезированные жиры соединяются с небольшим количеством белка и образуют относительно стабильные комплексные частицы – хиломикроны. Они содержат 2 % белка, 7 % фосфатидов, 8 % холестерина и свыше 80 % триглицеридов. Диаметр хиломикронов колеблется от 100 до 5000 нм. Благодаря большим размерам частиц хиломикроны не способны проникать из эндотелиальных клеток кишечника в кровеносные капилляры, и они диффундируют в лимфатическую систему кишечника, а из нее в грудной лимфатический проток, из которого – в кровяное русло.

Гидролиз хиломикронов происходит как внутри печеночных клеток, так и на их поверхности. Хиломикроны из-за своих размеров не могут проникать в клетки жировой ткани. В связи с этим триглицериды хиломикронов подвергаются гидролизу на поверхности эндотелия капилляров жировой ткани при участии липопротеидлипазы, которая тесно связана с поверхностью эндотелия капилляров. В результате гидролиза образуются глицерин и жирные кислоты. Часть жирных кислот проникает внутрь жировых клеток, а часть связывается с альбуминами сыворотки крови и уносится с ее током. Покидать жировую ткань с током крови может и глицерин.

4.1 Транспорт липидов

Различают экзо- и эндогенный транспорт липидов. К экзогенному относят транспорт липидов, поступивших с пищей, а к эндогенному – перемещение липидов, синтезированных в организме.

Для транспорта липидов в организме образуются комплексы липидов с белками – липопротеины (ЛП). Существует несколько типов ЛП, но все они имеют сходное строение (рисунок 26) – гидрофобное ядро и гидрофильный слой на поверхности.

Гидрофильный слой образован белками, которые называют апопротеинами (апобелками), и амфифильными молекулами липидов – ФЛ и ХС. Гидрофильные группы этих молекул обращены к водной фазе, а гидрофобные – к ядру, в котором находятся транспортируемые липиды.

Выделяют несколько типов апобелков – А, В, C, D, E. В каждом классе липопротеинов находятся соответствующие ему апобелки.

Апопротеины выполняют несколько функций:

• формируют структуру липопротеинов;
• взаимодействуют с рецепторами на поверхности клеток, определяя, какими тканями будет захватываться данный тип липопротеинов;
• являются ферментами или активаторами ферментов, действующих на липопротеины.

Липопротеины различаются по соотношению триацилглицеролов, холестерола и его эфиров, фосфолипидов и как сложные белки состоят из четырех классов:

– хиломикроны;

– липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП);

– липопротеины низкой плотности (ЛПНП);

– липопротеины высокой плотности (ЛПВП).

Хиломикроны и ЛПОНП ответственны, в первую очередь, за транспорт жирных кислот в составе ТАГ. Липопротеины высокой и низкой плотности – за транспорт холестерола и жирных кислот в составе эфиров ХС.

В качестве источника энергии могут использоваться только свободные, т.е. неэтерифицированные, жирные кислоты. Поэтому триглицериды сначала гидролизуются при помощи специфических тканевых ферментов – липаз – до глицерина и свободных жирных кислот. Последние из жировых депо могут переходить в плазму крови (жирные кислоты в плазме крови переносятся альбуминами), после чего они используются тканями и органами тела в качестве энергетического материала. Основными потребителями жирных кислот являются жировая и мышечная ткани.

В жировой ткани содержится несколько липаз, из которых наибольшее значение имеют триглицеридлипаза (так называемая гормоночувстви-тельная липаза), диглицеридлипаза и моноглицеридлипаза. Активность двух последних ферментов в 10–100 раз превышает активность первого. Триглицеридлипаза активируется рядом гормонов (например, адреналином, норадреналином, глюкагоном и др.), тогда как диглицеридлипаза и моноглицеридлипаза не чувствительны к их действию. Триглицеридлипаза является регуляторным ферментом.

Установлено, что гормоночувствительная липаза (триглицеридлипаза) находится в жировой ткани в неактивной форме, и активация ее гормонами протекает сложным каскадным путем, включающим участие по крайней мере двух ферментативных систем. Процесс начинается с взаимодействия гормона с клеточным рецептором, в результате чего модифицируется структура рецептора (сам гормон в клетку не поступает) и такой рецептор активирует аденилатциклазу. Последняя, как известно, катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из АТФ. Образовавшийся цАМФ активирует фермент протеинкиназу, который путем фосфорилирования неактивной триглицеридлипазы превращает ее в активную форму (рисунок 27).

Активная триглицеридлипаза расщепляет триглицерид на диглицерид и жирную кислоту. Затем при действии ди- и моноглицеридлипаз образуются конечные продукты липолиза – глицерин и свободные жирные кислоты, которые поступают в кровяное русло.

Скорость липолиза триглицеридов не является постоянной, она подвержена регулирующему влиянию различных факторов, среди которых особое значение имеют нейрогормональные.

Связанные с альбуминами плазмы крови в виде комплекса свободные жирные кислоты с током крови попадают в органы и ткани, где комплекс распадается, а жирные кислоты подвергаются либо β-окислению, либо частично используются для синтеза триглицеридов, глицерофосфолипидов, сфингофосфолипидов и других соединений, а также на этерификацию холестерина.

Схема транспорта липидов указана на рисунке 28.

4.2 Распад жиров (триацилглицеридов)

Распад ТАГ (липолиз, мобилизация жира) идет в жировых клетках постоянно и обычно существует равновесие между синтезом и распадом ТАГ. В состоянии покоя печень, сердце, скелетные мышцы и другие ткани (кроме эритроцитов и нейроцитов) более 50 % энергии получают из окисления жирных кислот, поступающих из жировой ткани благодаря фоновому липолизу.

Распад ТАГ активируется:

– при нормальных физиологических стрессовых ситуациях – эмоциональный стресс, мышечная работа, голодание,

– при патологических состояниях – сахарный диабет I типа, другие гормональные заболевания: гиперкортицизм, гипертиреоз.

В целом распад жира можно представить как последовательность следующих процессов:

1. Липолиз – гормонзависимый распад ТАГ в жировой ткани или резервных ТАГ в самой клетке.

2. Транспорт жирных кислот из жировой ткани по крови в комплексе с альбумином.

3. Проникновение жирной кислоты в цитозоль клетки-мишени.

4. Активация жирной кислоты через присоединение HS-KoA.

5. Карнитин-зависимое перемещение жирной кислоты в митохондрию.

6. Окисление жирной кислоты с образованием ацетильных групп (ацетил- SKoA).

7. Сгорание ацетил- SKoA в цикле лимонной кислоты или синтез (только в печени) кетоновых тел.

Реакция гидролиза триглицеридов ускоряется гидролазой эфиров глицерина – липазой.

Связи во 2-м положении гидролизует моноглицеридлипаза:

Глицерин может быть использован в процессах синтеза липидов, глюконеогенеза, а также может окисляться в зависимости от условий до L-лактата или СО₂ и Н₂О. Но независимо от того, поступил ли он на ресинтез жиров или будет претерпевать дальнейший распад, прежде всего глицерин фосфорилируется. Донором остатка фосфорной кислоты в этой реакции служит АТФ. Процесс ускоряется соответствующей фосфотрансферазой:

Далее глицерол-3-фосфат может вовлекаться в липогенез (при взаимодействии с активированными жирными кислотами) или окисляется под действием глицеролфосфатдегидрогеназы с образованием ДАФ:

ДАФ может использоваться для биосинтеза липидов, в процессе глюконеогенеза или вовлекается в гликолитический путь.

В последних двух случаях диоксиацетонфосфат под действием триозофосфатизомеразы изомеризуется в ГАФ (раздел 3.1), который затем вступает в обменные реакции.

Глицеральдегид-3-фосфат может далее метаболизироваться по пути гликолиза до пирувата. Пируват в аэробных условиях под действием пируватдегидрогеназного комплекса превращается в ацетил-КоА, который в цикле трикарбоновых кислот и ЭТЦ окисляется до СО₂ и Н₂О с освобождением энергии.

