Глава 11 метаболизм липидов

РОЛЬ ЛИПИДОВ В ПИТАНИИ

Липиды являются обязательной составной частью сбалансированного пи­щевого рациона человека. В среднем в организм взрослого человека с пищей ежесуточно поступает 60—80 г жиров животного и растительного происхождения. В пожилом возрасте, а также при малой физической нагрузке потребность в жирах снижается, в условиях холодного климата и при тяжелой физической работе — увеличивается.

Значение жиров как пищевого продукта весьма многообразно. Жиры в питании человека прежде всего имеют важное энергетическое значение. Энергетическая ценность жиров выше, чем белков и углеводов. Известно, что при окислении 1 г жиров организм получает 38,9 кДж (9,3 ккал), тогда как при окислении 1 г белков или углеводов—17,2 кДж (4,1 ккал). Кроме того, жиры являются растворителями витаминов A, D, Е и К, в связи с чем обеспеченность организма этими витаминами в значительной степени зависит от поступления жиров в составе пищи. С жирами в организм вводятся и некоторые полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая), которые относят к категории незаменимых (эссенциальных) жирных кислот, так как ткани человека и ряда животных потеряли способность синтезировать их. Эти кислоты условно объединены в группу под названием «витамин F».

Известно также, что жир обеспечивает вкусовые качества пищи; кроме того, он необходим для ее приготовления и хранения. Все это привело к тому, что потребление жира в высокоразвитых странах столь велико, что за его счет покрывается более 35%, а во многих странах более 40% энерготрат организма. Это в свою очередь очень часто ведет к тому, что прием обогащенной жирами пищи перекрывает физиологические потреб­ности организма в энергии. Отсюда такие неблагоприятные явления, как ожирение значительной части населения. Поэтому знание метаболизма липидов нормального организма необходимо и для понимания причин многих болезней. Известно, что нарушения метаболизма липидов возни­кают, например, как при избыточном, так и при недостаточном приеме жиров, дефиците тех или иных ферментов, при дисбалансе гормонов и т.д.

ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ ЛИПИДОВ

Расщепление трнглнцервдов в пищеварительном тракте. Слюна не содержит

расщепляющих жиры ферментов. Следовательно, в полости рта жиры не подвергаются никаким изменениям. У взрослых людей жиры проходят через желудок также без особых изменений. В желудочном соке содержится липаза, получившая название желудочной, однако роль ее в гидролизе

363

пищевых триглицеридов у взрослых людей невелика. Во-первых, в же­лудочном соке взрослого человеа и других млекопитающих содержание липазы крайне низкое. Во-вторых, рн желудочного сока далек от оптимума действия этого фермента (оптимальное значение рн для желудочной липазы 5,5-7,5). Напомним, что значение рн желудочного сока около 1,5. В-третьих, в желудке отсутствуют условия для эмульгирования тригли­церидов, а липаза может активно действовать только на триглицериды, находящиеся в форме эмульсии. Поэтому у взрослых неэмульгированные триглицериды, составляющие основную массу пищевого жира, проходят через желудок без особых изменений. Вместе с тем расщепление три­глицеридов в желудке играет важную роль в пищеварении у детей, особенно грудного возраста. Слизистая оболочка кория языка и примыкающей к нему области глотки ребенка грудного возраста секретирует собственную липазу в ответ на сосательные и глотательные движения (при кормлении грудью). Эта липаза получила название лингвальной. Активность линг-вальной липазы не успевает «проявиться» в полости рта, и основным местом ее воздействия является желудок. Оптимум рн лингвальной липазы в пределах 4,0^4,5; он близок к величине рн желудочного сока у таких детей. Лингвальная липаза наиболее активно действует на триглицериды, содержащие жирные кислоты с короткой и средней длиной цепи, что характерно для триглицеридов молока. Иными словами, жир молока -самый подходящий субстрат для этого энзима. У взрослых активность лингвальной липазы крайне низкая.

Расщепление триглицеридов в желудке взрослого человека невелико, но оно в определенной степени облегчает последующее переваривание их в кишечнике. Даже незначительное по объему расщепление триглицеридов в желудке приводит к появлению свободных жирных кислот, которые, не подвергаясь всасыванию в желудке, поступают в кишечник и способствуют там эмульгированию жиров, облегчая таким образом воздействие на них липазы панкреатического сока.

После того как химус попадает в двенадцатиперстную кишку, прежде всего происходит нейтрализация попавшей в кишечник с пищей соляной кислоты желудочного сока бикарбонатами, содержащимися в панкреати­ческом и кишечном соках. Выделяющиеся при разложении бикарбонатов пузырьки углекислого газа способствуют хорошему перемешиванию пи­щевой кашицы с пищеварительными соками. Одновременно начинается эмульгирование жира. Наиболее мощное эмульгирующее действие на жиры оказывают соли желчных кислот, попадающие в двенадцатиперстную кишку с желчью в виде натриевых солей. Большая часть желчных кислот конъюгирована с глицином или таурниом. По химической природе желчные кислоты являются производными холановой кислоты:

Н-СН₂-СНп-СООН

Желчные кислоты представляют собой основной конечный продукт метаболизма холестерина.

