пальЗанятие 2: Липолиз. Бета-окисление жирных кислот. Метаболизм кетоновых тел и фосфолипидов.

Внеаудиторные вопросы: 1. Характеристика сложных липидов.

Г лицерофосфолипиды.

В организме человека наиболее распространены глицерофосфолипиды (ФЛ). В качестве их общего предшественника выступает фосфатидная кислота (фосфатидат), промежуточное соединение для синтеза триацилглицеролов (ТАГ) и фосфолипидов. Жирные кислоты, входящие в состав гицеро фосфолипидов, неравноценны. Ко второму атому углерода присоединена, как правило, полиненасыщенная жирная кислота. При углероде С1 находятся любые жирные кислоты, чаще мононенасыщеннные. В состав ФЛ входят азотсодержащие соединения серин, этаноламин, холин, циклический шестиатомный спирт инозитол (витамин В8).

Функции: Фосфатидилсерин (ФС), фосфатидилэтаноламин (ФЭА, кефалин), фосфатидилхолин (ФХ, лецитин) – структурные ФЛ, вместе с холестерином формируют липидный бислой клеточных мембран. От их жирнокислотного состава зависит активность мембранных ферментов, вязкость и проницаемость мембран. Наиболее широкими функциями обладает фосфатидилхолин: 1. входит в состав желчи и, вместе с желчными кислотами, участвует в эмульгировании пищевых липидов в просвете кишечника. 2. присутствуя в желчи, поддерживает находящийся здесь холестерин в растворенном состоянии и улучшает выведение его из организма, 3. обеспечивает формирование внешнего гидрофильного слоя транспортных липопротеинов крови, 4. дипальмитоилфосфатидилхолин, являясь поверхностно-активным веществом, служит основным компонентом сурфактанта легочных альвеол.

Недостаток в легких недоношенных младенцев фосфатидилхолина приводит к развитию синдрома дыхательной недостаточности

Ф осфатидилинозитол (ФИ) – играет ведущую роль в фосфолипид-кальциевом механизме передачи гормонального сигнала в клетку. Лизофосфолипиды – продукт гидролиза фосфолипидов фосфолипазой А2, образуются катаболизме фосфолипидов или при определенных стимулах, вызывающих в клетке синтез эйкозаноидов (простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов). Плазмалогены при С1 содержат высший спирт вместо жирной кислоты. Они участвуют в построении мембран, составляют до 10% фосфолипидов мозга и мышечной ткани. Гораздо более редким является кардиолипин – структурный фосфолипид в мембране митохондрий.

Сфингофосфолипиды.

Основным представителем у человека являются сфингомиелины – наибольшее их количество расположено в сером и белом веществе головного и спинного мозга, в оболочке аксонов периферической нервной системы, есть в печени, почках, эритроцитах и других тканях. В качестве жирных кислот выступают насыщенные и мононенасыщенные кислоты.

Гликолипиды.

Г ликолипиды широко представлены в нервной ткани и мозге. Размещаются они в наружном монослое плазматических мембран, при этом олигосахаридные цепи направлены наружу. Функции гликолипидов изучены недостаточно, они обладают рецепторной функцией, участвуют в межклеточных взаимодействиях и контактах, являются антигенами клеточной поверхности (группы крови Lewis и AB0). Большую часть гликолипидов составляют гликосфинголипиды, включающие церамид (соединение аминоспирта сфингозина с длинноцепочечной жирной кислотой) и один или несколько остатков сахаров. В нервной ткани главным цереброзидом является галактозилцерамид. Для других тканей более характерны глюкозилцерамиды. Еще одна группа гликолипидов, широко представленных в мозге – ганглиозиды. Они образуются из глюкозилцерамида и дополнительно содержат одну или несколько молекул сиаловой кислоты, моносахаров и их производных (сульфосахаров и аминосахаров).

Если моносахариды несут на себе сульфогруппу, то такие гликолипиды называют сульфолипидами.

Вопросы внеаудиторной работы:

1. Характеристика реакций липолиза по плану: локализация и условия протекания процесса, последовательность реакций и ферменты, конечные продукты, гормональная регуляция процесса, транспорт и использование свободных жирных кислот, образующихся при липолизе.

