Вопрос 16 Липидный обмен— или метаболизм липидов, представляет собой сложный биохимический и физиологический процесс происходящий в клетках живых организмов.

Липидный обмен включает в себя следующие процессы:

• Расщепление, переваривание и всасывание липидоввпищеварительном тракте, поступающих вместе с пищей.

• Транспорт жиров из кишечникас помощьюхиломикронов.

• Обмен триацилглицеролов.

• Обмен фосфолипидов.

• Обмен холестерола.

• Взаимопревращения жирных кислоти кетоновых тел.

• Липогенез.

• Катаболизм липидов — липолиз.

• Катаболизм жирных кислот.

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

• Расщепление липидов в желудочно—кишечном тракте

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

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

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

Ресинтез триацилглицеринов из продуктов расщепления происходит в клетках слизистой кишечника:

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

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

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

Депонирование и мобилизация жиров

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

1. поступают из хиломикронов, которые приносят экзогенные жиры из кишечника

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

3. образуются из глюкозы в самих клетках жировой ткани.

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

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

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

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

Окисление жирных кислот

Окисление жирных кислот состоит из двух этапов:

1. b—окисление

2. цитратный цикл

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

Окисление жирных кислот

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

Энергетика окисления жирных кислот

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

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

Образование кетоновых тел в печени (кетогенез)

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

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

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

Биосинтез жирных кислот

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

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

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

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

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

Холестерин— жироподобное органическое вещество из группы стеринов животного происхождения. Его молекулярная формула — С27Н46О. С химической точки зрения, это ненасыщенный спирт. Холестерин имеет сложное гетероциклическое стероидное ядро. Углеродный скелет холестерина состоит из четырех колец: три кольца содержат по 6 атомов углерода и одно — 5 атомов. От него отходит длинная боковая цепь (рисунок приведен ниже). Молекулы холестерина гидрофобны. Характерное химическое свойство — способность к образованию молекулярных комплексов со многими солями, кислотами, аминами, белками и др. Большая часть холестерина в тканях животных присутствует в виде эфиров жирных кислот.

Обмен холестерина

На первом этапе этого процесса из трех молекул ацетата и коэнзима А синтезируется 3-гидрокси-3-метилглютарил коэнзим А (ГМГ-КоА). Далее в результате воздействия фермента ГМГ-КоА-редуктазы образуется мевалоновая кислота, которая примерно через 20 последующих этапов превращается в холестерин. Несмотря на всю сложность и многоэтапность этих процессов, ключевым ферментом, определяющим скорость синтеза холестерина, выступает именно ГМГ-КоА-редуктаза. Работу этого фермента и подавляют статины — широко пропагандируемые гиполипидемические (снижающие уровень холестерина) препараты, о которых речь пойдет позже. Механизм холестеринового гомеостаза сложен. Внутриклеточное содержание холестерина регулируется двумя механизмами. Первый из них контролирует продукцию холестерина по механизму отрицательной обратной связи. Второй механизм контроля уровня холестерина в клетке связан с регуляцией его транспорта через клеточную мембрану из межклеточного пространства. Этот транспорт осуществляется при участии рецепторов липопротеидов низкой плотности (ЛПНП). В обмене холестерина принимают участие десятки ферментов, и мутация в каждом из кодирующих их генов может привести к нарушению работы всей системы. Известны, например, так называемые семейные — передающиеся по наследству — формы гиперхолестеринемии (избытка холестерина). Эти нарушения липидного обмена связаны с мутацией генов, кодирующих рецептор липопротеидов низкой плотности. Если мутантный ген присутствует только в одной из пары хромосом, возникает так называемая гетерозиготная форма наследственной гиперхолестеринемии (в Америке и Европе она встречается у одного из 500 человек), если мутантных генов два — гомозиготная (встречается у одного человека из миллиона). В обоих случаях страдают рецепторы к ЛПНП, расположенные на поверхности гепатоцитов — клеток печени. Эти рецепторы играют важную роль в метаболизме холестерина, так как именно ЛПНП являются одним из его переносчиков. Обменом холестерина при наследственной семейной гиперхолестеринемии — генетическом заболевании, наследуемом по доминантному типу и характеризующимся чрезвычайно высоким уровнем в крови ЛПНП и отложением холестерина в тканях, — занимались Майкл Браун и Джозеф Голдстайн. В 1985 году им была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины за выдающиеся открытия, касающиеся обмена холестерина и лечения нарушений уровня холестерина в крови. Будучи гидрофобным соединением, холестерин нерастворим в воде и плазме крови. Он может переноситься с током крови только в составе так называемых транспортных форм — липопротеидов (белково-липидных комплексов), которые представляют собой сферические частицы, имеющие электрический заряд (рис. 1). Наружный (гидрофильный) слой образуют белки-апопротеины (или просто «апо»), а ядро составляют триглицериды (попросту говоря, жиры) и холестерин (гидрофобный слой). Получаются липосомы — мембранные микрокапсулы, которые могут путешествовать по кровеносным сосудам, перенося в себе холестерин (в одной капсуле может находиться до 1500 молекул холестерина). Выделяют пять основных классов липопротеидов, отличающихся по размеру, плотности, подвижности при электрофорезе, содержанию холестерина и триглицеридов и составу апопротеидов:

• ХМ — хиломикроны, а также

• ЛПОНП — липопротеиды очень низкой плотности,

• ЛППП — липопротеиды промежуточной плотности,

• ЛПНП — липопротеиды низкой плотности и

• ЛПВП — липопротеиды высокой плотности.

