Биохимия лекции / 1 семестр / 16 неделя

16-я неделя

Биосинтез жирных кислот, ТАГ и фосфолипидов. Метаболизм и транспорт холестерола в организме

Содержание

Ферментативные процессы биосинтеза одно- и многокомпонентных липидов в организме человека, их биологическая роль и регуляция.

Цели

После изучения данной темы студент должен знать: • локализацию основных процессов липидного обмена в клетке; • последовательность реакций биосинтеза высших жирных кислот, строение полиферментного комплекса, источники НАДФН для биосинтеза жирных кислот; • реакции биосинтеза ацилглицеринов к его связь с обменом углеводов; факторы, способствующие развитию ожирения; • последовательность реакций биосинтеза фосфолипидов и его биологическую роль; понятие о липотропном эффекте и липотропных факторах; • основные этапы биосинтеза холестерола и его регуляцию; пути использования холестерола в организме; • схему строения липопротеинов крови и их биологическую роль, ферменты, участвующие в метаболизме липопротеинов; • клинико-диагностическое значение определения содержания холестерола и липопротеинов в крови.

План занятия

Раздел 16.1

Синтез высших жирных кислот.

Раздел 16.2

Биосинтез триацилглицеролов.

Раздел 16.3

Биосинтез глицерофосфолипидов.

Раздел 16.4

Биосинтез холестерола.

Раздел 16.5

Липопротеины.

Раздел 16.6

Обучающие задачи и эталоны их решения.

План работы

Пройдите тест на знание теоретического материала 'Биосинтез липидов и их транспорт в организме (10)'

© С.М.Ершиков, 2009. Все права защищены

Раздел 16.1

Синтез высших жирных кислот.

16.1.1. Высшие жирные кислоты могут быть синтезированы в организме из метаболитов углеводного обмена. Исходным соединением для этого биосинтеза является ацетил-КоА, образующийся в митохондриях из пирувата – продукта гликолитического распада глюкозы. Место синтеза жирных кислот – цитоплазма клеток, где имеется мультиферментный комплекс синтетаза высших жирных кислот. Этот комплекс состоит из шести ферментов, связанных с ацилпереносящим белком, который содержит две свободные SH-группы (АПБ-SH). Синтез происходит путём полимеризации двууглеродных фрагментов, конечным продуктом его является пальмитиновая кислота – насыщенная жирная кислота, содержащая 16 атомов углерода. Обязательными компонентами, участвующими в синтезе, являются НАДФН (кофермент, образующийся в реакциях пентозофосфатного пути окисления углеводов) и АТФ.

16.1.2. Ацетил-КоА поступает из митохондрий в цитоплазму при помощи цитратного механизма (рисунок 3.1). В митохондриях ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом (фермент – цитратсинтаза), образующийся цитрат переносится через митохондриальную мембрану при помощи специальной транспортной системы. В цитоплазме цитрат реагирует с HS-КоА и АТФ, вновь распадаясь на ацетил-КоА и оксалоацетат (фермент – цитратлиаза).

Рисунок 16.1. Перенос ацетильных групп из митохондрий в цитоплазму.

16.1.3. Начальной реакцией синтеза жирных кислот является карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА (рисунок 16.2). Фермент ацетил-КоА-карбоксилаза активируется цитратом и ингибируется КоА-производными высших жирных кислот.

Рисунок 16.2. Реакция карбоксилирования ацетил-КоА.

Затем ацетил-КоА и малонил-КоА взаимодействуют с SH-группами ацилпереносящего белка (рисунок 16.3).

Рисунок 16.3. Взаимодействие ацетил-КоА и малонил-КоА с ацилпереносящим белком.

Далее происходит их конденсация, декарбоксилирование и восстановление образовавшегося продукта (рисунок 16.4).

Рисунок 16.4. Реакции одного цикла биосинтеза жирных кислот.

Продукт реакции взаимодействует с новой молекулой малонил-КоА и цикл многократно повторяется вплоть до образования остатка пальмитиновой кислоты.

16.1.4. Запомните основные особенности биосинтеза жирных кислот по сравнению с β-окислением:

• синтез жирных кислот в основном осуществляется в цитоплазме клетки, а окисление – в митохондриях;

• участие в процессе связывания СО₂ с ацетил-КоА;

• в синтезе жирных кислот принимает участие ацилпереносящий белок, а в окислении – коэнзим А;

• для биосинтеза жирных кислот необходимы окислительно-восстановительные коферменты НАДФН, а для β-окисления – НАД⁺ и ФАД.

