Обмен липидов

Перейдем к рассмотрению внутриклеточных процессов расщепления и синтеза липидов различных классов: жирных кислот, триглицеридов, фосфолипидов, сфинголипидов и стероидов.

2.1. Окисление жирных кислот  в клетках

Высшие жирные кислоты могут окисляться в клетках тремя путями:

а) путем a-окисления,

б) путем b-окисления,

в) путем w-окисления.

Процессы a- и w-окисления высших жирных кислот идут в микросомах клеток с участием ферментов монооксигеназ и играют в основном пластическую функцию -- в ходе этих процессов идет синтез гидроксикислот, кетокислот и кислот с нечетным числом атомов углерода, необходимых для клеток. Так, в ходе a-окисления жирная кислота может быть укорочена на один атом углерода, превращаясь таким образом в кислоту с нечетным числом атомов"C", в соответствии с приведенной схемой:

2.1.1. b-Окисление высших  жирных кислот Основным способом  окисления высших жирных кислот, по крайней мере в отношении общего количества окисляющихся в клетке соединений данного класса, является процесс b-окисления, открытый Кноопом еще в 1904 г. Этот процесс можно определить как процесс ступенчатого окислительного расщепления высших жирных кислот, в ходе которого идет последовательное отщепление двухуглеродных фрагментов в виде ацетил-КоА со стороны карбоксильной группы активированной молекулы высшей жирной кислоты.

Поступающие в клетку высшие жирные кислоты подвергаются активации с превращением их в ацил-КоА ( R-CO-SKoA), причем активация жирных кислот происходит в цитозоле. Сам же процесс b-окисления жирных кислот идет в матриксе митохондрий. В то же время внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацил-КоА, в связи с чем встает вопрос о механизме транспорта ацильных остатков из цитозоля в матрикс митохондрий.

Ацильные остатки переносятся через внутреннюю мембрану митохондрий с помощью специального переносчика, в качестве которого выступает карнитин ( КН ):

В цитозоле с помощью фермента внешней ацилКоА:карнитинацилтрансферазы ( Е1 на ниже приведенной схеме ) остаток высшей жирной кислоты переносится с коэнзима А на карнитин с образованием ацилкарнитина:

Ацилкарнитинин при участии специальной карнитин-ацилкарнитин-транслоказной системы проходит через мембрану внутрь митохондрии и в матриксе с помощью фермента внутренней ацил-КоА:карнитин-ацилтрансферазы ( Е2) ацильный остаток передается с карнитина на внутримитохондриальный коэнзим А. В результате в матриксе митохондрий появляется активированный остаток жирной кислоты в виде ацил-КоА; высвобожденный карнитин с помощью той же самой транслоказы проходит через мембрану митохондрий в цитозоль, где может включаться в новый цикл переноса. Карнитин-ацилкарнитин-транслоказа, встроенная во внутреннюю мембрану митохондрий, осуществляет перенос молекулы ацилкарнитина внутрь митохондрии в обмен на молекулу карнитина, удаляемую из митохондрии.

Активированная жирная кислота в матриксе митохондрий подвергается ступенчатому циклическому окислению по схеме:

В результате одного цикла b-окисления радикал жирной кислоты укорачивается на 2 атома углерода, а отщепившийся фрагмент выделяется в виде ацетил-КоА. Суммарное уравнение цикла:

В ходе одного цикла b-окисления, например,при превращении стеароил-КоА в пальмитоил-КоА с образованием ацетил-КоА, высвобождается 91 ккал/моль свободной энергии, однако основная часть этой энергии накапливается в виде энергии восстановленных коферментов, потери же энергии в виде теплоты составляют лишь около 8 ккал/моль.

Образовавшийся ацетил-КоА может поступать в цикл Кребса, где он будет окисляться до конечных продуктов или же может использоваться для других нужд клетки, например, для синтеза холестерола. Укороченный на 2 атома углерода ацил-КоА вступает в новый цикл b-окисления. В результате нескольких последовательных циклов окисления вся углеродная цепь активированной жирной кислоты расщепляется до "n" молекул ацетил-КоА, причем значение "n" определяется числом атомов углерода в исходной жирной кислоте.

Энергетический эффект одного цикла b-окисления можно оценить исходя из того, в ходе цикла образуются 1 молекула ФАДН2 и 1 молекула НАДН+Н . При их поступлении в цепь дыхательных ферментов будет синтезироваться 5 молекул АТФ ( 2 + 3 ). Если образовавшийся ацетил-КоА будет окислен в цикле Кребса, то клетка получит еще 12 молекул АТФ.

Для стеариновой кислоты суммарное уравнение ее b-окисления имеет вид:

Расчеты показывают, что при окислении стеариновой кислоты в клетке будет синтезироваться 148 молекул АТФ. При расчете энергетического баланса окисления из этого количества нужно исключить 2 макроэргических эквивалента, затрачиваемых при активации жирной кислоты ( в ходе активации АТФ расщепляется до АМФ и 2 Н3РО4). Таким образом, при окислении стеариновой кислоты клетка получит 146 молекул АТФ.