И сточники и судьба жирных кислот: Жирные кислоты входят в состав большей части липидов. Поэтому вопросы метаболизма липидов – это часто вопросы обмена жирных кислот, их источники и пути дальнейших превращений. Судьба жирной кислоты зависит от ее строения (насыщенная ЖК или полиненасыщенная ЖК) и от внутриклеточных условий (наличие или отсутствие энергии в клетке, гормональные влияния). Абсорбтивный период: в течение нескольких часов после приема пищи насыщенные и мононенасыщенные жирные кислоты (НЖК) поступают от кишечника в определенные ткани из хиломикронов.

Параллельно в этот период времени в печени жирные кислоты способны синтезироваться из избытка экзогенной глюкозы и полученные эндогенные жирные кислоты этерифицируются с глицеролом в реакциях липогенеза с образованием ТАГ. Далее они транспортируются из печени в ткани, имеющие липопротеинлипазу, в составе ЛПОНП. В клетках жировой ткани после приема пищи насыщенная жирная кислота либо синтезируется из глюкозы, либо поступает из хиломикронов и ЛПОНП. Далее она направляется в липогенез и запасается в составе ТАГ.

сли липопротеинлипазы нет в ткани, то жирная кислота доставляется сюда в комплексе с альбумином. Этот комплекс образуется после работы липопротеинлипазы в других тканях. Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) обычно поступают в клетки в виде эфиров холестерола и в составе фосфолипидов ЛПВП и ЛПНП. Эти кислоты необходимы для синтеза эйкозаноидов в некоторых видах клеток, либо они участвуют в синтезе фосфолипидов для мембран клетки.

Г олодание и мышечная работа: при голодании хиломикроны и ЛПОНП в крови отсутствуют. Так как данному состоянию обычно сопутствует гипогликемия, то для ее компенсации из поджелудочной железы секретируется глюкагон. Под влиянием глюкагона и других гормонов в жировых депо активируется расщепление ТАГ до жирных кислот и глицерола (липолиз). Транспорт жирных кислот, вышедших в кровь, осуществляется альбумином. В состоянии покоя, когда процессы пищеварения уже закончились, при длительном голодании (более 20 часов) и при физической нагрузке в большинстве клеток, кроме нейронов и эритроцитов, жирные кислоты используются для образования энергии в процессах -окисления и ЦТК (50% и более всей энергии клетки). В печени при длительном голодании жирная кислота направляется в кетогенез на синтез кетоновых тел.

Использование триацилглицеролов: 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. Мобилизация жира активируется: 1. при нормальных физиологических стрессовых ситуациях – эмоциональный стресс, мышечная работа, голодание, 2. при патологических состояниях – сахарный диабет I типа, другие гормональные заболевания: гиперкортицизм, гипертиреоз.

Общая характеристика мобилизации жиров.

В целом мобилизацию жира можно представить как последовательность следующих событий:

1. Липолиз – гормонзависимый распад ТАГ в жировой ткани (см ниже) 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-КоА. 5. Карнитин-зависимое перемещение жирной кислоты в митохондрию. 6. Окисление жирной кислоты с образованием ацетильных групп (ацетил-SКоА). 7. Сгорание ацетил-SКоА в цикле лимонной кислоты или синтез (только в печени) кетоновых тел.

2.Гормончувствительная липаза, роль аденилатциклазной системы в регуляции её активности. Регуляция липазы гормонами: адреналином, глюкагоном, кортизолом и инсулином. Аллостерическая регуляция активности ферментов липолиза и липогенеза.

Гормонзависимая активация ТАГ-липазы.

