Биохимия и ее задачи

Транспортные  формы липидов в организме

Липиды являются нерастворимыми в воде соединениями, поэтому для их переноса кровью необходимы специальные переносчики, растворимые в воде. Такими транспортными формами являются липопротеины плазмы крови, которые относятся к свободным липопротеинам (ЛП). Ресинтезированный жир в клетках кишечника, либо синтезированный жир в клетках других органов и тканей может быть транспортирован кровью только после включения в ЛП, где роль стабилизатора играют белки.

Мицеллы ЛП имеют  наружный слой и ядро. Наружный слой состоит из белка, ФЛ и свободного ХС, которые имеют гидрофильные полярные группы и проявляют сродство к воде. Ядро формируется из ТГ и эфиров ХС. Все эти соединения, входящие в состав ядра, не обладают гидрофильными группами.

ЛП транспортируют: ФЛ, ТГ, холестерин. Могут транспортировать некоторые жирорастворимые витамины (А,D,Е,К). Выделяют 4 класса транспортных ЛП, которые отличаются друг от друга по химическому составу, размером мицелл и транспортируемым липидам. Поскольку они имеют разную плотность и скорость оседания в растворе NaCl, их разделяют на следующие группы:

ХМ – хиломикроны. Они образуются в стенке тонкого  отдела кишечника;

ЛПОНП – липопротеины очень низкой плотности - образуются в стенке кишечника и печени;

ЛПНП – липопротеины низкой плотности - образуются в стенке кишечника, печени и эндотелии капилляров из ЛПОНП под действием липопротеидлипазы;

ЛПВП – липопротеины высокой плотности – образуются в стенке тонкой кишки и печени.

Таким образом, ЛП крови образуются и секретируются 2-мя видами клеток – энтероцитами и  гепатоцитами. При электрофорезе  белков сыворотки крови ЛП движутся в зоне a- и b-глобулинов, поэтому их по элекрофоретической подвижности могут обозначить как:

ЛПОНП – пре-b-ЛП

ЛПНП – b-ЛП

ЛПВП – a-ЛП

ХМ – как  самые большие по размеру частиц и самые тяжёлые при электрофорезе  не движутся и остаются на старте.

Принято считать, что  ХМ отсутствуют в крови натощак, а синтезируются они в стенке тонкого кишечника особенно активно  после приема жирной пищи. Они транспортируют в основном ТГ от клеток кишечника  и жировых депо к клеткам органов  и тканей. Имеют большие размеры мицелл и поэтому не проникают в стенки сосудов. Завершается распад ХМ через 10-12 часов после приема пищи под влиянием липопротеидлипазы печени, жировой ткани, эндотелия капилляров. Продукты гидролиза вовлекаются в клеточный метаболизм.

ЛПОНП и ЛПНП транспортируют преимущественно холестерин. Эти фракции приносят его в  клетки органов и тканей, которые  используют ХС для построения биомембран, для образования стероидных гормонов и витаминов группы D. Их ещё называют атерогенными фракциями (пре-b и b).

ЛПВП – осуществляют транспорт холестерина из клеток и тканей в печень, где он окисляется, превращаясь в желчные кислоты. Это антиатерогенная фракция.

ЛПОНП, ЛПНП и  ЛПВП путём эндоцитоза поглощаются  клетками печени, кишечника, почек, надпочечников, жировой ткани и разрушаются в лизосомах или микросомах.

Ресинтезированный жир в стенке кишечника соединяется  с небольшим  количеством белка  и образует стабильные комплексные  частицы, которые называются ХМ. Поскольку  размеры частиц большие, то они не могут проникать из эндотелия клеток кишечника в кровяные капилляры. Они диффундируют в лимфотическую систему кишечника, а из неё в грудной проток и в кровеносное русло. Уже после приёма пищи через 1,5-2 часа начинают расти концевые ХМ, которые достигают максимума к 4-6 часу после приёма жирной пищи.

Активное поступление  ХМ в печень, жировую ткань, где  под влиянием ферментов липопртеидлипаз (регулируются гепарином) они распадаются  с образованием глицерина и ВЖК. Часть ВЖК используется клетками, а часть с помощью транспортных белков крови. Завершается распад ХМ через 10-12 часов после приёма пищи.

Индекс  атерогенности – соотношение ХС в ЛПОНП, ЛПНП и ЛПВП.

К_атер = ( ХСлпнп + ХСлпонп ) / ХСлпвп. В норме индекс атерогенности 2-3, если же он выше 4, то очень велика вероятность развития атеросклероза.

Превращение липидов в тканях

В тканях постоянно  идут процессы распада и синтеза  липидов. Основную массу липидов  организма человека составляют ТГ, которые в клетке имеются в  виде включений. Период обновления ТГ в разных тканях составляет в среднем от 2 до 18 суток. Распад липидов происходит в лизосомах, в меньшей степени в микросомах и цитоплазме клеток при участии тканевых липаз. В результате тканевого липолиза образуются общие метаболиты: глицерин и ВЖК, окисление которых до конечных продуктов (воды и углекислого газа) сопровождается выделением большого количества энергии в виде АТФ.