Для сравнения: при окислении 3 молекул глюкозы, содержащих также 18 атомов углерода, клетка получает только 114 молекул АТФ, т.е. высшие жирные кислоты являются более выгодным энергетическим топливом для клеток по сравнению с моносахаридами. По-видимому, это обстоятельство является одной из главных причин того, что энергетические резервы организма представлены преимущественно в виде триацилглицеринов, а не гликогена.

Общее количество свободной энергии, выделяющееся при окислении 1 моля стеариновой кислоты составляет около 2632 ккал, из них накапливается в виде энергии макроэргических связей синтезированных молекул АТФ около 1100 ккал.Таким образом, аккумулируется примерно 40% всей выделяющейся свободной энергии.

Скорость b-окисления высших жирных кислот определяется, во-первых, концентрацией жирных кислот в клетке и, во-вторых, активностью внешней ацил-КоА:карнитин-ацилтрансферазы. Активность фермента угнетается малонил-КоА. На смысле последнего регуляторного механизма мы остановимся несколько позднее, когда будем обсуждать координацию процессов окисления и синтеза жирных кислот в клетке.

2.1.2. Особенности окисления  жирных кислот с нечетным числом  атомов углерода и нена сыщенных жирных кислот

Окислительный распад жирных кислот с нечетным числом атомов углерода идет также путем b-окисления, но на заключительном этапе из этих соединений образуется пропионил-КоА, имеющий в своем составе 3 атома углерода. Пропионил-КоА не может ни окисляться путем b-окисления - необходимо соединение минимум с 4 атомами углерода, ни окисляться в цикле Кребса, поскольку в него могут поступать лишь двухуглеродные остатки ацетила.

В клетках существует специальный путь окисления пропионил-КоА, в ходе которого могут окисляться и пропионил-КоА, образующиеся при окислении углеродных скелетов некоторых аминокислот:

Фермент пропионил-КоА-карбоксилаза является биотин-зависимым ферментом. В свою очередь в структуру метилмалонил-КоА мутазы входит кобамидный кофактор; поэтому при недостатке в организме витамина В12 нарушается превращение метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА и с мочой начинает выделяться повышенное количество и пропионата, и метилмалоната. Определение содержания этих соединений в моче представляет собой ценный тест для диагностики В12-дефицитных состояний.

При окислении ненасыщенных жирных кислот, например, олеиновой или пальмитоолеиновой, имеющаяся в их составе двойная углерод-углеродная связь постепенно смещается к карбоксильному концу молекулы и в результате нескольких циклов b-окисления образуется еноил-КоА в котором, во-первых, двойная связь находится между третьим и четвертым атомами углерода, а, во-вторых, эта двойная связь имеет цис-конфигурацию. Однако в клетках есть специальный фермент из класса изомераз, который переводит двойную связь в углеродном радикале кислоты из положения 3,4 в положение 2,3 и изменяет цис-конфигурацию относительно двойной связи на транс-конфигурацию. За счет действия этой изомеразы преодолеваются стереохимические затруднения , возникающие при окислении ненасыщенных жирных кислот.

2.2."Мобилизация" триглицеридов  жировой ткани

и проблема транспорта высших жирных кислот

В постабсорбционном периоде идет мобилизация энергетических резервов организма, в том числе мобилизация резервных триглицеридов жировой ткани. Образующиеся в ходе мобилизации высшие жирные кислоты через мембраны липоцитов поступают в кровяное русло и в комплексе с альбуминами переносятся с током крови в различные органы и ткани. Там они проникают через наружные клеточные мембраны внутрь клеток и связываются с специальным так называемым Z-белком. В комплексе с этим внутриклеточным белком-переносчиком они перемещаются в цитозоле к месту их использования.

Концентрация неэстерифицированных ( иначе свободных ) высших жирных кислот в плазме крови натощак составляет 0,68-0,88 мМ/л. Они очень быстро обмениваются в крови -- время их полужизни ( или полупериод их существования) в русле крови составляет около 4 минут. За сутки с током крови переносится до 150 г жирных кислот.

Кстати говоря, эта величина превышает величину суточного поступления липидов в организм, что свидетельствует о том, что значительная часть транспортируемых кровью высших жирных кислот являются продуктом их биосинтеза в организме из углеводов или углеродных скелетов аминокислот.

В условиях длительной интенсивной работы, требующей больших энергозатрат, жирные кислоты, поступающие из жировых депо, становятся основным видом "энергетического топлива". Значение их как энергетического топлива еще более возрастает при недостатке глюкозы в клетках органов и тканей, например при сахарном диабете или голодании.