В желчи человека в основном содержатся холевая (3,7,12-триоксихола-новая), дезоксихолевая (3,12-диоксихолановая) и хенодезоксихолевая (3,7-диоксихолановая) кислоты (все гидроксильные группы имеют а-конфи-гурацию и поэтому обозначены пунктирной линией):

С сн-сн_э-сн₂-соон

■Нз,

Кроме того, в желчи человека в малых количествах содержатся лито-холевая (За-оксихолановая) кислота, а также аллохолевая и уреодезокси-холевая кислоты-стереоизомеры холевой и хенодезоксихолевой кислот.

Как отмечалось, желчные кислоты присутствуют в желчи в конъюги-рованиой форме, т.е. в виде гликохолевой, гликодезоксихолевой, гли-кохенодезоксихолевой (около ²Д - "А ^всех желчных кислот) или таурохо-левой, тауродезоксихолевой и таурохенодезоксихолевой (около'А —'А ^всех желчных кислот) кислот. Эти соединения иногда называют парными желч­ными кислотами, так как они состоят из двух компонентов-желчной кислоты и глицина или таурина. Соотношения между конъюгатами обоих видов могут меняться в зависимости от характера пищи: в случае преобла­дания в ней углеводов увеличивается относительное содержание глицино­вых конъюгатов, а при высокобелковой диете - тауриновых конъюгатов. Строение парных желчных кислот может быть представлено в следующем виде:

с_Эз^нзб(ОН)₃ — с-мн-оьь ооич с₂₃н_э6(ОН)₃ — с—Mi -';> ,-пн, -ъо и

Считают, что только комбинация соль желчной кислоты + ненасыщен­ная жирная кислота + моноглицерид придает необходимую степень эмуль­гирования жира. Соли желчных кислот резко уменьшают поверхностное натяжение на поверхности раздела жир/вода, благодаря чему они не только облегчают эмульгирование, но и стабилизируют уже образовавшуюся эмульсию.

365

Известно, что основная масса пищевых глицеридов подвергается рас­щеплению в верхних отделах тонкой кишки при действии липазы панкреа­тического сока. Этот фермент был впервые обнаружен известным фран­цузским физиологом С. Bernard в середине прошлого века.

Панкреатическая липаза (КФ 3.1.1.3) является гликопротеидом, имею­щим мол. массу 48000 (у человека) и оптимум рн 8-9. Данный фермент расщепляет триглицериды, находящиеся в эмульгированном состоянии (действие фермента на растворенные субстраты значительно слабее). Как и другие пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин, химотрипсин), панкреатическая липаза поступает в верхний отдел тонкой кишки в виде неактивной пролипазы.

Превращение пролипазы в активную липазу происходит при участии желчных кислот и еще одного белка панкреатического сока-колипазы (мол. масса 10000). Последняя присоединяется к пролипазе в молекулярном соотношении 2:1. Это приводит к тому, что липаза становится активной и устойчивой к действию трипсина.

Установлено, что основными продуктами расщепления триглицеридов при действии панкреатической липазы являются Р(2)-моноглицерид и жир­ные кислоты. Фермент катализирует гидролиз эфирных связей в а(1), а'(3)-положениях, в результате чего и образуются Р(2)-моноглицерид и две частицы (молекулы) жирной кислоты. На скорость катализируемого липа­зой гидролиза триглицеридов не оказывает существенного влияния ни степень ненасыщениости жирных кислот, ни длина ее цепи (от С₁₂ до С₁₈).

Гидролиз триглицеридов при участии панкреатической липазы можно изобразить в виде следующей схемы:

О СНрС —R] Н_гО

В панкреатическом соке наряду с липазой содержится моноглицеридная изомераза—фермент, катализирующий внутримолекулярный перенос ацила из [3(2)-положения моноглицерида в а(1)-положение. В процессе перева­ривания пищевых жиров при участии этого фермента примерно треть [3-моноглицерида превращается в а-моноглицерид. Поскольку эфирная связь в а-положении чувствительна к действию панкреатической липазы, последняя расщепляет большую часть а-моноглицеридов до конечных продуктов —глицерина и жирной кислоты. Меньшая часть а-моноглице­ридов успевает всосаться в стенку тонкой кишки, минуя воздействие липазы.