При превращении глицерина до ГАФ затрачивается 1 молекула АТФ и образуется 1 НАДН (2,5 АТФ), выход – 1,5 молекулы АТФ. Далее при превращении ГАФ в ПВК образуется 2 АТФ и 1 НАДН (2,5 АТФ), выход – 4,5 молекул АТФ. При превращении ПВК до СН₃СО~SКоА (окислительное декарбоксилирование ПВК) образуется 1 НАДН (2,5 АТФ), а при превращении СН₃СО~SКоА до СО₂ и Н₂О в ЦТК образуется 10 молекул АТФ (раздел 3.5). Суммарный энергетический баланс окисления глицерина – 18,5 молекулы АТФ.

4.3 Окисление жирных кислот

Жирные кислоты транспортируются в крови в комплексе с альбуминами плазмы: при физической нагрузке – в мышцы, в обычных условиях и при голодании – в мышцы и большинство тканей, однако при этом около 30 % жирных кислот захватывается печенью.

При голодании и физической нагрузке после проникновения в клетки жирные кислоты вступают на путь β-окисления.

В 1904 г. Ф. Кнооп выдвинул гипотезу β-окисления жирных кислот на основании того, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в β-положении. В результате от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные фрагменты со стороны карбоксильной группы. Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных и растений, имеют четное число углеродных атомов. Любая такая кислота, от которой отщепляется по паре углеродных атомов, в конце концов, проходит через стадию масляной кислоты. После очередного β-окисления масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидролизуется до двух молекул уксусной кислоты. Теория β-окисления жирных кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Реакции β-окисления происходят в митохондриях большинства клеток организма (кроме нервных клеток). Для окисления используются жирные кислоты, поступающие в цитозоль из крови или появляющиеся при внутриклеточном липолизе ТАГ.

Прежде, чем проникнуть в матрикс митохондрий и окислиться, жирная кислота в цитозоле должна активироваться. Это осуществляется присоединением коэнзима А с образованием ацил-SКоА. Ацил-SКоА является высокоэнергетическим соединением. Необратимость реакции достигается гидролизом дифосфата на две молекулы фосфорной кислоты. Реакция катализируется ферментом ацил-SКоА-синтетазой:

Считают, что активация жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, представляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульфгидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат с образованием ацил-SКоА и АМФ.

Коэнзимная форма жирной кислоты, в равной мере, как и свободные жирные кислоты, не обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где, собственно, и протекает их окисление. Переносчиком активированных жирных кислот с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:

Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы I (рисунок 29). Уже на той стороне мембраны, которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в карнитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами, после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий происходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы II, вновь образуется ацил-SКоА который вступает на путь β-окисления.

Процесс собственно β-окисления состоит из 4-х реакций, повторяющихся циклически (рисунок 30). В них последовательно происходит окисление, гидратирование и вновь окисление 3-го атома углерода (β-положение). В последней реакции от жирной кислоты отщепляется ацетил-КоА. Оставшаяся укороченная на два углерода жирная кислота возвращается к первой реакции и все повторяется снова, до тех пор, пока в последнем цикле не образуются два ацетил-КоА.

Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в α- и β-положениях, превращаясь в SКоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-дегидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью между С-2 и С-3.

Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-SКоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-оксоацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА). В результате гидратации транс-Δ2-двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА.

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-оксоацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД⁺-зависимые дегидрогеназы.

Тиолазная реакция. В ходе предыдущих реакций происходило окисление метиленовой группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция представляет собой расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой группы второй молекулы SКоА. В результате образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (β-кетотиолазой).

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикарбоновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-х углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до 2 молекул ацетил-КоА.

Жирные кислоты с нечетным числом углеродов поступают в организм с растительной пищей и морепродуктами. Их β-окисление происходит по обычному пути до последней реакции, в которой образуется пропионил-SКоА. Суть превращений пропионил-КоА сводится к его карбоксилированию, изомеризации и образованию сукцинил-КоА, используемому в ЦТК. В этих реакциях участвуют биотин (витамин Н) и дезоксиаденозилкобаламин (витамин В₁₂) (рисунок 31).

Окисление ненасыщенных жирных кислот происходит с соблюдением всех закономерностей β-окисления, но через дополнительные стадии, природа которых зависит от положения и геометрии двойной связи (связей) в обычных ненасыщенных жирных кислотах. Рассмотрим в качестве примера β-окисление олеиновой кислоты (С_18:1, Δ⁹). Первые три цикла окисления приводят к образованию жирной кислоты с цис-Δ³-конформацией двойной связи (рисунок 32). Чтобы смогла осуществиться следующая стадия – гидратация с участием еноил-КоА-гидратазы, необходимо чтобы двойная связь в молекуле КоА-производного жирной кислоты переместилась из положения 3–4 в положение 2–3 и изменилась ее конфигурация из цис- в транс-. Это препятствие преодолевается с помощью дополнительного фермента цис,транс-изомеразы, катализирующей двойную изомеризацию – изменяются и положение и геометрия двойной связи. После завершения изомеризации процесс β-окисления идет обычным путем.

При окислении линолевой кислоты (С_18:2, Δ^9,12) с двумя цис-двойными связями первые три цикла β-окисления приведут к образованию 12-углеродной кислоты с цис-двойными связями в положении 3 и 6. Это соединение не является субстратом ни для ацил-КоА-дегидрогеназы, ни для еноил-КоА-гидратазы в ходе β-окисления. В частности, как отмечено ранее, для гидратазы необходима транс-двойная связь между углеродными атомами 2 и 3. Кроме того, через следующие два цикла образуется ненасыщенная кислота с двойной связью в α,β-положении, но с цис-геометрией. В результате реакции гидратации данного соединения образуется D-изомер β-гидроксипродукта, который не может быть использован в качестве субстрата L-β-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназой. Поэтому в случае окисления такой кислоты, как линолевая, необходимо участие не только цис-транс-изомеразы, но и второго дополнительного фермента – эпимеразы, катализирующий D ↔ L превращение. После этого β-окисление проходит без помех. Такой метаболит служит субстратом еноил-гидратазы, превращающей транс-еноил-КоА в L-β-гидроксиацил-КоА.

Скорость окисления ненасыщенных жирных кислот выше, чем насыщенных жирных кислот.

Расчет энергетической ценности и коэффициента Р/О при β-окислении жирных кислот

По современным данным значение коэффициента Р/О для НАДН соответствует 2,5, для ФАДН₂ – 1,5.

При расчете количества АТФ, образуемого при β-окислении жирных кислот необходимо учитывать:

– количество образуемого ацетил-КоА – определяется обычным делением числа атомов углерода в жирной кислоте на 2;

– число циклов β-окисления. Число циклов β-окисления легко определить исходя из представления о жирной кислоте как о цепочке двухуглеродных звеньев. Число разрывов между звеньями соответствует числу циклов β-окисления. Эту же величину можно подсчитать по формуле (n/2–1), где n – число атомов углерода в кислоте;

– наличие двойных связей в жирной кислоте. В первой реакции β-окисления происходит образование двойной связи при участии ФАД. Если двойная связь в жирной кислоте уже имеется, то необходимость в этой реакции отпадает и ФАДН₂ не образуется. Количество необразованных ФАДН₂ соответствует числу двойных связей. Остальные реакции цикла идут без изменений;

– количество энергии АТФ, потраченной на активацию.

Окисление пальмитиновой кислоты

Так как имеется 16 атомов углерода, то при β-окислении образуется 8 молекул ацетил-SКоА. Последний поступает в ЦТК, при его окислении в одном обороте цикла образуется 3 молекулы НАДН (7,5 АТФ), 1 молекула ФАДН₂ (1,5 АТФ) и 1 молекула ГТФ, что эквивалентно 10 молекулам АТФ. Итак, 8 молекул ацетил-SКоА обеспечивает образование 8×10 = 80 молекул АТФ.

Для пальмитиновой кислоты число циклов β-окисления равно 7. В каждом цикле образуется 1 молекула ФАДН₂ (1,5 АТФ) и 1 молекула НАДН (2,5 АТФ). Поступая в дыхательную цепь, в сумме они дадут 4 молекулы АТФ. Таким образом, благодаря 7 циклам образуется 7×4 = 28 молекул АТФ.