Однако на пути эффективного использования клетками высших жирных кислот, поступающих из кровяного русла, встает так называемый "диффузионный барьер". Суть этого явления в следующем: высшие жирные кислоты на своем пути из кровяного русла в клетки должны пройти через гидрофильную фазу межклеточной среды. Но высшие жирные кислоты не растворимы в воде и скорость их движения через межклеточную среду ограничена. Даже если счесть,что через межклеточное вещество они идут, оставаясь в комплексе с альбуминами (примерно 4% всех альбуминов плазмы крови в течение часа покидают русло крови и такое же их количество возвращается в русло крови с лимфой), то и в этом случае скорость их движения через межклеточный матрикс остается явно недостаточной.

Выходом из положения является преобразование жирных кислот в печени в соединения с небольшой молекулярной массой, растворимые в воде: b-гидроксибутират и ацетоацетат, которые из печени поступают опять же в кровь, а затем из крови идут в органы и ткани. Естестсвенно, для них диффузионного барьера не существует и они служат эффективным энергетическим топливом. Эти соединения получили название - ацетоновые тела. К ацетоновым телам кроме уже 2 упомянутых кислот относится также ацетон. В то же время и в гепатоциты высшие жирные кислоты поступают, минуя диффузионный барьер, поскольку гепатоциты в печеночных синусах непосредственно контактируют с кровью.

2.3. Биосинтез и окислительный  распад ацетоновых тел

Жирные кислоты, поступающие в гепатоциты, активируются и подвергаются b-окислению с образованием ацетил-КоА. Именно этот ацетил-КоА используется для синтеза ацетоновых тел: ацетоацетата, b-гидроксибутирата и ацетона, по ниже следующей схеме:

Образовавшиеся ацетоновые тела поступают из гепатоцитов в кровь и разносятся к клеткам различных органов. Этот процесс в той или иной мере идет постоянно и ацетоновые тела постоянно присутствуют в крови в концентрации до 30 мг/л. Ежесуточное их выделение с мочой не превышает 20 мг.

Ацетоновые тела в норме достаточно хорошо утилизируются клетками периферических тканей, в особенности это касается скелетных мышц и миокарда, которые значительную часть нужной им энергии получают за счет окисления ацетоновых тел. Лишь клетки центральной нервной системы в обычных условиях практически не утилизируют ацетоновые тела, однако при голодании даже головной мозг от 1/2 до 3/4 свой потребности в энергии может удовлетворять за счет окисления ацетоновых тел.

Ацетоацетат,поступающий в клетки различных тканей, прежде всего подвергается активации с помощью одного из двух возможных механизмов: .поступающие в дальнейшем в цикл Кребса, где ацетильные остатки окисляются до СО2 и Н2О.

Основным путем активации ацетоацетата в клетках является путь с участием тиафоразы. В гепатоцитах нет этого фермента. Именно поэтому образовавшийся в гепатоцитах ацетоацетат в них не активируется и не окисляется, тем самым создаются условия для " экспорта" ацетоацетата из гепатоцитов в кровь.

b-Гидроксибутират в клетках  предварительно окисляется с  участием НАД+ в ацетоацетат. Эта реакция катализируется ферментом b-гидроксибутиратдегидрогеназой.

По имеющимся в литературе сведениям ацетон также может окисляться в клетках периферических органов. Возможны два варианта его окисления: во-первых, он может расщепляться до ацетильного и формильного остатков; во-вторых, через пропандиол он может превращаться в пируват.

В экспериментах на крысах было показано, что меченые атомы углерода из ацетона могут появляться в глюкозе. Это в свою очередь означает, что атомы углерода из ацетил-КоА могут использоваться в организме крысы для синтеза глюкозы, хотя скорость этого процесса у крыс невелика. Происходят ли подобные превращения в организме человека Д пока еще неизвестно.

Ацетоновые тела, накапливаясь в крови и в тканях, оказывают ингибирующее действие на липолиз, в особенности это касается расщепления триглицеридов в липоцитах. Биологическая роль этого регуляторного механизма становится понятной, если принять во внимание, что ацтоацетат и гидроксибутират представляют собой достаточно сильные органические кислоты, в связи с чем их избыточное накопление в крови приводит к развитию ацидоза. Снижение уровня липолиза в клетках жировой ткани приводит к уменьшению притока высших жирных кислот в гепатоциты и к снижению скорости образования ацетоновых тел и, следовательно, снижению их содержания в крови.

2.4. Окисление глицерола

Энергетическая эффективность окисления глицерола:

Синтез АТФ за счет субстратного окислительного фосфорилирования - 2 АТФ + ГТФ

Синтез АТФ за счет окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов: 6 НАДН+Н+ ДД> 18 АТФ + ФАДН2ДД> 2 АТФ, т.е. максимум 20 АТФ

Таким образом,при полном окислении глицерола в клетке будет синтезировано максимум 23 молекулы АТФ. За вычетом 1 израсходованной на активацию глицерола молекулы АТФ полный выход АТФ при окислении глицерола составит 22 АТФ.

Следует иметь в виду, что на долю глицерола приходится лишь от 3% до 5% от общей массы триглицеридов, поэтому сколь-либо существенного вклада в обеспечении энергией клеток различных органов и тканей окисление глицерола вносить не может.