Гормонзависимая активация ТАГ-липазы адипоцитов адреналином и глюкагоном происходит при напряжении организма (голодание, длительная мышечная работа, охлаждение). В первую очередь активность ТАГ-липазы зависит от соотношения инсулин/глюкагон. В целом последовательность событий липолиза выглядит следующим образом: 1. Молекула гормона (адреналин, глюкагон, АКТГ, СТГ) взаимодействует со своим рецептором. 2. Активный гормон-рецепторный комплекс воздействует на мембранный G-белок. 3. G-белок активирует фермент аденилатциклазу. 4. Аденилатциклаза превращает АТФ в циклический АМФ (цАМФ) – вторичный посредник (мессенджер). 5. цАМФ аллостерически активирует фермент протеинкиназу А. 6. Протеинкиназа А фосфорилирует ТАГ-липазу и активирует ее. 7. ТАГ-липаза отщепляет от триацилглицеролов жирную кислоту в 1 или 3 положении с образованием ДАГ. Кроме ТАГ-липазы, в адипоцитах имеются еще ДАГ-липаза и МАГ-липаза, активность которых высока и постоянна, однако в покое она не проявляется из-за отсутствия субстрата. Как только в клетке появляются ДАГ, начинает работать постоянно активная ДАГ-липаза, продукт ее реакции МАГ является субстратом для МАГ-липазы. Кроме гормонов, влияющих на активность аденилатциклазы через G-белки, существуют иные механизмы регуляции. Например, соматотропный гормон увеличивает количество аденилатциклазы, глюкокортикоиды способствуют синтезу ТАГ-липазы.

Инсулин препятствует влиянию остальных гормонов на липолиз, т.к. он активирует фермент фосфодиэстеразу, которая гидролизует цАМФ и, следовательно, снижает активность ТАГ-липазы. Также он активирует протеинфосфатазы, дефосфорилирующие ТАГ-липазу.

О бмен жирных кислот регулируется

Гормональная регуляция

Синтез и окисление триацилглицеролов и жирных кислот зависит от соотношения инсулин / глюкагон.

1. Изменение количества ферментов: Ферменты комплекса пальмитатсинтазы и ацетил-SКоА-карбоксилазы являются адаптивными ферментами, количество их возрастает при усиленном питании и уменьшается при голодании и потреблении жира. Индуктором биосинтеза этих ферментов является инсулин.

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

Регуляция активности ацетил-SКоА-карбоксилазы: Инсулин активирует протеинфосфатазу и способствует дефосфорилированию и активации ацетил-SКоА-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-SКоА-карбоксилазы и, следовательно, останавливают липогенез. Одновременно они активируют ТАГ-липазу. 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. Такое состояние наблюдается при гипогликемии любого происхождения. При обратном соотношении г ормонов начинаются реакции синтеза жиров. Способы регуляции реакций обмена триацилглицеролов.

Метаболическая регуляция

В регуляции синтеза и окисления жирных кислот играют роль три участка: 1. Активность ацетил-SКоА-карбоксилазы регулируется:

• цитратом – аллостерический активатор фермента, накапливается в цитозоле при избыточном количестве энергии,

• ацил-SКоА по принципу обратной отрицательной связи ингибирует фермент, препятствуя синтезу малонил-SКоА. Т.е. если ацил-SКоА 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-SКоА, что останавливает поступление ацил-SКоА внутрь митохондрий и снижает β-окисление.

Таким образом, когда в клетке имеется избыток энергии, то усиление синтеза жирных кислот достигается поступлением в цитозоль цитрата и при наличии малонил-S-КоА. Полученные молекулы ацил-SКоА быстро поступают на этерификацию глицерола до ТАГ и не накапливаются в цитозоле.

Если в клетке недостаточно энергии, то необходимо активировать β-окисление жирных кислот для ее получения. В этом случае гормональные влияния вызывают липолиз (или поступление жирных кислот извне) и накопление ацил-SКоА в цитозоле, что автоматически (см пункт 2) через уменьшение количества цитрата и малонил-SКоА препятствует синтезу новых жирных кислот. Параллельно (см пункт 3) убыль малонил-SКоА и активация карнитин-ацил-трансферазы запускает β-окисление.

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

При появлении избытка ацетильных групп и достаточном количестве АТФ в митохондриях печени эти группы перенаправляются на синтез кетоновых тел.

Существует биологически активная добавка к пище, используемая в программах для похудения – "Цитримакс". Она представляет собой препарат гидроксилимонной кислоты. Имея структурное сходство с лимонной кислотой, гидроксилимонная кислота конкурентно ингибирует активность АТФ-цитрат-лиазы, что препятствует синтезу жирных кислот.

3. Ферменты, осуществляющие расщепление фосфолипидов. Роль фосфолипаз а1, а2, с и d.