© С.М.Ершиков, 2009. Все права защищены

Раздел 16.2

Биосинтез триацилглицеролов.

16.2.1. Биосинтез триацилглицеролов и глицерофосфолипидов происходит в цитоплазме клеток. Первые реакции этих метаболических путей совпадают и включают образование фосфатидной кислоты.

Предшественники фосфатидной кислоты - глицерол и жирные кислоты - вступают в реакцию в активной форме.

Образование активной формы глицерола (глицерол-3-фосфата может происходить двумя путями (рисунок 3.5).

Рисунок 16.5. Пути образования глицерол-3-фосфата.

Активация жирных кислот идёт путём образования тиоэфиров коэнзима А – ацил-КоА (см. 15.3.1, рисунок 15.7).

16.2.2. Первая реакция ацилирования глицерол-3-фосфата осуществляется за счёт КоА-производного насыщенной жирной кислоты, например, пальмитиновой. Образуется сложноэфирная связь в 1-м положении (рисунок 16.6, реакция 1).

Вторая реакция ацилирования идёт, как правило, за счёт КоА-тиоэфира ненасыщенной жирной кислоты, например, олеиновой (рисунок 16.6, реакция 2).

В процессе синтеза триацилглицеролов происходит дефосфорилирование фосфатидной кислоты при помощи фосфатидатфосфатазы (рисунок 16.6, реакция 3).

В дальнейшем 1,2-диацилглицерол ацилируется третьей молекулой ацил-КоА, которая может содержать остаток как ненасыщенной, так и насыщенной жирной кислоты (рисунок 16.5, реакция 4).

Рисунок 16.6. Реакции биосинтеза триацилглицеролов.

16.2.3. В организме здорового человека процессы биосинтеза и катаболизма триацилглицеролов взаимно уравновешены.

В тех случаях, когда углеводы, жиры или белки потребляются в количествах, превышающих энергетические потребности организма, излишки калорий запасаются в виде триацилглицеролов. Источником ацетил-КоА для биосинтеза жирных кислот могут служить как углеводы, так и углеродные цепи аминокислот. Накопленный избыток жиров может быть израсходован для получения энергии, например, при голодании.

Скорость биосинтеза триацилглицеролов регулируется гормонами. Инсулин стимулирует поступление глюкозы в клетки и, следовательно, превращение её в жиры. Глюкагон и гормоны надпочечников тормозят этот процесс.

© С.М.Ершиков, 2007. Все права защищены

Раздел 16.3

Биосинтез глицерофосфолипидов.

16.3.1. Как известно (14.4.2), глицерофосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты и одного из аминоспиртов (например, этаноламина, холина или серина). Реакции образования фосфатидной кислоты обсуждались в предыдущем параграфе (см. 16.2.2, рисунок 16.5).

Подобно другим предшественникам в биосинтезе липидов, аминоспирты, участвующие в синтезе фосфолипидов, вступают в реакцию в активной форме – в виде соединения с цитидиндифосфатом (ЦДФ). В качестве примера на рисунке 16.7 приводятся реакции активации этаноламина. Обратите внимание, что в реакциях активации аминоспиртов принимают участие два нуклеозидтрифосфата – АТФ и ЦТФ.

Рисунок 16.7. Реакции образования активной формы этаноламина.

Далее остаток фосфоэтаноламина с ЦДФ-этаноламина переносится на 1,2-диацилглицерол, образующийся в результате дефосфорилирования фосфатидной кислоты (рисунок 16.8, реакции 1 и 2). Продуктом реакции является фосфатидилэтаноламин.

Рисунок 16.8. Реакции синтеза фосфатидилхолина.

Синтез фосфатидилхолина происходит путём трёхкратного метилирования фосфатидидэтаноламина. Донором метильных групп служит S-аденозилметионин (рисунок 16.8, реакция 3). Фосфатидилхолин может образоваться также путём активации холина, подобно этаноламину.

Фосфатидилсерин образуется в реакции прямого взаимодействия фосфатидилэтаноламина и серина:

16.3.2. Липотропные факторы – вещества, способствующие синтезу фосфолипидов и препятствующие отложению триацилглицеролов в тканях.