Всасывание трнглнцервдов н продуктов нх расщепления. Всасывание происходит в проксимальной части тонкой кишки. Тонкоэмульгированные жиры (величина жировых капель эмульсии не должна превышать 0,5 мкм) частично могут всасываться через стенки кишечника без предварительного гидролиза. Основная часть жира всасывается лишь после расщепления его панкреатической липазой на жирные кислоты, моноглицериды и глицерин. Жирные кислоты с короткой углеродной цепью (менее 10 атомов углерода) и глицерин, будучи хорошо растворимыми в воде, свободно всасываются в кишечнике и поступают в кровь воротной вены, оттуда в печень, минуя какие-либо превращения в кишечной стенке.

Более сложно происходит всасывание жирных кислот с длинной угле­родной цепью и моноглицеридов. Этот процесс осуществляется при участии желчи и главным образом желчных кислот, входящих в ее состав. В желчи соли желчных кислот, фосфолипиды и холестерин содержатся в соотно­шении 12,5:2,5:1,0. Жирные кислоты с длинной цепью и моноглицериды в просвете кишечника образуют с этими соединениями устойчивые в водной среде мицеллы. Структура мицелл такова, что их гидрофобное ядро (жирные кислоты, моноглицериды и др.) оказывается окруженным снаружи гидрофильной оболочкой из желчных кислот и фосфолипидов. Мицеллы примерно в 100 раз меньше самых мелких эмульгированных жировых капель. В составе мицелл высшие жирные кислоты и моноглицериды переносятся от места гидролиза жиров к всасывающей поверхности ки­шечного эпителия. Относительно механизма всасывания жировых мицелл единого мнения нет. Одни исследователи считают, что в результате так называемой мицеллярной диффузии, а возможно, и пиноцитоза мицеллы целиком проникают в эпителиальные клетки ворсинок, где происходит распад жировых мицелл. При этом желчные кислоты сразу поступают в ток крови и через систему воротной вены попадают сначала в печень, а оттуда вновь в желчь. Другие исследователи допускают возможность перехода в клетки ворсинок только липидного компонента жировых мицелл. Соли желчных кислот, выполнив свою физиологическую роль, остаются в про­свете кишечника; позже основная масса их всасывается в кровь (в под­вздошной кишке), попадает в печень и затем выделяется с желчью. Таким образом, все исследователи признают, что происходит постоянная цирку­ляция желчных кислот между печенью и кишечником. Этот процесс получил название печеночно-кишечной (гепатоэнтеральной) циркуляции.

С помощью метода меченых атомов было показано, что в желчи содержится лишь небольшая часть желчных кислот (10—15% от общего количества), вновь синтезированных печенью. Таким образом, основная масса желчных кислот (85—90%) — это желчные кислоты, реабсорбирован-ные в кишечнике и повторно секретируемые в составе желчи. Установлено, что у человека общий пул желчных кислот составляет примерно 2,8—3,5 г, при этом они совершают 6—8 оборотов в сутки.

367

Расщепление н всасывание фосфолнпндов н холестерина. Подавляющая часть фосфолипидов содержимого тонкой кишки приходится на фосфати-дилхолин (лецитин), основная масса которого поступает в кишечник с желчью (11 — 12 г/сут) и меньшая часть (1—2 г/сут) —с пищей.

Существует две точки зрения относительно судьбы поступивших в тон­кую кишку экзогенных и эндогенных фосфолипидов. Согласно одной из них, и те, и другие фосфолипиды подвергаются в кишечнике атаке со стороны фосфолипазы А₂, катализирующей гидролиз сложноэфирной связи в [3-положении. В результате катализируемой фосфолипазой \ реакции глицеро фосфолипиды расщепляются с образованием лизофосфолипида и жирной кислоты. Лизофосфолипид может подвергаться расщеплению при действии другого фермента панкреатического сока—лизофосфолипазы. В результате из лизолецитина освобождается последняя частица жирной кислоты и образуется глицерофосфохолин, который хорошо растворяется в водной среде и всасывается из кишечника в кровь.

Сторонники другой точки зрения считают, что фосфолипиды «желч­ного» (более точно печеночного) происхождения в отличие от пище­вых фосфолипидов не подвергаются воздействию фосфолипазы А₂. Сле­довательно, функция «желчных» фосфолипидов исключительно связана с гепатоэнтеральной циркуляцией желчи: с желчью они поступают в кишечник, с желчными кислотами участвуют в мицеллярной солюбили-зации липидов и вместе с ними возвращаются в печень. Таким обра­зом, существует как бы два пула фосфолипидов в кишечнике: «желч­ный», защищенный от действия фосфолипазы А₂, и «пищевой», подвер­женный ее действию. Пока трудно объяснить причину существования двух пулов фосфолипидов и их различное отношение к действию фосфоли­пазы А-_А.