Двойных связей в пальмитиновой кислоте нет.

На активацию жирной кислоты идет 1 молекула АТФ, которая, однако, гидролизуется до АМФ, то есть тратятся 2 макроэргические связи.

Таким образом, суммируя, получаем (80 + 28) – 2 = 106 молекул АТФ.

Для расчета коэффициента Р/О подсчитываем

– количество АТФ, образованного в митохондриях АТФ-синтазой – это соответствует значению Р;

– общее количество НАДН и ФАДН₂, поступивших в дыхательную цепь – это значение соответствует числу восстановленных атомов кислорода (О), включенных в молекулу воды.

После расчетов получаем Р = 72 + 28 = 100 и О = 32 +14 = 46. Таким образом, величина Р/О для β-окисления пальмитиновой кислоты равна 2,17.

Следовательно, суммарное уравнение β-окисления активированной кислоты можно записать так:

Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД⁺ + 7Н₂O + 7HS-KoA → 8Ацетил-КоА + 7ФАДН₂ + 7НАДН + 7Н⁺

Изменение свободной энергии ΔF при полном сгорании 1 моль пальмитиновой кислоты составляет 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ характеризуется величиной 7,6 ккал/моль. Нетрудно подсчитать, что примерно 805,6 ккал (7,6×106), или 35 % от всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме, используется для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, очевидно, теряется в виде тепла.

Следовательно, эффективность накопления энергии в результате окисления жирных кислот при стандартных условиях составляет ~ 40 %, что близко к соответствующей величине для гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования.

Окисление линолевой кислоты

Так как число атомов углерода равно 18, то количество молекул ацетил-SКоА равно 9. Значит в ЦТК образуется 9×10 = 90 молекул АТФ.

Число циклов β-окисления равно 8. При расчете получаем 8×4 = 32 молекулы АТФ.

В кислоте имеются 2 двойные связи. Следовательно, в двух циклах β-окисления не образуется 2 молекулы ФАДН₂, что равноценно потере 3 молекул АТФ.

На активацию жирной кислоты тратятся 2 макроэргические связи.

Таким образом, энергетический выход окисления соответствует (90 + 32) –3 –2 = 117 молекул АТФ.

_{При расчете коэффициента Р/О получаем Р = 81 + 32 = 113 и О = 36 + 14 = 50. Таким образом, величина Р/О для β-окисления линолевой кислоты равна 2,26.}

 

4.4 Метаболизм кетоновых тел

Под термином «кетоновые (ацетоновые) тела» подразумевают ацетоуксусную кислоту (ацетоацетат) СН₃СОСН₂СООН, β-оксимасляную кислоту (β-оксибутират, или D-3-гидроксибутират) СН₃СНОНСН₂СООН и ацетон СН₃СОСН₃.

В здоровом организме ацетон в крови присутствует в крайне низких концентрациях, образуется в результате спонтанного декарбоксилирования ацетоацетата и, по-видимому, не имеет определенного физиологического значения. Стимулом для образования кетоновых тел служит поступление большого количества жирных кислот в печень. При состояниях, активирующих липолиз в жировой ткани, около 30 % образованных жирных кислот задерживаются печенью. К этим состояниям относится голодание, декомпенсация сахарного диабета I типа, длительные физические нагрузки, богатая жирами диета. В обычных условиях синтез кетоновых тел также идет, хотя в намного меньшем количестве.

При голодании синтез кетоновых тел ускоряется в 60 раз (повышение до 0,6 г/л при норме менее 0,01 г/л), при декомпенсации сахарного диабета I типа – в 400 раз (до 4 г/л). Синтез ацетоацетата происходит только в митохондриях печени, далее ацетоацетат либо восстанавливается до 3-гидроксибутирата, либо декарбоксилируется до ацетона. Потом все три соединения поступают в кровь и разносятся по тканям.

Ацетон, как летучее вещество, удаляется с выдыхаемом воздухом и потом. Все кетоновые тела могут выделяться с мочой.

На первом этапе из 2 молекул ацетил-КоА образуется ацетоацетил-КоА. Реакция катализируется ферментом ацетил-КоА-ацетилтрансферазой (3-кетотиолазой) (рисунок 33).

Затем ацетоацетил-КоА взаимодействует еще с одной молекулой ацетил-КоА. Реакция протекает под влиянием фермента гидроксиметил-глутарил-КоА-синтетазы. Образовавшийся β-окси-β-метил-глутарил-КоА способен под действием гидроксиметилглутарил-КоА-лиазы расщепляться на ацетоацетат и ацетил-КоА. Ацетоацетат восстанавливается при участии НАД-зависимой D-3-гидроксибутират-дегидрогеназы, при этом образуется D-β-оксимасляная кислота (D-3-гидроксибутират). Следует подчеркнуть, что фермент специфичен по отношению к D-стереоизомеру и не действует на КоА-эфиры.

Существует второй путь синтеза кетоновых тел. Образовавшийся путем конденсации 2 молекул ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА способен отщеплять коэнзим А и превращаться в ацетоацетат. Этот процесс катализируется ферментом ацетоацетил-КоА-гидролазой (деацилазой):

Однако второй путь образования ацетоуксусной кислоты (ацетоацетата) не имеет существенного значения, т.к. активность деацилазы в печени низкая.

Используются кетоновые тела всеми тканями, кроме печени и эритроцитов. Особенно активно, даже в норме, они потребляются миокардом и корковым слоем надпочечников.

Реакции утилизации происходят в обратном порядке. В настоящее время ясна молекулярная основа изречения, что «жиры сгорают в пламени углеводов». Известно, что ацетил-КоА, образовавшийся при окислении жирных кислот, включается в цикл трикарбоновых кислот в условиях, когда расщепление жиров и углеводов соответствующим образом сбалансировано. Включение ацетил-КоА в цикл Кребса зависит от доступности оксалоацетата для образования цитрата. Однако если расщепление жиров преобладает, судьба ацетил-КоА изменяется. Объясняется это тем, что в отсутствие углеводов или при нарушении их использования концентрация оксалоацетата снижается. При голодании или диабете оксалоацетат расходуется на образование глюкозы и поэтому не может конденсироваться с ацетил-КоА. В таких условиях путь метаболизма ацетил-КоА отклоняется в сторону образования ацетоацетата и D-3-гидроксибутирата, т.е. кетоновых тел.

4.5 Биосинтез жирных кислот

В настоящее время в достаточной степени изучен механизм биосинтеза жирных кислот в организме животных и человека, а также катализирующие этот процесс ферментные системы. Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме клетки всех органов. Субстратом для синтеза жиров de novo является ацетил-КоА. В митохондриях в основном происходит удлинение существующих цепей жирных кислот. Установлено, что в цитоплазме печеночных клеток синтезируется пальмитиновая кислота (16 углеродных атомов), а в митохондриях этих клеток из уже синтезированной в цитоплазме клетки пальмитиновой кислоты или из жирных кислот экзогенного происхождения, т.е. поступающих из кишечника, образуются жирные кислоты, содержащие 18, 20 и 22 углеродных атома.

Иными словами, митохондриальная система биосинтеза жирных кислот, включающая несколько модифицированную последовательность реакций β-окисления, осуществляет только удлинение существующих в организме среднецепочечных жирных кислот, в то время как полный биосинтез пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА активно протекает в цитозоле, т.е. вне митохондрий, по совершенно другому пути.

Внемитохондриальная система биосинтеза жирных кислот (липогенез)

Эта система находится в растворимой (цитозольной) фракции клеток многих органов, в частности печени, почек, мозга, легких, молочной железы, а также в жировой ткани. Биосинтез жирных кислот протекает с участием НАДФН, АТФ, Мn²⁺ и НСО₃^– (в качестве источника СО₂); субстратом является ацетил-КоА, конечным продуктом – пальмитиновая кислота. Потребности в кофакторах процессов биосинтеза и β-окисления жирных кислот значительно различаются.