Липотропный эффект этих соединений связан с тем, что общим предшественником триацилглицеролов и фосфолипидов является фосфатидная кислота. При недостатке липотропных факторов фосфатидная кислота используется преимущественно для синтеза триацилглицеролов. Они нерастворимы в воде и накапливаются в клетках, способствуя их жировому перерождению. Запомните, какие липотропные факторы можно использовать в качестве препаратов для его предупреждения:

1) холин – самое распространённое азотистое основание фосфолипидов;

2) метионин – незаменимая аминокислота, предшественник S-аденозилметионина, универсального донора метильных групп;

3) фолиевая кислота и витамин В₁₂ – предшественники коферментов, участвующих в реакциях переноса СН₃-групп.

При введении липотропных факторов снижается синтез триацилглицеролов и усиливается выведение жира из клеток при участии липопротеиновых комплексов (см.16.5.2).

© С.М.Ершиков, 2009. Все права защищены

Раздел 16.4

Биосинтез холестерола.

16.4.1. Исходным соединением для синтеза холестерола является ацетил-КоА (см. 15.2.3, рисунок 15.6). Ферменты, катализирующие реакции синтеза, содержатся в цитоплазме и эндоплазматическом ретикулуме многих клеток. Наиболее активно этот процесс происходит в печени. В организме человека в сутки синтезируется около одного грамма холестерола.

16.4.2. Биосинтез холестерола включает три основные стадии (рисунок 16.9). 

Рисунок 16.9. Синтез холестерола.

На первой стадии образуется мевалоновая кислота (рисунок 16.9, а).

На второй стадии мевалоновая кислота превращается в изопентенилпирофосфат («активный изопрен»), 6 молекул которого конденсируются в сквален (рисунок 16.9, б).

На третьей стадии сквален превращается в холестерол (рисунок 16.9, в).

Всего для синтеза 1 молекулы холестерола используется 18 молекул ацетил-КоА: для образования «активного изопрена» требуется 3 молекулы; в последующих реакциях конденсации участвуют 6 молекул «активного изопрена»; 3 × 6 = 18.

16.4.3. Скорость синтеза холестерола в организме регулируется по механизму отрицательной обратной связи (рисунок 16.8, пунктирная стрелка). Фермент β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА-редуктаза катализирует лимитирующую реакцию биосинтеза холестерола. Холестерол является корепрессором синтеза данного ферментного белка, что приводит к снижению скорости катализируемой реакции. Поэтому при поступлении избытка холестерола с пищей синтез эндогенного холестерола прекращается.

Холестерол является компонентом биологических мембран, из него в организме образуются стероидные гормоны, витамин D₃, желчные кислоты (см. 14.1.2). Избыток холестерола превращается в печени в желчные кислоты (см. 15.1.3, рисунок 15.3), а также выделяется с желчью в кишечник и выводится с калом.

16.4.4. Нормальное содержание холестерола в сыворотке крови человека составляет 3,9 – 6,3 ммоль/л. Транспортной формой холестерола в крови являются липопротеины (см. далее 16.5.2). Если нарушается соотношение между поступлением холестерола в организм и его выведением, то содержание холестерола в тканях и крови изменяется. Повышение концентрации холестерола в крови (гиперхолестеролемия) может приводить к развитию атеросклероза и желчно-каменной болезни.

© С.М.Ершиков, 2009. Все права защищены

Раздел 16.5

Липопротеины.

16.5.1. Липиды нерастворимы в воде и поэтому транспортируются кровью в форме надмолекулярных комплексов – липопротеинов. Гидрофобное ядро липопротеинов содержит неполярные липиды (ТАГ, эфиры холестерола), оболочка состоит из амфифильных липидов (фосфолипиды, холестерол) и белков-апопротеинов (см. 15.2.2). Липопротеины различаются по химическому составу, свойствам и функциям. Основными классами липопротеинов являются: 1) хиломикроны, 2) липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), 3) липопротеины низкой плотности (ЛПНП), 4) липопротеины высокой плотности (ЛПВП).

16.5.2. Особенности обмена и биологическая роль различных классов липопротеинов представлены на рисунке 16.10.

Рисунок 16.10. Обмен липопротеинов. ЛПВП - липопротеин высокой плотности; ЛПНП - липопротеин низкой плотности; ЛПОНП - липопротеин очень низкой плотности; ХМ - хиломикрон; ТГ - триацилглицерол; ХС -холестерол; ЭХС - эфир холестерола; ЛПЛ-аза - липопротеинлипаза; ЛХАТ - лецитин: холестерол-ацилтрансфераза.