В зависимости от пищи организм взрослого человека получает ежеднев­но 300—500 мг холестерина, содержащегося в пищевых продуктах частично в свободном (неэстерицифицированном) виде, частично в виде эфиров с жирными кислотами. Эфиры холестерина расщепляются на холестерин и жирные кислоты особым ферментом панкреатического и кишечного соков — гидролазой эфиров холестерина, или холестеролэстеразой (КФ 3.1.1.13). В тонкой кишке происходит всасывание холестерина, источником которого являются:

• холестерин пищи (0,3—0,5 г/сут; у вегетарианцев значительно меньше);

• холестерин желчи (ежедневно с желчью выделяется 1—2 г эндогенного неэстерифицированного холестерина);

• холестерин, содержащийся в слущенном эпителии пищеварительного тракта и в кишечных соках (до 0,5 г/сут).

В общей сложности в кишечник поступает 1,8—2,5 г эндогенного и экзо­генного холестерина. Из этого количества около 0,5 г холестерина вы­деляется с фекалиями в виде восстановленного продукта— копростерина и очень небольшая часть в виде окисленных продуктов—холестенона и др. И восстановление, и окисление холестерина происходят в толстой кишке под воздействием ферментов микробной флоры. Основная часть холесте­рина в неэстерифицированной форме подвергается всасыванию в тонкой кишке в составе смешанных жировых мицелл, состоящих из желчных кислот, жирных кислот, моноглицеридов, фосфолипидов и лизофосфо-липидов.

Ресннтез лнпвдов в кншечнон стенке. Трнглнцернды. По современным представлениям, ресинтез триглицеридов происходит в эпителиальных

368

клетках (энтероцитах слизистой оболочки ворсинок тонкой кишки) двумя путями. Первый путь— [3-моноглицеридный. Долгое время этот путь счи­тался единственным. Суть его состоит в том, что [3-моноглицериды и жир­ные кислоты, проникающие в процессе всасывания в эпителиальные клетки кишечной стенки, задерживаются в гладком эндоплазматическом рети-кулуме клеток. Здесь из жирных кислот образуется их активная форма — ацил-КоА и затем происходит ацилирование [3-моноглицеридов с обра­зованием сначала диглицеридов, а затем триглицеридов:

[З-Моноглицерид + R—CO—S-KoA-> Диглицерид + HS-KoA ; Диглицерид + R₁—CO—S-KoA -> Триглицерид + HS-KoA .

Все реакции катализируются ферментным комплексом — триглицерид -синтетазой, включающим в себя ацил-КоА-синтетазу, моноглицеридацил-трансферазу и диглицеридацилтрансферазу.

Второй путь ресинтеза триглицеридов протекает в шероховатом эндо­плазматическом ретикулуме эпителиальных клеток и включает следующие реакции:

1. образование активной формы жирной кислоты —ацил-КоА при учас­ тии ацил-КоА-синтетазы;

2. образование а-глицерофосфата при участии глицеролкиназы;

3. превращение а-глицерофосфата в фосфатидную кислоту при участии глицерофосфат-ацилтрансфе разы;

4. превращение фосфатидной кислоты в диглицерид при участии фос- фатидат-фосфогидролазы;

5. ацилирование диглицерида с образованием триглицерида при участии диглицеридацилтрансферазы.

Как видно, первая и последняя реакции повторяют аналогичные реакции [3-моноглицеридного пути. Установлено, что а-глицерофосфатный путь ресинтеза жиров (триглицеридов) приобретает значение, если в эпите­лиальные клетки слизистой оболочки тонкой кишки поступили преиму­щественно жирные кислоты. В случае, если в стенку кишки поступили жирные кислоты вместе с [3-моноглицеридами, запускается [3-моногли-церидный путь. Как правило, наличие в эпителиальных клетках избытка [3-моноглицеридов тормозит протекание а-глицерофосфатного пути.

Ресннтез фосфолншщов в кишечной стенке. В энтероцитах наряду с ре-синтезом триглицеридов происходит также и ресинтез фосфолипидов. В образовании фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов участвует ресинтезированный диглицерид, а в образовании фосфатидилинозитолов — ресинтезированная фосфатидная кислота. Участие этих субстратов в обра­зовании фосфолипидов в стенке кишечника происходит по тем же зако­номерностям, что и в других тканях (см. с. 396, 397).

Необходимо подчеркнуть, что в стенке кишечника синтезируются жиры, в значительной степени специфичные для данного вида животного и отли­чающиеся по своему строению от пищевого жира. В известной мере это обеспечивается тем, что в синтезе триглицеридов (а также фосфолипидов) в кишечной стенке принимают участие наряду с экзогенными и эндогенные жирные кислоты. Однако способность к осуществлению в стенке кишечника синтеза жира, специфичного для данного вида животного, все же огра­ничена. Показано, что при скармливании животному (например, собаке), особенно предварительно голодавшему, больших количеств чужеродного

369

жира (например, льняного масла или верблюжьего жира) часть его обна­руживается в жировых тканях животного в неизмененном виде. Жировая ткань скорее всего является единственной тканью, где могут откладываться чужеродные жиры. Липиды, входящие в состав протоплазмы клеток других органов и тканей, отличаются высокой специфичностью, их состав и свойст­ва мало зависят от пищевых жиров.