Остановимся на краткой характеристике классов липопротеидов, их метаболизме и роли в обмене холестерина (рис. 2). Это послужит лучшему понимаю их роли в патогенезе атеросклероза и может быть веским аргументом в реабилитации холестерина.ХМ — самые крупные липопротеидные частицы — транспортируют экзогенные (пищевые) жиры и холестерин из кишечника в печень и периферические ткани. Они образуются в эндоплазматическом ретикулуме кишечника, секретируются в лимфу и затем через грудной проток попадают в кровь. Период полужизни ХМ составляет 5–20 минут. Плотность — менее 0,95 г/мл, диаметр частицы — 800–5000 ангстрем.ЛПОНП (их называют также пре-бета-липопротеидами) являются транспортной формой эндогенных триглицеридов, на их долю приходится около 50–70% массы всех липопротеидных частиц. Печень может секретировать как крупные, так и мелкие липопротеиды, богатые триглицеридами, с плотностью от ЛППП (их плотность — менее 1,006 г/мл, диаметр частицы — 300–800 ангстрем) до ЛПОНП (1,006–1,019 г/мл, 250–350 ангстрем).ЛПНП (их называют также бета-липопротеидами) являются основным переносчиком эндогенного холестерина в крови (около 70% общего холестерина плазмы). Плотность — 1,019–0,063 г/мл, диаметр частицы — 180–280 ангстрем.Липидное ядро ЛПНП почти полностью состоит из эфиров холестерина. Период полужизни ЛПНП в крови — 2,5 дня. За это время до 75% из них захватывается клетками печени, а остальные 25% попадают в другие органы. Для того чтобы холестерин попал в печень, ее клетки должны «выхватить» ЛПНП из кровяного русла. Для этого на поверхности каждой частицы находятся сигнальные апобелки, а на поверхности клетки-захватчицы — соответствующие им рецепторы. Общее количество рецепторов ЛПНП на поверхности одной клетки может достигать 40 000 и более. Рецепторы имеют высокое сродство к ЛПНП и прочно связывают их даже при концентрации 1 молекула на 1 млрд молекул воды.

Метаболизм ЛПНП идет двумя путями. Первый путь — связывание с апо-В/Е-рецепторами печени, клеток надпочечников и периферических клеток, включая гладкомышечные клетки и фибробласты. В норме рецептор-опосредованным путем из кровеносного русла удаляется около 75% ЛПНП. После проникновения в клетку частицы ЛПНП распадаются и высвобождают свободный холестерин. При избытке внутриклеточного холестерина он через взаимодействие с геном рецептора ЛПНП подавляет синтез рецепторов к ЛПНП и, наоборот, при низком уровне внутриклеточного холестерина синтез рецепторов к ЛПНП возрастает. Альтернативный путь метаболизма частиц ЛПНП — окисление. Перекисно-модифицированные ЛПНП слабо распознаются апо-В/Е-рецепторами, но быстро распознаются и захватываются так называемыми скэвенджерами (англ. scavenger — мусорщик) — рецепторами макрофагов. Этот путь катаболизма (распада) ЛПНП, в отличие от рецептор-зависимого пути, не подавляется при увеличении количества внутриклеточного холестерина. Продолжение этого процесса приводит к превращению макрофагов в переполненные эфирами холестерина пенистые клетки — компоненты жировых пятен. Последние являются предшественниками атеросклеротической бляшки, и за это липопротеиды низкой плотности считают «плохими» липопротеидами. ЛПВП — самые мелкие липопротеидные частицы (плотность — 1,125–1,21 г/мл, диаметр частицы — 50-90 ангстрем). Их также называют альфа-липопротеидами. На их долю приходится 20-30% общего холестерина крови, но из всех липопротеидов именно эти частицы содержат наибольшее количество фосфолипидов и белка. Основная функция ЛПВП — обеспечение обратного транспорта холестерина, то есть возвращение холестерина из периферических тканей в печень для дальнейшего распада. Липопротеиды различаются по участию в атерогенезе — то есть по степени причастности к возникновению атеросклероза. Атерогенность липопротеидов частично зависит от размера частиц. Самые мелкие липопротеиды, такие как ЛПВП, легко проникают в стенку сосуда, но так же легко ее покидают, не вызывая образования атеросклеротической бляшки. За это их и называют «хорошими» липопротеидами. ЛПНП, липопротеиды промежуточной плотности и мелкие ЛПОНП достаточно малы, и в случае окисления легко задерживаются в сосудистой стенке. ЛПНП — наиболее атерогенные липопротеиды крови.