Как отмечалось, строительным блоком для синтеза жирных кислот в цитозоле клетки служит ацетил-SКоА, который в основном поступает из митохондрий. Было выявлено, что цитрат стимулирует синтез жирных кислот в цитозоле клетки. Известно также, что образующийся в митохондриях в процессе окислительного декарбоксилирования пирувата и окисления жирных кислот ацетил-КоА не может диффундировать в цитозоль клетки, т.к. митохондриальная мембрана непроницаема для данного субстрата. Поэтому вначале внутримитохондриальный ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом, в результате чего образуется цитрат. Реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой. Образовавшийся цитрат по градиенту концентрации переносится через мембрану митохондрий в цитозоль при помощи специальной трикарбоксилаттранспортирующей системы. В цитозоле цитрат реагирует с HS-KoA и АТФ, вновь распадаясь на ацетил-КоА и оксалоацетат. Эта реакция катализируется АТФ-цитрат-лиазой. Уже в цитозоле оксалоацетат при участии цитозольной малатдегидрогеназы восстанавливается до малата. Последний при помощи дикарбоксилат-транспортирующей системы возвращается в митохондриальный матрикс, где окисляется до оксалоацетата, завершая тем самым так называемый челночный цикл (рисунок 34).

Существует еще один путь переноса внутримитохондриального ацетил-КоА в цитозоль клетки – с участием карнитина. Как отмечалось, карнитин играет роль переносчика ацильных групп из цитозоля в митохондрии при окислении жирных кислот. По-видимому, он может выполнять эту роль и в обратном процессе, т.е. в переносе ацильных радикалов, в том числе ацетильного радикала, из митохондрий в цитозоль клетки. Однако, когда речь идет о синтезе жирных кислот, данный путь переноса ацетил-КоА не является главным.

Условно можно выделить 4 этапа биосинтеза жирных кислот:

1. Образование ацетил-КоА из глюкозы или кетогенных аминокислот.

2. Перенос ацетил-КоА из митохондрий в цитозоль

– может быть в комплексе с карнитином, также как переносятся высшие жирные кислоты, но здесь транспорт идет в другом направлении,

– обычно в составе лимонной кислоты, образующейся в первой реакции ЦТК.

Поступающий из митохондрий цитрат в цитозоле расщепляется АТФ-цитрат-лиазой до ацетил-КоА и оксалоацетата:

Оксалоацетат в дальнейшем восстанавливается до малата, и последний либо переходит в митохондрии (малат-аспартатный челнок), либо декарбоксилируется в пируват малик-ферментом (яблочный фермент).

3. Образование малонил-КоА из ацетил-КоА.

Карбоксилирование ацетил-КоА катализируется ацетил-КоА-карбоксилазой. Фермент содержит в качестве простетической группы биотин. Авидин – ингибитор биотина угнетает эту реакцию, как и синтез жирных кислот в целом. (Авидин – тетрамерный биотин-связывающий белок, вырабатываемый в яйцеводах птиц, рептилий и амфиюий. Содержит четыре идентичные субъединицы (гомотетрамеры), каждая из которых может связываться с биотином (витамин В₇, витамин Н) с высокой степенью аффинности и специфичности, обладает способностью инактивировать и предотвращать всасывание его). Установлено, что ацетил-КоА-карбоксилаза состоит из переменного числа одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит биотин, биотинкарбоксилазу, карбоксибиотинпереносящий белок, транскарбоксилазу, а также регуляторный аллостерический центр, т.е. представляет собой полиферментный комплекс. Реакция протекает в два этапа: I – карбоксилирование биотина с участием АТФ и II – перенос карбоксильной группы на ацетил-КоА, в результате чего образуется малонил-КоА:

Малонил-КоА представляет собой первый специфический продукт биосинтеза жирных кислот. В присутствии соответствующей ферментной системы малонил-КоА быстро превращается в жирные кислоты.

4. Синтез пальмитиновой кислоты.

Энзиматические системы, осуществляющие синтез жирных кислот, называются жирно-кислотными синтетазами. Они широко встречаются в природе и могут быть изолированы из различных одноклеточных организмов, растений и животных тканей.

Мультиферментный комплекс, называемый синтетазой (синтазой) жирных кислот, состоит из 6 ферментов, связанных с так называемым ацилпереносящим белком (АПБ). Молекулярная масса этого белка составляет около 10 000 Да, он относительно термостабилен, имеет две свободные HS-группы (цистеина и фосфопантетеинового остатка, присоединенного к ОН-группе серина) и вовлекается в процесс синтеза высших жирных кислот практически на всех его этапах. Данный белок в синтетазной системе выполняет роль КоА (рисунок 35). Взаимодействие этих групп обусловливает начало и продолжение биосинтеза жирной кислоты, а именно пальмитиновой кислоты. Для реакций синтеза необходим НАДФН.

В первых двух реакциях (рисунок 36) последовательно присоединяются малонил-КоА к фосфопантетеину ацил-переносящего белка (всегда) и ацетил-КоА к цистеину 3-кетоацил-синтетазы (только в первой реакции). 3-Кетоацилсинтаза катализирует третью реакцию – перенос ацетильной группы на С₂ малонила с отщеплением карбоксильной группы.

Далее кето-групп в реакциях восстановления при участии НАДФН, дегидратации и опять восстановления превращается в метиленовую с образованием насыщенного ацила. Ацилтрансфераза переносит его на цистеин 3-кетоацилсинтазы, к фосфопантеину присоединяется малонил-КоА и цикл повторяется до образования остатка пальмитиновой кислоты. Пальмитиновая кислота отщепляется шестым ферментом комплекса тиоэстеразой.

Синтезированная пальмитиновая кислота при необходимости поступает в ЭПР. Здесь с участием малонил-КоА и НАДФН цепь удлиняется до С₁₈ или С₂₀.

В отличие от растительных тканей, ткани животных обладают весьма ограниченной способностью превращать насыщенные жирные кислоты в ненасыщенные. Эти превращения протекают в микросомах клеток печени и жировой ткани при участии молекулярного кислорода, восстановленной системы пиридиновых нуклеотидов и цитохрома b₅. Превращению подвергаются только активированные формы пальмитиновой и стеариновой кислот. Ферменты, участвующие в этих превращениях, получили название десатураз:

Наряду с десатурацией жирных кислот (образование двойных связей) в микросомах происходит и их удлинение (элонгация), причем оба эти процесса могут сочетаться и повторяться. Удлинение цепи жирной кислоты происходит путем последовательного присоединения к соответствующему ацил-КоА двууглеродных фрагментов при участии малонил-КоА и НАДФН. Энзиматическая система, катализирующая удлинение жирных кислот, получила название элонгазы.

Удлиняться ненасыщенные жирные кислоты могут (олеиновая, линолевая, линоленовая) с образованием производных эйкозановой кислоты (С₁₉Н₃₉СООН). Но двойная связь животными клетками вводится не далее 9 атома углерода, поэтому ω-3 и ω-6-полиненасыщенные жирные кислоты синтезируются только из соответствующих предшественников.

Например, арахидоновая кислота может образоваться в клетке только при наличии линоленовой или линолевой кислот. При этом линолевая кислота (18:2) дегидрируется до γ-линоленовой (18:3) и удлиняется до эйкозотриеновой кислоты (20:3), последняя далее вновь дегидрируется до арахидоновой кислоты (20:4). Так формируются жирные кислоты ω-6 ряда.

Для образования жирных кислот ω-3 ряда, например, тимнодоновой (20:5), необходимо наличие α-линолевой кислоты(18:3), которая дегидрируется (18:4), удлиняется (20:4) и опять дегидрируется (20:5).

Регуляция обмена жирных кислот

Гормональная регуляция зависит от соотношения инсулин/глюкагон.

1. Изменение количества ферментов.

Ферменты комплекса пальмитатсинтазы и ацетил-КоА-карбоксилаза являются адаптивными ферментами, количество их возрастает при усиленном питании и уменьшается при голодании и потреблении жира. Индуктором биосинтеза этих ферментов является инсулин. И, напротив, количество фермента ТАГ-липазы увеличивается глюкокортикоидами.