Образование хиломнкронов н транспорт лнпидов. Ресинтезированные в эпителиальных клетках кишечника триглицериды и фосфолипиды, а также поступивший в эти клетки из полости кишечника холестерин (здесь он может частично эстерифицироваться) соединяются с небольшим коли­чеством белка и образуют относительно стабильные комплексные час­тицы— хиломикроны (ХМ). Последние содержат около 2% белка, 7% фосфолипидов, 8% холестерина и его эфиров и более 80% триглицеридов. Диаметр ХМ колеблется от 0,1 до 5 мкм. Благодаря большим размерам частиц ХМ не способны проникать из эндотелиальных клеток кишечника в кровеносные капилляры и диффундируют в лимфатическую систему кишечника, а из нее —в грудной лимфатический проток. Затем из грудного лимфатического протока ХМ попадают в кровяное русло, т.е. с их помощью осуществляется транспорт экзогенных триглицеридов, холесте­рина и частично фосфолипидов из кишечника через лимфатическую систему в кровь. Уже через 1—2 ч после приема пищи, содержащей жиры, наблю­дается алиментарная гиперлипемия. Это физиологическое явление, харак­теризующееся в первую очередь повышением концентрации триглицеридов в крови и появлением в ней ХМ. Пик алиментарной гиперлипемии наблю­дается через 4—6 ч после приема жирной пищи. Обычно через 10—12 ч после приема пищи содержание триглицеридов возвращается к нормальным величинам, а ХМ полностью исчезают из кровяного русла.

Известно, что печень и жировая ткань играют наиболее существенную роль в дальнейшей судьбе ХМ. Последние свободно диффундируют из плазмы крови в межклеточные пространства печени (синусоиды). Допуска­ется, что гидролиз триглицеридов ХМ происходит как внутри печеночных клеток, так и на поверхности. ХМ не способны (из-за своих размеров) проникать в клетки жировой ткани. В связи с этим триглицериды ХМ подвергаются гидролизу на поверхности эндотелия капилляров жировой ткани при участии фермента липопротеидлипазы.

ЖИРОВАЯ ТКАНЬ И ЕЕ УЧАСТИЕ В ОБМЕНЕ ЛИПИДОВ

Общее количество жировой ткани у взрослого мужчины со средней массой тела равно примерно 20 кг, а у тучных людей —на десятки килограммов больше. Жировая ткань, состоящая в основном из жировых клеток, или адипоцитов, распространена по всему организму: под кожей, в брюшной полости, образует жировые прослойки вокруг отдельных органов. Около 65% от массы жировой ткани приходится на долю отложенных в ней триглицеридов, что составляет приблизительно 95% от всех триглицеридов ^"^анизма.

в к тка

глюкоз

Известно, что главным источником жирных кислот, используемых качестве «топлива», служит резервный жир, содержащийся в жировой кани. Принято считать, что триглицериды жировых депо выполняют обмене липидов такую же роль, как гликоген в печени в обмене углеводов, высшие жирные кислоты по своей энергетической роли напоминают юкозу, которая образуется в процессе фосфоролиза гликогена. При

физической работе и других состояниях организма, требующих повы­шенных энергозатрат, потребление триглицеридов жировой ткани как энергетического резерва увеличивается.

Липолиз триглицеридов в жировой ткани *. В качестве источника энергии могут использоваться только свободные, т.е. неэстерифицированные, 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 (мобилизация высших жирных кислот), после чего они используются тканями и органами тела в качестве энергетического материала.

В жировой ткани содержится несколько липаз, из которых наибольшее значение имеют триглицеридлипаза (так называемая гормоночувствитель-ная 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 со взаимодействия гормона с клеточным рецептором, в результате чего модифицируется структура рецептора (сам гормон в клетку не поступает) и такой рецептор активирует аденилатциклазу (КФ 4.6.1.1). Последняя, как известно, ка­тализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из аденозинтрифосфата (АТФ):

Аденилатциклаза ₊

АТФ — - -^ цАМФ + РР, + Н .

Образовавшийся цАМФ активирует фермент протеинкиназу (КФ 2.7.1.37), который путем фосфорилирования неактивной триглицеридлипазы пре­вращает ее в активную форму (рис. 11.1). Активная триглицеридлипаза расщепляет триглицерид на диглицерид и жирную кислоту. Затем при действии ди- и моноглицеридлипаз образуются конечные продукты липо-лиза —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 (табл. 11.1).

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 [3-окислению, либо частично используются для синтеза триглицеридов, глицерофосфолипидов, сфингофосфолипидов и других соединений, а также на эстерификацию холестерина.