Хиломикроны (см. также 15.2.2) образуются в стенке кишечника, содержат до 80% ТАГ пищевого происхождения, которые транспортируются кровью в периферические ткани. В кровеносных капиллярах ТАГ подвергаются гидролизу липопротеинлипазой; образующиеся жирные кислоты поступают в ткани, а «остатки» хиломикронов поглощаются клетками печени (рисунок 16.10, пунктирная линия).

ЛПОНП - образуются в печени, являются транспортной формой эндогенных ТАГ. Как и хиломикроны, являются субстратами липопротеинлипазы эндотелия капилляров. После гидролиза ТАГ, ЛПОНП превращаются в ЛПНП.

ЛПНП - образуются в крови из ЛПОНП под действием липопротеинлипазы. Богаты холестеролом, транспортируют его во внепечёночные ткани. В результате взаимодействия ЛПНП с рецепторами на поверхности мембран холестерол из ЛПНП проникает внутрь клеток, где участвует в образовании клеточных структур и реакциях биосинтеза веществ (см.14.4.1).

ЛПВП – образуются в печени, первоначально состоят преимущественно из белков и фосфолипидов и имеют форму дисков. При помощи фермента ЛХАТ липопротеины этого класса извлекают избыток холестерола из внепечёночных клеток и в форме эфиров доставляют его в печень.

Увеличение содержания в крови ЛПНП и ЛПОНП и уменьшение содержания ЛПВП способствует развитию атеросклероза. Следовательно, ЛПОНП и ЛПНП – атерогенные липопротеины, ЛПВП – антиатерогенные липопротеины.

© С.М.Ершиков, 2009. Все права защищены

Раздел 16.6

Обучающие задачи и эталоны их решения.

Задача 1. Одним из ферментов, участвующих в регуляции липосинтеза, является митохондриальная изоцитратдегидрогеназа. Почему при ингибировании этого фермента избытком АТФ в цитоплазме клеток печени усиливаются процессы синтеза жирных кислот? При решении задачи ответьте на вопросы:

• Частью какого метаболического процесса является фермент изоцитратдегидрогеназа?

• Какой промежуточный продукт накапливается в митохондриях при ингибировании этого фермента?

• Как при этом изменяется содержание цитрата в митохондриях?

• Каков его дальнейший путь использования?

Ответ. Изоцитратдегидрогеназа является ферментом цикла трикарбоновых кислот. При его ингибировании в митохондриях накапливается изоцитрат и, как следствие, цитрат. Накапливающийся цитрат переходит в цитоплазму клеток, где под действием цитрат-лиазы распадается на ацетил-КоА и оксалоацетат (см. 3.1.2). Ацетил-КоА является исходным соединением для синтеза жирных кислот и увеличение его концентрации ведет к активации данного процесса.

Задача 2. Добавление в пищу животным больших количеств веществ - акцепторов метильных групп (например, гуанидинацетата или ниацина) приводит к развитию у них жирового перерождения печени. Как можно объяснить антилипотропный эффект таких веществ?

Ответ. Одной из причин жирового перерождения печени является нарушение синтеза фосфолипидов, участвующих в транспорте триацилглицеролов из печени в кровь. Синтез фосфолипидов зависит от наличия в клетках печени холина и возможности его синтеза из этаноламина путем метилирования. Вещества – акцепторы метильных групп нарушают этот процесс, выступая в качестве конкурентных ингибиторов. Развивающийся дефицит липотропных факторов (см. 3.3.4) - холина и метионина приводит к нарушению синтеза фосфолипидов и накоплению триацилглицеролов – жировому перерождению печени.

Задача 3. Инсулин усиливает поступление глюкозы в клетки жировой ткани. Как и почему изменяется при этом:

• Интенсивность синтеза триацилглицеролов в жировой ткани?

• Уровень свободных жирных кислот в крови?

Ответ. При повышенном поступлении в клетки жировой ткани глюкозы синтез триацилглицеролов в них усиливается. Это связано с активацией процессов катаболизма глюкозы и накоплением промежуточного продукта гликолиза – диоксиацетонфосфата. В клетках жировой ткани диоксиацетонфосфат восстанавливается в глицерол-3-фосфат (см. 3.2.1, рисунок 3.4), который взаимодействуя с активированными жирными кислотами превращается в триацилглицерол. Усиленное использование жирных кислот на синтез триацилглицеролов приводит к замедлению выведения их из жировой ткани в кровь и снижению уровня свободных жирных кислот в крови.