2. Ковалентная модификация.

Благодаря инсулину, глюкагону, адреналину, тиреотропному и адренокортикотропному гормонам происходит ковалентная модификация ферментов ацетил-SКоА-карбоксилазы и ТАГ-липазы путем фосфорилирования-дефосфорилирования.

Инсулин активирует протеинфосфатазу и способствует дефосфорилированию и активации ацетил-КоА-карбоксилазы. Одновременно в клетке дефосфорилируется и инактивируется ТАГ-липаза.

Глюкагон, адреналин или другие гормоны, действуя по аденилатциклазному механизму с участием цАМФ-зависимой протеинкиназы, вызывают фосфорилирование и ингибирование ацетил-КоА-карбоксилазы и, следовательно, останавливают липогенез. Одновременно они активируют ТАГ-липазу (рисунок 37).

При уменьшении количества инсулина и возрастании глюкагона усиливаются липолиз в жировой ткани, поступление жирных кислот в печень и другие ткани и реакции их β-окисления. При обратном соотношении гормонов начинаются реакции синтеза жиров.

Метаболическая регуляция, где синтез и окисление жирных кислот зависит от роли 3-х участков (рисунок 38):

1. Активность ацетил-КоА-карбоксилазы регулируется цитратом (аллостерический активатор фермента, накапливается в цитозоле при избыточном количестве энергии), ацил-КоА по принципу обратной отрицательной связи ингибирует фермент, препятствуя синтезу малонил-КоА. Т.е. если ацил-КоА не успевает вступить в этерификацию или усиливается липолиз в клетке или увеличивается поступление жирных кислот извне, то автоматически блокируется синтез новых жирных кислот.

2. Транспорт цитрата из митохондрии в цитозоль подавляется избытком ацил-SКоА, это снижает синтез жирных кислот.

3. Карнитин-ацилтрансфераза ингибируется при образовании малонил-КоА, что останавливает поступление ацил-КоА внутрь митохондрий и снижает β-окисление.

Таким образом, усиление синтеза жирных кислот достигается при поступлении цитрата и при наличии малонил-КоА. После синтеза молекулы ацил-КоА быстро поступают на этерификацию глицерола до ТАГ и не накапливаются в цитозоле.

Если в клетке недостаточно энергии, то необходимо активировать β-окисление жирных кислот. В этом случае гормональные влияния вызывают липолиз (или поступление жирных кислот извне) и накопление ацил-КоА в цитозоле, что автоматически, через уменьшение количества цитрата и малонил-КоА, препятствует синтезу новых жирных кислот. Параллельно убыль малонил-КоА и активация карнитин-ацилтрансферазы запускает β-окисление.

Попавшая в митохондрию жирная кислота неизбежно окисляется до ацетил-SКоА.

При появлении избытка ацетильных групп и накоплении АТФ в митохондриях печени они направляются на синтез кетоновых тел.

4.6 Биосинтез триацилглицеролов и фосфолипидов

Начальные реакции синтеза триацилглицеролов и фосфолипидов совпадают и происходят при наличии глицерола и жирных кислот (главным образом стеариновой, пальмитиновой и олеиновой).

В реакциях биосинтеза можно выделить следующие события:

1. Образование глицерол-3-фосфата из глюкозы через диоксиацетонфосфат или при фосфорилировании свободного глицерола.

2. Биосинтез фосфатидной кислоты – требует наличия глицерол-3-фосфата и жирных кислот. При связывании глицерол-3-фосфата с жирными кислотами синтезируется фосфатидная кислота. Далее фосфатидная кислота может превращаться двумя путями – в ЦДФ-ДАГ или дефосфорилироваться до 1,2-ДАГ.

3. Синтез триацилглицерола – идет из 1,2-ДАГ после дефосфорилирования фосфатидной кислоты. Образованный 1,2-ДАГ ацилируется до ТАГ.

4. Синтез фосфолипидов.

Сейчас рассматриваются два пути синтеза фосфолипидов.

По одному пути 1,2-ДАГ не превращается в ТАГ, а связывается с этаноламином с образованием фосфатидилэтаноламина, либо с холином – образуется фосфатидилхолин. По другому пути, ЦДФ-ДАГ связывается либо с инозитолом, либо с серином с образованием соответственно фосфатидилинозитола или фосфатидилсерина (рисунок 39).

При декарбоксилировании фосфатидилсерина далее образуется фосфатидилэтаноламин, который может превратиться, в свою очередь, в фосфатидилхолин.

Синтезированный любым способом фосфатидилэтаноламин также способен взаимодействовать с серином и обратно образовывать фосфатидилсерин.

Таким образом, каждый из основных фосфолипидов – фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин – способен поступать из разных источников, что благоприятствует поддержанию требуемого баланса.

ЦДФ-ДАГ, являясь активной формой фосфатидной кислоты, способен превращаться не только в указанные, но и в другие фосфолипиды, например, в кардиолипин.

Образование глицерол-3-фосфата

Вначале всего процесса происходит образование глицерол-3-фосфата.

Глицерол в печени фосфорилируется в реакции с использованием АТФ. В мышцах, жировой ткани и других данная реакция отсутствует, поэтому в них глицерол-3-фосфат образуется из диоксиацетонфосфата, метаболита гликолиза (рисунок 40).

Отмечено, что если содержание глюкозы в жировой ткани понижено (например, при голодании), то образуется лишь незначительное количество глицерол-3-фосфата и освободившиеся в ходе липолиза свободные жирные кислоты не могут быть использованы для ресинтеза триглицеридов, поэтому жирные кислоты покидают жировую ткань. Напротив, активация гликолиза в жировой ткани способствует накоплению в ней триглицеридов, а также входящих в их состав жирных кислот. В печени наблюдаются оба пути образования глицерол-3-фосфата.

Синтез фосфатидной кислоты

Жирные кислоты, поступающие из крови при распаде или синтезированные в клетки также должны активироваться. Они превращаются в ацил-SКоА в АТФ-зависимой реакции:

При наличии глицерол-3-фосфата и ацил-SКоА синтезируется фосфатидная кислота (фосфатидат):

Ацилирование глицерол-3-фосфата протекает последовательно, т.е. в 2 этапа. Сначала глицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза катализирует образование лизофосфатидата (1-ацилглицерол-3-фосфата, а затем 1-ацил-глицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза катализирует образование фосфатидата (1,2-диацилглицерол-3-фосфата).

В зависимости от вида жирной кислоты, образующаяся фосфатидная кислота может содержать насыщенные или ненасыщенные жирные кислоты, в некотором роде это определяет ее дальнейшую судьбу:

– если используются насыщенные и мононенасыщенные кислоты (пальмитиновая, стеариновая, пальмитолеиновая, олеиновая), то фосфатидная кислота направляется на синтез ТАГ;

– при включении полиненасыщенных жирных кислот (линоленовая, арахидоновая, кислоты омега-3 ряда) фосфатидная кислота является предшественником фосфолипидов.

Синтез триацилглицеролов

Биосинтез ТАГ заключается в дефосфорилировании фосфатидной кислоты и присоединении ацильной группы.

Фосфатидная кислота гидролизуется фосфатидат-фосфогидролазой до 1,2-диглицерида (1,2-диацилглицерола):

Затем 1,2-диглицерид ацилируется третьей молекулой ацил-КоА и превращается в ТАГ. Эта реакция катализируется диацилглицерол-ацилтрансферазой:

Синтез триглицеридов в тканях происходит с учетом двух путей образования глицерол-3-фосфата. На рисунке 41 представлены глицерофосфатный, дигидроксиацетон-фосфатный и β-моноглицеридный (моноацилглицероловый) пути синтеза триглицеридов.

Установлено, что большинство ферментов, участвующих в биосинтезе ТАГ, находятся в эндоплазматическом ретикулуме, и только некоторые, например глицерол-3-фосфат-ацилтрансфераза, – в митохондриях.