* В жировых клетках (адипоцитах), помимо активного липолиза триглицеридов, про­текают и такие метаболические процессы, как гликолиз, окисление глюкозы через пенто-зофосфатный путь, цикл трикарбоновых кислот, р-окисление жирных кислот, синтез жирных кислот, реэстерификация последних (образование триглицеридов) и мобилизация (высво­бождение) жирных кислот.

371

тг дг + жк мг!жк

ГЛ +ЖК Рис. 11.1. Липолитический каскад (по Стайнбергу).

ТГ- триглицериды, ДГ-диглицериды, МГ- моноглицериды, ГЛ- глицерин, ЖК - жирные

Таблица 11.1. Влияние некоторых факторов на липолш григлицеридов в жировой ткани [Климов А.Н., Никульчева Н.Г., 1995]

Фактор	Характер действия	Предполагаемый механизм действия
Катехоламины	Усиление	Активация аденилатциклазы
Глюкагон	»	» >>
Тироксин	..
Гл юкокортикоиды		Активация синтеза протеинкиназы
Гормон роста	■■	Активация синтеза аденилатциклазы
АКТГ		» >> >>
Стресс	..	Повышение секреции катехоламинов
		и снижение секреции инсулина
Физическая нагрузка		То же
Голодание	..	.. ..
Охлаждение	■■
Инсулин	Угнетение	Активация фосфодиэстеразы (усиле-
		ние гидролиза цАМФ), снижение
		активности аденилатциклазы
Простагландины	»	Снижение активности аденилатцик-
		лазы
Никотиновая кислота		Тоже

ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Установлено, что окисление жирных кислот протекает в печени, почках, скелетных и сердечной мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани скорость окисления жирных кислот весьма незначительна; основным ис­точником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.

В 1904 г. Ф. Кнооп (F. Кпоор) выдвинул гипотезу |3-окисления жирных кислот на основании опытов по скармливанию собакам различных жирных кислот, в которых один атом водорода в концевой метильной группе (со-углеродного атома) был замещен радикалом (С₆Н₅—).

Ф. Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в |3-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 [3-окисления масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидроли-зуется до двух молекул уксусной кислоты. Теория |3-окисления жирных кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила ос­новой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Доставка жирных кислот к месту их окисления—к митохондриям — происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транс­порт жирной кислоты в клетку; при участии специальных белков (fatty acid binding proteins, FABP)—транспорт в пределах цитозоля; при участии карнитина—транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.

Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих ос­новных этапов.

Активация жирных кислот. Свободная жирная кислота независимо от длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окисле­нию, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима A (HS-KoA) и ионов Mg". Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-синтетазой:

R—СООН + HS-KoA + АТФ - > R—CO—S-KoA +

Жирная кислота Ацил-КоА-синтетаза

+ АМФ + РР.

В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты.

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-КоА и АМФ.

Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. 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

373

с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидро-ксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:

R-CO-S-KoA ⁺ (CH₃)₃N-CH₃-CH (OH|-CH₂—COOH

Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы. Уже на той стороне мембраны, которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в кар-нитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами, после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий проис­ходит обратная ре акция-расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:

gN—СН_Э-СН-СН₂-СООН + HS-KoA

Q— I," К

'-' •*" R-CO-S-KoA + (СНз)-^-СН_э— СН(ОН|-СН_Э-СООН

Бнутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последо­вательных энзиматических реакций.

Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в а- и р-положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-де-гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью между С-2 и С-3:

Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каж­дая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи.

Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется Р-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):

Р « r-ch₂-c;h--=o. -cc-s-HoA + Н_гО - . ^zr^r

R-СНэ— GH _VO Jv-cj

Заметим, что гидратация еноил-КоА стереоспецифична, подобно гид­ратации фумарата и аконитата (см. с. 348). В результате гидратации транс-Д'-двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся Р-оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАд⁺-зависимые дегидрогеназы:

R~CH₂~" 1'П'--,-С'1_:-' J--5 КоА - НАД⁺

+■ н⁺

3-Оксоэцил-КоД

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

R-CH₂-CO -CHj-CG—S- КоА + HS-KoA ~^z

_: R-ChL-CO-S-KoA + CH_a-CO-S-KoA

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикар-боновых кислот, а ацил-КоА, укоротнвцшйся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь Р-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисля­ется до 2 молекул ацетил-КоА (рис. 11.2). Например, при окислении пальмитиновой кислоты (С₁₆) повторяется 7 циклов Р-окисления. Запом­ним, что при окислении жирной кислоты, содержащей п углеродных

375

Линена»). Подробно представле] жирной кислоты на два углеродны ? (по АН. Климову и Н.Г. Никульче

1-ацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.3.99.3); 2-еноил-КоА-гидратазэ

ксиа цил-КоА-дегидр оген аз а (КФ 11135), 4-тиапаза (КФ 2 319)

(КФ4.2.1.17.); 3- р-щцро-

атомов, происходит л/2—1 цикл р-окисления (т.е. на один цикл меньше, чем л/2, так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование 2 молекул ацетил-КоА) и всего получится л/2 молекул ацетил-КоА. Сле­довательно, суммарное уравнение р-окисления активированной кислоты можно записать так:

Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД⁺ + 7Н_ЭО + 7HS-KoA -> ->8Ацетил-КоА+ 7ФАДН_г + 7НАДН + 7Н⁺.