Задача 4. Животное получало с пищей мевалоновую кислоту, меченную по атомам углерода. В какой фракции липопротеинов будет обнаружено наибольшее количество метки?

Ответ. Мевалоновая кислота является промежуточным продуктом в синтезе холестерола (см.3.4.2), в структуру которого и будут включаться меченые атомы углерода. Основной транспортной формой холестерола в крови служат липопротеины низкой плотности (см.3.5.2). В них будет обнаруживаться наибольшее количество метки.

Задача 5. Животное получало с пищей глюкозу, меченную по атомам углерода. Через некоторое время метка была обнаружена в составе холестерола плазмы крови. Представьте в виде схемы включение атомов углерода глюкозы в синтез холестерола.

Ответ. Исходным соединением в синтезе холестерола является ацетил-КоА, который образуется в процессе аэробного окисления глюкозы.

Основными промежуточными продуктами в синтезе холестерола из ацетил-КоА являются мевалоновая кислота и изопентенилпирофосфат (см. 3.4.2) Таким образом, синтез холестерола из продуктов катаболизма глюкозы может быть представлен в виде схемы:

Задача 6. Рассчитайте количество молекул ацетил-КоА и НАДФН, необходимых для синтеза одной молекулы пальмитиновой кислоты.

Ответ. Жирные кислоты синтезируются путем последовательного соединения двууглеродных фрагментов, источниками которых служит ацетил-КоА (см.3.1.1). Количество молекул ацетил-КоА, необходимое для синтеза жирной кислоты определяется по формуле n : 2, где n – число атомов углерода в жирной кислоте. В пальмитиновой кислоте С₁₅Н₃₁СООН – 16 атомов углерода и, значит, потребуется 16:2=8 молекул ацетил-КоА. Количество этапов удлинения цепи равно (n : 2) – 1 = (16 : 2) – 1 = 7 . На каждом этапе затрачивается в реакциях восстановления 2 молекулы НАДФН, всего – 7 х2=14.

Контрольные вопросы:

1. Синтез высших жирных кислот: локализация, исходное соединение, последовательность реакций, полиферментный комплекс, коферменты. Источники НАДФН и его использование в синтезе жирных кислот.

2. Пути использования высших жирных кислот в клетках. Биосинтез ацилглицеролов и их мобилизация, биологическая роль. Факторы, способствующие развитию ожирения.

3. Общие этапы биосинтеза ацилглицеролов и фосфолипидов. Последовательность реакций синтеза фосфатидилхолина и его роль в организме. Понятие о липотропном эффекте фосфолипидов и липотропных факторах.

4. Биосинтез холестерола: локализация, основные этапы синтеза, регуляторный фермент. Последовательность реакций образования мевалоновой кислоты, ферменты. Основные пути использования холестерола в организме.

5. Липопротеины крови: схема строения, состав и свойства, классы липопротеинов. Взаимопревращения липопротеинов и их роль в организме. Нарушения метаболизма липопротеинов.

6. Клинико-диагностическое значение определение содержания холестерола и липопротеинов в сыворотке крови.

Выполните упражнения и решите задачи:

1. Рассчитайте количество молекул ацетил-КоА и НАДФН, необходимых для синтеза одной молекулы стеариновой кислоты.

2. Напишите схему синтеза триацилглицерола из глицерола и жирных кислот (стеариновой, арахидоновой, пальмитиновой).

3. Напишите схему синтеза фосфатидилхолина из глицерола, холина, пальмитиновой и линоленовой кислот.

4. При введении глюкагона у экспериментальных животных наблюдается снижение содержания цитрата в клетках печени. Как при этом будет изменяться скорость синтеза жирных кислот?

5. Одним из последствий сахарного диабета является жировое прерождение печени. Какие витамины могут быть использованы для предупреждения этого осложнения? С чем связан их липотропный эффект?

6. Лекарственный препарат компактин является ингибитором фермента β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА-редуктазы. Какое действие оказывает этот препарат на уровень атерогенных липопротеинов в плазме крови?

© С.М.Ершиков, 2009. Все права защищены