Метаболизм фосфолипидов

Биосинтез ФЛ по сравнению с синтезом ТАГ имеет существенные особенности. Они заключаются в дополнительной активации компонентов ФЛ – фосфатидной кислоты или холина и этаноламина.

1. Активация холина (или этаноламина) происходит через промежуточное образование фосфорилированных производных с последующим присоединением цитидинмонофосфата (ЦМФ).

В следующей реакции активированный холин (или этаноламин) переносится на ДАГ (рисунок 42). Этот путь особенно характерен для легких и кишечника, но идет и в других тканях.

2. Активация фосфатидной кислоты заключается в присоединении к ней ЦМФ с образованием ЦДФ-ДАГ. Далее к нему присоединяется шестиатомный спирт инозитол или серин с образованием фосфатидилинозитола и фосфатидилсерина. Синтезированный фосфатидилсерин подвергается декарбоксилированию с образованием фосфатидилэтаноламина. Последний метилируетсяпри участии S-аденозилметионина в фосфатидилхолин (рисунок 43).

3. Между фосфатидилэтаноламином и серином может происходить обмен с образованием в результате реакции фосфатидилсерина и этаноламина.

В отличие от триглицеридов и жирных кислот ФЛ не являются существенным энергетическим материалом. ФЛ играют важную роль в структуре и функции клеточных мембран, активации мембранных и лизосомальных ферментов, в проведении нервных импульсов, свертывании крови, иммунологических реакциях, процессах клеточной пролиферации и регенерации тканей, в переносе электронов ЭТЦ. Особая роль ФЛ отводится в формировании липопротеидных комплексов.

Биосинтез ФЛ интенсивно происходит в печени, стенке кишечника, семенниках, яичниках, молочной железе и других тканях. Наиболее важные фосфолипиды синтезируются главным образом в эндоплазматической сети клетки. Центральную роль в биосинтезе ФЛ играют 1,2-дигли-цериды (в синтезе фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов), фосфатидная кислота (в синтезе фосфатидилинозитов) и сфингозин (в синтезе сфингомиелинов). Цитидинтрифосфат (ЦТФ) участвует в синтезе практически всех ФЛ.

ФЛ активно распадаются в тканях, но для каждой части молекулы время обновления различно. Например, время обновления фосфатной группы отличается от времени обновления 1-ацильной группы, и обусловлено это наличием ферментов, вызывающих частичный гидролиз фосфолипидов, вслед за которым снова может происходить их синтез (рисунок 44). В настоящее время нет достаточно полных данных о фосфолипазном спектре той или иной ткани. Хорошо известно, что фосфолипаза A₁ атакует эфирную связь фосфолипидов в положении 1.

Фосфолипаза А₂ катализирует гидролиз эфирной связи в положении 2 глицерофосфолипидов, в результате чего образуются свободная жирная кислота и лизофосфолипид (в случае фосфатидилхолина – лизолецитин), который реацилируется ацил-КоА при участии ацилтрансферазы.

Фосфолипаза С атакует эфирную связь в положении 3, что заканчивается образованием 1,2-диглицерида и фосфорильного основания.

Фосфолипаза D катализирует отщепление от фосфолипида азотистого основания. Долгое время считалось, что фосфолипаза D содержится тольков в растительных тканях. В последнее время ее удалось обнаружить в растворимой фракции мозга крысы, а затем в микросомах мозга и других органов, а в самое последнее время – в митохондриях печени крысы. Нет ясности в отношении фосфолипазы В. Возможно, что это смесь ферментов, обладающих свойствами фосфолипаз А₁ и А₂.

Фосфатиды распадаются последовательно на составляющие их структурные единицы – высшие жирные кислоты, фосфорную кислоту, азотистые основания и глицерин гидролитическим путем. Реакции гидролиза, приводящие к разрушению сложноэфирных связей в молекуле фосфатида, ускоряются ферментами фосфолипазами, которые относятся к подклассу эстераз (класс гидролаз).

На первом этапе от диацилглицерофосфохолина отщепляются высшие жирные кислоты. Если отщепляется только один из остатков карбоновых кислот, то образуется лизолецитин (он может вызывать гемолиз эритроцитов и лизис мембранных клеток).

Далее глицерофосфохолин гидролизуется на холин и глицерофосфат под действием фермента глицерофосфохолиндиэстераза:

Далее глицерофосфат гидролизуется до глицерина и фосфорной кислоты.

Образующиеся при расщеплении глицерофосфолипидов жирные кислоты подвергаются процессу дальнейшего окисления (теория β-окисления ВЖК) до СО₂ и Н₂О.

Холин может направляться на синтез ацетилхолина – соединения, которое необходимо для проведения нервного возбуждения.

Холин, имея три метильные группы, может быть источником синтеза других соединений, которым необходимы эти метильные группы. Кроме того, холин может быть снова фосфорилирован и направлен на синтез глицерофосфохолина.

Глицерин может превращаться в 3-фосфоглицериновый альдегид, который окисляется до СО₂ и Н₂О.

Неорганический фосфат идет на синтез различных соединений (например, нуклеозид-3-фосфата), на фосфоролиз липидов или может выводиться из организма.

4.7 Обмен холестерола

Синтез холестерола в организме составляет примерно 0,5–0,8 г/сут, при этом половина образуется в печени, около 15 % в кишечнике, оставшаяся часть в любых клетках, не утративших ядро. Таким образом, все клетки организма способны синтезировать холесерол.

Из пищевых продуктов наиболее богаты холестеролом (в пересчете на 100 г продукта) сметана (0,002 г), сливочное масло (0,03 г), яйца (0,18 г), говяжья печень (0,44 г).

В целом за сутки с обычным рационом поступает около 500-900 мг холестерола, эндогенно образуется 2,5 г.

Выведение холестерола из организма происходит практически только через кишечник (с фекалиями в виде холестерола поступающего из желчи и образованных микрофлорой нейтральных стеролов (до 0,5 г/сут), в виде желчных кислот (до 0,5 г/сут)); около 0,1 г удаляется со слущивающимся эпителием кожи и секретом сальных желез; примерно 0,1 г превращается в стероидные гормоны и после их разрушения выводится с мочой.

Биосинтез холестерола происходит в эндоплазматическом ретикуле. Источником всех атомов углерода в молекуле является ацетил-SКоА, поступающий сюда в составе цитрата. При биосинтезе холестерола затрачивается 18 молекул АТФ и 13 молекул НАДФН.

Биосинтез холестерола насчитывает порядка 100 энзиматических реакций, которые можно сгруппировать в несколько этапов:

I. Синтез мевалоновой кислоты. Первые две реакции синтеза совпадают с реакциями кетогенеза, но после синтеза 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА вступает в действие фермент гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктаза, образующая мевалоновую кислоту:

Гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктазная реакция – первая практически необратимая реакция в цепи биосинтеза холестерола. Она протекает со значительной потерей свободной энергии (около 33,6 кДж). Установлено, что данная реакция лимитирует скорость биосинтеза холестерола.

II. Синтез изопентенилдифосфата.

Реакции II стадии начинаются с фосфорилирования мевалоновой кислоты с помощью АТФ. В результате образуется 5-фосфорный эфир, а затем 5-пирофосфорный эфир мевалоновой кислоты: 5-пирофосфомевалоновая кислота в результате последующего фосфорилирования третичной гидроксильной группы образует нестабильный промежуточный продукт – 3-фосфо-5-пирофосфомевалоновую кислоту, которая, декарбоксилируясь и теряя остаток фосфорной кислоты, превращается в изопентенил-пирофосфат. Последний изомеризуется в диметилаллилпирофосфат:

III. Синтез фарнезилдифосфата.

Затем оба изомерных изопентенилпирофосфата (диметилаллилпирофосфат и изопентенилпирофосфат) конденсируются с высвобождением пирофосфата и образованием геранилпирофосфата:

К геранилпирофосфату вновь присоединяется изопентенилпирофосфат. В результате этой реакции образуется фарнезилпирофосфат:

IV. Синтез сквалена. В данной стадии в результате НАДФН-зависимой восстановительной конденсации двух молекул фарнезилпирофосфата образуется сквален:

V. Синтез ланостерола. Сквален под влиянием скваленоксидоциклазы через стадию элоксидации циклизируется с образованием ланостерола.