Баланс энергии. При каждом цикле р-окисления образуются одна молекула ФАДН, и одна молекула НАДН. Последние в процессе окисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН_г-2 молекулы АТФ и НАДН-3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты образуется 5 х 7 = 35 молекул АТФ. В процессе р-окисления пальмити­новой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых, «сгорая» в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул ацетил-КоА дадут 12 х 8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном р-окислениипальмитиновой кислоты образуется 35 + 96 = 131 молекула АТФ. С учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на образование активной формы пальми­тиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кисло ты в условиях животного организма составит 131-1 = 130 молекул АТФ. Изменение свободной энергии AF при полном сгорании 1 моля пальмитиновой

376

кислоты составляет 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ характеризуется величиной 7,6 ккал/моль. Нетрудно подсчитать, что при­мерно 990 ккал (7,6 х 130), или 42% от всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме, используется для ресннтеза 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 ненасыщенных жирных кислот

Окисление ненасыщенных жирных кислот в принципе происходит так же, как и окисление насыщенных жирных кислот, но с некоторыми особен­ностями. Двойные связи природных ненасыщенных жирных кислот (олеи­новой, лннолевой и т.д.) имеют цис-конфигурацию, а в КоА-эфирах ненасыщенных кислот, являющихся промежуточными продуктами при Р-окислении насыщенных жирных кислот, двойные связи имеют транс-конфигурацию. Кроме того, последовательное удаление двууглеродных фрагментов при окислении ненасыщенных жирных кислот до первой двой­ной связи дает Д^!4-ацил-КоА, а не Д^{г !}-ацил-КоА, который является промежуточным продуктом при р-окисленни ненасыщенных жирных кис­лот:

н н н

R-CH₂-C=C—CH2-C0-S-H0A R-CH₂-CHn-C=C-CO-S-HoA

В тканях существует фермент, который осуществляет перемещение двойной связи из положения 3-4 в положение 2-3, а также изменяет конфигурацию двойной связи из цис- в т^онс-положение. Этот фермент получил название Д⁵⁴-цис -> Д^г!-/к^онс-еноил-КоА-изомеразы. На рис. 11.3 представлен путь р-окисления олеиновой кислоты, иллюстрирующий назначение данного фермента *.

Окисление жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов

Как отмечалось, основная масса природных липидов содержит жирные кислоты с четным числом углеродных атомов. Однако в липидах многих растений и некоторых морских организмов присутствуют жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода. Кроме того, у жвачных животных при переваривании углеводов в рубце образуется большое количество про-пионовой кислоты, которая содержит три углеродных атома. Пропионат всасывается в кровь и окисляется в печени и других тканях. Установлено, что жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов окисляются

еще один дополнительный фермент- 3-гидроксиацил-КоА-эпимераза.

377

СН₃-(СНг)7-^с — <"-(CH₂)7-COOH + АТФ -Олеиновая кислота

СН₃-(СН_г)₇-С -C-(CH₂)7-CO-S-KoA + АМФ + РР, Олеиноил-КоА

ЗСНэ-CO-S-KoA + СН_Э-(СН₂)₇-^С —C-CH₂-CO-S-KoA

1 Д^зч-ц^с-Д²³-трзнс-Еноил-КоА-

СН₃-(СН₂)₇-СН₂-С —C-CO-S-KoA

нс-Еноил-КоА ! |3-Оки<

6CH₃-CO-S-KoA

Рис. 11.3. Этапы р-окисле-

Ацетил-КоА НИЯ ОЛеИНОВОЙ КИСЛОТЫ.

таким же образом, как и жирные кислоты с четным числом углеродных атомов, с той лишь разницей, что на последнем этапе расщепления (Р-окисления) образуется одна молекула пропионил-КоА и одна молекула ацетил-КоА, а не 2 молекулы ацетил-КоА.

Активированный трехуглеродный фрагмент-пропионил-КоА-включа-ется в цикл трикарбоновых кислот после превращения в сукцинил-КоА.

'у Т Т У* Т°~

CH₃-CH_a-C-S - НоА _п опио иТкоА^боксй^лаза * ^н-°-^СН3

ГОО"

с-с-н

МЕТАБОЛИЗМ КЕТОНОВЫХ ТЕЛ

Под термином «кетоновые (ацетоновые) тела» подразумевают ацетоук-сусную кислоту (ацетоацетат) СН₅СОСН,СООН, р-оксимасляную кислоту (Р-оксибутират, или D-3-гидроксибутират) СН₅СНОНСН,СООН и ацетон СН₅СОСН₅.