Фосфолипаза — фермент, гидролизующий фосфолипиды. Различают 4 основных класса фосфолипаз: A, B, C и D, каждый из которых гидролизует определенную связь в фосфолипиде. Фосфолипазы класса А подразделяются на фосфолипазы A1, отщепляющие SN-1 ацильную цепь фосфолипида и фосфолипазы A2, отщепляющие SN-2 ацильную цепь. Среди фосфолипаз А2 выделяют:

• внеклеточные фосфолипазы А2 ядов змей, рептилий и насекомых

• панкреатическую фосфолипазу

• внутриклеточные фосфолипазы А2

Панкреатическая фосфолипаза — фосфолипаза класса А2 (КФ 3.1.1.4), липолитический фермент, разлагающий жиры пищи (триглицериды). Секретируется в виде профермента поджелудочной железы профосфолипазы, который активируется в тонкой кишке трипсином/ Оптимальная кислотность для каталитической активности панкреатической фосфолипазы 7,5–9,0 рН. «Работает» как фермент в присутствии Ca²⁺ (являющимся коферментом для фосфолипазы). При гидролитическом расщеплении лецитина желчи фосфолипазой А образуется лизолецитин. Дальнейший метаболизм лизолецитина катализируется фосфолипазой В, которая тормозится желчными кислотами/

Роль фосфолипазы в развитии некоторых форм панкреатита

При недостаточности большого сосочка двенадцатиперстной кишки и повышенном давлении в двенадцатиперстной кишке возможен рефлюкс желчи или дуоденального содержимого в протоки поджелудочной железы. Желчь, попадая в протоки поджелудочной железы, может подвергаться воздействию панкреатической фосфолипазы, уже активированной трипсином, в результате чего образуется лизолецитин, который, проникая в интерстициальное пространство поджелудочной железы, вызывает глубокие повреждения в клетках.

4. Реакции окисления жирных кислот до углекислого газа и воды: роль карнитина в окислении жирных кислот, локализация и условия протекания ‑окисления, последовательность реакций ‑оксиления и ферменты, участие витаминов и коферментов, конечные продукты, связь с ЦТК и дыхательной цепью, энергетический выход процесса, расчёт энергетической ценности ‑окисления пальмитиновой кислоты.

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.

1. 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.

2. Ацил-SКоА не способен проходить через митохондриальную мембрану, поэтому существует способ переноса жирной кислоты в комплексе с витаминоподобным веществом карнитином. На наружной мембране митохондрий имеется фермент карнитин-ацилтрансфераза I.

3. После связывания с карнитином жирная кислота переносится через мембрану транслоказой. Здесь на внутренней стороне мембраны фермент карнитин-ацилтрансфераза II вновь образует ацил-SКоА который вступает на путь β-окисления.

4. Процесс собственно β-окисления состоит из 4-х реакций, повторяющихся циклически. В них последовательно происходит окисление, гидратирование и вновь окисление 3-го атома углерода (β-положение). В последней реакции от жирной кислоты отщепляется ацетилSКоА. 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-SКоА.

Ацил-SКоА-синтетазы находятся в эндоплазматическом ретикулуме, на наружной мембране митохондрий и внутри них. Существует широкий ряд синтетаз, специфичных к разным жирным кислотам.

Карнитин синтезируется в печени и почках и затем транспортируется в остальные органы. Во внутриутробном периоде и в первые годы жизни значение карнитина для организма чрезвычайно велико. Энергообеспечение нервной системы детского организма и, в частности, головного мозга осуществляется за счет двух параллельных процессов: карнитин-зависимого окисления жирных кислот и аэробного окисления глюкозы. Карнитин необходим для роста головного и спинного мозга, для взаимодействия всех отделов нервной системы, ответственных за движение и взаимодействие мышц. Существуют исследования, связывающие с недостатком карнитина детский церебральный паралич и феномен "смерти в колыбели".

Дети раннего возраста, недоношенные и дети с малой массой особенно чувствительны к недостаточности карнитина. Эндогенные запасы у них быстро истощаются при различных стрессовых ситуациях (инфекционные заболевания, желудочно-кишечные расстройства, нарушения вскармливания). Биосинтез карнитина недостаточен, а поступление с обычными пищевыми продуктами неспособно поддержать достаточный уровень в крови и тканях.