VI. Синтез холестерола из ланостерола.

Включает 20 последовательных ферментативных реакций, сопровождающихся удалением трех метильных групп, насыщением двойной связи в боковой цепи и перемещением двойной связи в кольце В из положения 8, 9 в положение 5, 6.

Схема синтеза холестерола из мевалоновой кислоты представлена на рисунке 45

Начиная со сквалена, все промежуточные продукты биосинтеза холестерола (включая и холестерол) нерастворимы в водной среде. Поэтому они участвуют в конечных реакциях биосинтеза холестерола, будучи связанными со стеринпереносящими белками (СПБ). Это обеспечивает их растворимость в цитозоле клетки и протекание соответствующих реакций. Данный факт имеет важное значение и для вхождения холестерола в клеточные мембраны, окисления в желчные кислоты, превращения в стероидные гормоны.

Регуляция синтеза холестерола

Регуляторным ферментом является гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктаза:

1. Метаболическая регуляция – по принципу обратной отрицательной связи фермент ингибируется конечным продуктом реакции – холестеролом.

2. Регуляция транскрипции гена гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктазы – холестерол и желчные кислоты подавляют экспрессию гена и уменьшают количество фермента.

3. Ковалентная модификация при гормональной регуляции: инсулин, активируя протеинфосфатазу, способствует переходу фермента ГМГ-SКоА-редуктазы в активное состояние. Важным следствием такой регуляции является торможение кетогенеза при наличии инсулина. Глюкагон и адреналин посредством аденилатциклазного механизма активируют протеинкиназу А, которая фосфорилирует фермент и переводит его в неактивную форму (рисунок 46).

4.8 Регуляция липидного обмена

Обмен липидов регулируется ЦНС. Кора большого мозга оказывает трофическое влияние на жировую ткань либо через нижележащие отделы ЦНС – симпатическую и парасимпатическую системы, либо через эндокринные железы. В настоящее время установлен ряд биохимических механизмов, лежащих в основе действия гормонов на липидный обмен.

Известно, что длительный отрицательный эмоциональный стресс, сопровождающийся увеличением выброса катехоламинов в кровяное русло, может вызвать заметное похудение. Уместно напомнить, что жировая ткань обильно иннервируется волокнами симпатической нервной системы, возбуждение этих волокон сопровождается выделением норадреналина непосредственно в жировую ткань. Адреналин и норадреналин увеличивают скорость липолиза в жировой ткани; в результате усиливается мобилизация жирных кислот из жировых депо и повышается содержание неэтерифицированных жирных кислот в плазме крови. Как отмечалось, тканевые липазы (триглицеридлипаза) существуют в двух взаимопревращающихся формах, одна из которых фосфорилирована и каталитически активна, а другая – нефосфорилирована и неактивна. Адреналин стимулирует через аденилатциклазу синтез цАМФ. В свою очередь цАМФ активирует соответствующую протеинкиназу, которая способствует фосфорилированию липазы, т.е. образованию ее активной формы. Следует заметить, что действие глюкагона на липолитическую систему сходно с действием катехоламинов.

На липидный обмен оказывает влияние секрет передней доли гипофиза, в частности соматотропный гормон (СТГ). Гипофункция железы приводит к отложению жира в организме, наступает гипофизарное ожирение. Напротив, повышенная продукция СТГ стимулирует липолиз, и содержание жирных кислот в плазме крови увеличивается. Доказано, что стимуляция липолиза СТГ блокируется ингибиторами синтеза мРНК. Кроме того, известно, что действие СТГ на липолиз характеризуется наличием лаг-фазы продолжительностью около 1 ч, тогда как адреналин стимулирует липолиз почти мгновенно. Адреналин стимулирует активность аденилатциклазы, а СТГ индуцирует синтез данного фермента.

Инсулин оказывает противоположное адреналину и глюкагону действие на липолиз и мобилизацию жирных кислот. Фосфодиэстераза играет важную роль в поддержании постоянного уровня цАМФ в тканях, поэтому увеличение содержания инсулина должно повышать активность фосфодиэстеразы, что в свою очередь приводит к уменьшению концентрации цАМФ в клетке, а, следовательно, и к образованию активной формы липазы. На липидный обмен также оказывают влияние и другие гормоны, в частности тироксин, половые гормоны. Например, известно, что удаление половых желез (кастрация) вызывает у животных избыточное отложение жира.

4.9 Нарушения липидного обмена

Нарушения обмена триацилглицеролов

Жировая инфильтрация печени заключается в накоплении в цитозоле и межклеточном пространстве печени ТАГ в виде жировых капель и в функциональной невозможности клеток их удалить. Главной причиной жировой инфильтрации печени является метаболический блок синтеза ЛПОНП. Так как ЛПОНП включают разнородные соединения, то блок может возникнуть на разных уровнях синтеза:

– нарушение секреции липопротеинов в кровь – патологии мембран гепатоцитов при активации перекисного окисления липидов вследствие недостаточности антиоксидантных систем (в первую очередь гиповитаминозы С, А, Е, нехватка цинка и железа);

– часто причиной может быть относительная недостаточность апобелков и фосфолипидов при избытке ТАГ: при избыточном синтезе жирных кислот из глюкозы, при поступлении готовых жирных кислот из крови (немотивированный липолиз в жировой ткани), синтез повышенного количества ХС;

– недостаток апобелков – нехватка белка или незаменимых аминокислот в пище, воздействие токсинов и ингибиторов синтеза белка;

– снижение синтеза фосфолипидов – отсутствие липотропных факторов (витаминов, метионина, полиненасыщенных жирных кислот);

– блок сборки липопротеиновых частиц в ЭПР при воздействии токсинов (например, хлороформ, мышьяк, свинец).

Ожирение – избыточное количество нейтрального жира в подкожной жировой клетчатке.

Выделяют два типа ожирения – первичное и вторичное.

Первичное ожирение является следствием нарушения баланса энергии в результате гиподинамии и переедания. В здоровом организме количество поглощаемой пищи регулируется гормоном адипоцитов лептином. Лептин вырабатывается в ответ на увеличение жировой массы в клетке и, в конечном итоге, снижая в гипоталамусе образование нейропептида Y (который стимулирует поиск пищи), подавляет пищевое поведение. У 80 % лиц с первичным ожирением гипоталамус нечувствителен к лептину, у 20 % имеется дефект структуры лептина.

Вторичное ожирение – возникает при гормональных заболеваниях. К таким заболеваниям относятся, например, гипотиреоз, гиперкортицизм.

Сахарный диабет II типа

Основной причиной сахарного диабета II типа считается генетическая предрасположенность – у родственников больного риск заболеть возрастает на 50 %.

Однако диабет не возникнет, если не будет частого и/или длительного повышения глюкозы в крови, что бывает при несбалансированном питании. При таком питании накопление жира в адипоците является «стремлением» организма предотвратить гипергликемию. При этом неизбежные изменения метаболизма и мембран адипоцитов ведут к нарушению связывания инсулина с рецепторами, развивается инсулинорезистентность.

Нарастающая гипергликемия и компенсаторная гиперсекреция инсулина приводят к усилению липогенеза в печени.

Одновременно фоновый (спонтанный) липолиз в разросшейся жировой ткани вызывает увеличение концентрации насыщенных жирных кислот в крови. Эти кислоты встраиваются в мембраны клеток, что также способствует инсулинорезистентности.

Таким образом, два противоположных процесса – липолиз и липогенез – усиливаются и обусловливают развитие сахарного диабета II типа.

Нарушения обмена холестерола

Атеросклероз – это образование атероматозных бляшек (бляшка состоит вначале из пролиферирующих гладкомышечных клеток и макрофагов, ХС и других липидов, форменных элементов крови, а затем и элементов соединительной ткани с уплотнением бляшки). Она суживает просвет сосуда, чему также способствует усиление выработки тромбоксанов. На бляшке происходит адгезия и агрегация тромбоцитов, развивается тромбоз и осложнения атеросклероза; кроме того, в бляшку откладывается кальций, что приводит к нарушению моторики сосудов. Бляшка нередко разрушается, что опасно развитием эмболии.