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.

Кетоновые тела образуются в печени. Прежние представления о том, что кетоновые тела являются промежуточными продуктами р-окисления жир­ных кислот, оказались ошибочными

Во-первых, в обычных условиях промежуточными продуктами р-окис­ления жирных кислот являются КоА-эфиры этих кислот, например р-окси-бутирил-КоА, ацетоацетил-КоА

Во-вторых, р-оксибутирил-КоА, образующийся в печени при р-окисле-нии жирных кислот, имеет L-конфигурацию, в то время как р-оксибутират, обнаруживаемый в крови, представляет собой D-изомер. Именно р-окси­бутират D-конфигурации образуется в ходе метаболического пути синтеза Р-окси-р-метилглутарил-КоА (3-гидрокси-З-метилглутарил-КоА):

[2СН₃СО— S-HoAj

Ацетил-КоА

0epa33(3-Ke-"k>HS-KoA

CH₃-CO-CH₂-CO-S-KoA ^.CH^CO-S-KoA

»-HS-KoA

OH

HOOC—СН_Э-С-СН₂-СО—S-KoA CH₃

( З-гидрокси-3-мегилглугари. роксимэгилглу-!

CH₃-CO-S-KoA СНз-СО-СН₂-СибН' СН₃-С0-СН₃

- НАДН + Н⁺

- НАД⁺ СН₃-СНОН-СН_г-СООН

На первом этапе из 2 молекул ацетил-КоА образуется ацетоацетил-КоА. Реакция катализируется ферментом ацетил-КоА-ацетилтрансферазой (3-ке-тотиолазой). Затем ацетоацетил-КоА взаимодействует еще с одной моле­кулой ацетил-КоА. Реакция протекает под влиянием фермента гидро-ксиметилглутарил-КоА-синтетазы. Образовавшийся |3-окси-|3-метилглута-рил-КоА способен под действием гидроксиметилглутарил-КоА-лиазы расщепляться на ацетоацетат и ацетил-КоА.

Ацетоацетат восстанавливается при участии НАД-зависимой D-3-гид-роксибутиратдегидрогеназы, при этом образуется D-|3-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):

СН_Э—СО—СН₂—СО—S-KoA + Н₂О -> СН_Э—СО—СН₂—СООН + HS-KoA Ацетоацетил-КоА Ацетоацетат

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

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 окса-лоацетат расходуется на образование глюкозы и поэтому не может кон­денсироваться с ацетил-КоА. В таких условиях путь метаболизма аце-тил-КоА отклоняется в сторону образования ацетоацетата и D-3-гидрокси-бутирата, т.е. кетоновых тел.

В крови здорового человека кетоновые тела содержатся лишь в очень небольших концентрациях (в сыворотке крови 0,03—0,2 ммоль/л). При патологических состояниях (у лиц с тяжелой формой сахарного диабета, при голодании, а также у животных с экспериментальным острым стрептозотоциновым или аллоксановым диабетом) концентрация кетоно­вых тел в сыворотке крови увеличивается и может достигать 16—20 ммоль/л.

Следует подчеркнуть важную роль кетоновых тел в поддержании энер­гетического баланса. Кетоновые тела —поставщики «топлива» для мышц, почек и действуют, возможно, как часть регуляторного механизма с обрат­ной связью, предотвращая чрезвычайную мобилизацию жирных кислот из жировых депо. Печень в этом смысле является исключением, она не использует кетоновые тела в качестве энергетического материала.

Как отмечалось, основным местом образования ацетоацетата и 3-гид-роксибутирата служит печень. Из митохондрий печени эти соединения диффундируют в кровь и переносятся к периферическим тканям.

Действительно, сердечная мышца и корковый слой почек предпочти­тельно используют в качестве «топлива» ацетоацетат, а не глюкозу.

380

м^озга у лиц получающих сбалансированную пищу. ААри голодании и диа— бете мозг адаптируется к использованию ацетоацетата. Установлено, что в условиях длительного голодания 75% потребности мозга в «топливе» удовлетворяется за счет ацетоацетата.

Известно, что в периферических тканях 3-гидроксибутират (р-оксимас-ляная кислота) способен окисляться до ацетоацетата, а последний акти­вируется с образованием соответствующего КоА-эфира (ацетоацетил-КоА). Ацетоацетат может быть активирован путем переноса КоА с сукцинил-КоА в реакции, катализируемой специфической КоА-трансферазой. Образовав­шийся ацетоацетил-КоА далее расщепляется тиолазой с образованием 2 молекул ацетил-КоА, которые затем включаются в цикл Кребса:

Ацетоацетат

- Сукцинил-КоА

КоА-трансфераза

^*"*^ Сукцинат

Ацетоацетил-КоА -КоА

С