Установлено, что атеросклероз и связанные с ним заболевания протекают при значительном повышении содержания в плазме крови фракции ЛПНП, а во многих случаях и фракции ЛПОНП. Исследования последних лет показали, что сами по себе нативные ЛПНП и ЛПОНП атерогенностью не обладают. Атерогенность у этих классов липопротеинов появляется только тогда, когда их частицы подвергнутся химическому изменению и прежде всего перекисному окислению.

При этом сначала в их составе образуются такие продукты перекисного окисления липидов, как диеновые и триеновые конъюгаты, гидроперекиси, малоновый диальдегид и др., а затем уже происходит взаимодействие с белковыми компонентами – аполипопротеинами. Образуются химически измененные липопротеины, которые стали называть перекисно модифици-рованными. Перекисная модификация липопротеинов может в определен-ной степени протекать в кровяном русле, но главным местом их образования является артериальная стенка.

Перекисно-модифицированные ЛПНП, образовавшись в артериальной стенке, быстро и бесконтрольно захватываются здесь макрофагами. Иногда модифицированные изменения липопротеинов заходят настолько глубоко, что липопротеины приобретают аутоантигенные свойства, к ним вырабатываются антитела и в конечном счете образуются аутоиммунные комплексы липопротеины-антитела. Последние также обладают высокой атерогенностью и бесконтрольно з захватываются артериальными макрофагами. Макрофаги, захватившие модифицированные липопротеины или иммунные комплексы (липопротеин-антитело), накапливают в цитоплазме чрезвычайно высокие концентрации этерифицированного и свободного холестерина (в них нет энзимов, которые расщепляли бы холестерин) и трансформируются в так называемые пенистые клетки. Последние в результате цитотоксического действия высоких концентраций холестерина погибают, при их разрушении во внутреннюю оболочку артерий изливается ими же накопленный холестерин. Поэтому пенистая клетка рассматривается как главная «виновница» атеросклеротического процесса на мофологическом уровне.

Последующие события – пролиферация гладких мышечных клеток, синтез ими коллагена и эластина – направлены на изоляцию холестериновых отложений путем образования соединительно-тканной (фиброзной) капсулы (бляшки), которая является основным элементом атеросклеротического поражения артерий.

В отличие от липопротеинов низкой и очень низкой плотности ЛПВП рассматриваются как антиатерогенные. Они осуществляют «обратный» транспорт холестерина – от периферических тканей в печень, где холестерин окисляется в желчные кислоты.

Кроме того, ЛПВП обладают еще одним важным свойством: они задерживают перекисную модификацию липопротеинов низкой и очень низкой плотности. Поэтому чем выше уровень ЛПВП в крови, тем меньше вероятность развития атеросклероза.

Условно выделяют четыре стадии атеросклероза: 1 и 2 стадии распространены широко и при правильном питании являются обратимыми, 3 и 4 стадии уже имеют клиническое значение и необратимы.

Нарушение процессов всасывания жиров

Нарушения липидного обмена возможны уже в процессе переваривания и всасывания жиров. Одна группа расстройств связана с недостаточным поступлением панкреатической липазы в кишечник, вторая обусловлена нарушением поступления в кишечник желчи. Кроме того, нарушения процессов переваривания и всасывания липидов могут быть связаны с заболеваниями пищеварительного тракта (при энтеритах, гиповитаминозах и некоторых других патологических состояниях).

Образовавшиеся в полости кишечника моноглицериды и жирные кислоты не могут нормально всасываться вследствие повреждения эпителиального покрова кишечника. Во всех этих случаях кал содержит много нерасщепленного жира или невсосавшихся высших жирных кислот и имеет характерный серовато-белый цвет.

Нарушение процессов перехода жирных кислот из крови в ткань

При недостаточной активности липопротеинлипазы крови нарушается переход жирных кислот из хиломикронов плазмы крови в жировые депо (не расщепляются триглицериды). Чаще это наследственное заболевание, обусловленное полным отсутствием активности липопротеинлипазы. Плазма крови при этом имеет молочный цвет в результате чрезвычайно высокого содержания хиломикронов. Наиболее эффективным лечением этого заболевания является замена природных жиров, содержащих жирные кислоты с 16–18 углеродными атомами, синтетическими, в состав которых входят короткоцепочечные жирные кислоты с 8–10 углеродными атомами. Эти жирные кислоты способны всасываться из кишечника непосредственно в кровь без предварительного образования хиломикронов.

Кетонемия и кетонурия

В крови здорового человека кетоновые (ацетоновые) тела содержатся в очень небольших концентрациях. Однако при голодании, а также у лиц с тяжелой формой сахарного диабета содержание кетоновых тел в крови может повышаться до 20 ммоль/л. Это состояние носит название кетонемии; оно обычно сопровождается резким увеличением содержания кетоновых тел в моче (кетонурия). Например, если в норме за сутки с мочой выводится около 40 мг кетоновых тел, то при сахарном диабете содержание их в суточной порции мочи может доходить до 50 г и более. В настоящее время явления кетонемии и кетонурии при сахарном диабете или голодании можно объяснить следующим образом. И диабет, и голодание сопровождаются резким сокращением запасов гликогена в печени. Многие ткани и органы, в частности мышечная ткань, находятся в состоянии энергетического голода (при недостатке инсулина глюкоза не может с достаточной скоростью поступать в клетку). В этой ситуации благодаря возбуждению метаболических центров в ЦНС импульсами с хеморецепторов клеток, испытывающих энергетический голод, резко усиливаются липолиз и мобилизация большого количества жирных кислот из жировых депо в печень. В печени происходит интенсивное образование кетоновых тел. Образующиеся в необычно большом количестве кетоновые тела (ацетоуксусная и β-гидроксимасляная кислоты) с током крови транспортируются из печени к периферическим тканям. Периферические ткани при диабете и голодании сохраняют способность использовать кетоновые тела в качестве энергетического материала, однако ввиду необычно высокой концентрации кетоновых тел в притекающей крови мышцы и другие органы не справляются с их окислением и как следствие возникает кетонемия.

Липидозы

Липидозы относятся к болезням лизосомального накопления, обусловленных генетическими дефектами специфических лизосомальных гидролаз.

Болезнь Вольмана – редкое аутосомно-рецессивное заболевание из-за дефекта кислой эстеразы лизосом, что обусловливает накопление эфиров холестерола в лизосомах печени, селезенки, надпочечников, костного мозга и тонкого кишечника. Больные умирают в возрасте до 6 месяцев.

Болезнь Шюллера-Кристиана аутосомно-рецессивное заболевание характеризуется отложением в плоских костях, твердой мозговой оболочке и коже холестерола и его эфиров. Характерными являются деструктивные изменения в костях, остеопороз, мозжечковые расстройства. Заболевание обычно начинается в возрасте до 10 лет, реже позднее. Мужчины болеют в 2 раза чаще, чем женщины. Течение заболевания прогрессирующее.

Болезнь Гоше – отложение цереброзидов в макрофагальных клетках селезенки, печенилимфатических узлов и костного мозга. Возникает в связи с аутосомно-рецессивным отсутствием гликоцереброзидазы. Основными симптомами заболевания являются увеличение печени и селезенки, а также изменения в костях.

При болезни Нимана-Пика наблюдается отложение сфингомиелина в клетках различных органов из-за дефицита сфингомиелиназы. Болезнь наследуется аутосомно-рецессивно, проявляется резким увеличением печени и селезенки, замедлением психического развития, появлением слепоты и глухоты. Чаще всего дети погибают в возрасте до 2 лет.

Амавротическая семейная идиотия (болезнь Тея-Сакса) является результатом отложения ганглиозидов в клетках головного мозга, что сопровождается атрофией зрительных нервов, слепотой, слабоумием и смертью в младенческом возрасте.

---