Окисление глицерина в тканях тесно связано с гликолизом и гексодифосфатным путём путем превращения глюкозы, в который вовлекаются метаболиты глицерина по следующей схеме:

киназа  ↓  АТФ ® АДФ

дегидрогеназа   ↓    НАД ® НАДН₂, Н₂О, 3АТФ

дегидрогеназа, +Н₃РО₄    ↓     НАД ® НАДН₂

дифосфоглицераткиназа     ↓        АДФ®АТФ

фосфоглицеромутаза    ↓

          енолаза             ↓

фосфоенолпируваткиназа  ↓     АДФ®АТФ

+ HS-KoA, -СО₂,               |

ТПФ, липоевая кислота ↓ НАД®НАДН₂

[каждая молекула НАД·Н2 идет в митохондрии, где дает 3 молекулы АТФ]

Энергетический  эффект окисления глицерина: АТФ=(3+3+1+1+3+12)-1=22

Таким образом, энергетический эффект окисления 1 молекулы глицерина в кислородных условиях составляет 22 молекулы АТФ.

 

Окисление ВЖК в тканях изучал Кнопп (1904г), который показал, что процесс окисления ВЖК до конечных продуктов циклический. Он назвал окисление ВЖК b-окислением.

Все ВЖК, имеющие  чётное количество углеродных звеньев в цепи, обязательно окисляясь, укорачиваются в результате 1 бета цикла на 2 углеродных звена и проходят последнюю стадию превращения масляной кислоты, которая имеет свои особенности.

Ленинджером в 1949 году было установлено, что окисление  ВЖК идет в митохондриях. Линнен в 1954 году установил, что b-окисление в тканях сопровождается укорочением ВЖК на 2 углеродных звена. В дальнейшем Ац-КоА окисляется до конечных продуктов в ЦТК. Линнен описал все стадии окисления ВЖК. В наше время b-окисление ВЖК в тканях называется циклом Кноппа-Линнена.

Установлено, что  процесс b-окисления начинается в цитоплазме клеток с активации ВЖК. Биомембраны митохондрий для ВЖК не проницаемы и их транспорт внутрь митохондрий возможен только при участии азотистого основания – карнитина. Ацил-КоА в цитоплазме соединяется с карнитином при участии трансферазы. Образовавшийся комплекс ацил-карнитин легко проникает в митохондрии. В межмембранном пространстве уже при участии митохондриальных трансфераз этот комплекс распадается. Карнитин возвращается в цитозоль, а ВЖК подвергается окислению в матрице. Т.о. карнитин выполняет роль челнока для ВЖК между цитоплазмой и митохондриями.

[рис. R-CH₂-CH₂-COOH (это ВЖК)® (Ацил-КоА-синтетаза, АТФ®АДФ+Фн, +HS-KoA) R-CH₂-CH₂-COSKoA (это ацил-КоА)®(дегидрогеназа, ФАД®ФАДН₂, Н₂О, 2АТФ) R-CH=CH-COSKoA (это еноилацил-КоА)®(еноилацилКоА-гидратаза, +Н₂О)       R-CH(ОН)-CH₂-COSKoA (это b-гидроксиацил-КоА) ®(дегидрогеназа, НАД®НАДН₂, Н₂О, 3АТФ) R-C(O)-CH₂-COSKoA (это b-кетоацил-КоА) ® (тиолаза, +HS-KoA) R-COSKoA (это ацил-КоА) + CH₃-COSKoA (это ацетил-КоА, идет в ЦТК где выделяется 12 АТФ)]

Так идет окисление всех ВЖК. В результате одного b-цикла выделяется 5 молекул АТФ, АцКоА включается в ЦТК и дает еще 12 молекул АТФ. Т.о. в результате окисления 2-х углеродных атомов цепи ВЖК выделяется 17 молекул АТФ.

Окисление масляной кислоты.

Масляная кислота® бутирил-КоА® кротонил-КоА® b-гидроксибутирил-КоА® ацетоацетил-КоА. Особенность последней стадии окисления ВЖК в том, что в тиолазной реакции образуется 2 молекулы Ац-КоА, одна из которых не проходила начальный этап b-окисления с выделением 5 молекул АТФ.

 

АТФ(ВЖК)=n/2*17-6, где:

n – количество  углеродных звеньев ВЖК;

17 - количество  молекул АТФ, выделяющееся в  результате 1 бета цикла окисления  (12 – ЦТК, 5 – само b-окисление);

6 (1+5): 1 - та молекула  АТФ, которая поглощается при  активировании ВЖК;

5 – количество  АТФ, которые не выделяются  на последней стадиях окисления при превращении масляной кислоты.

 

Окисление ВЖК, имеющих нечётное количество углеродных звеньев.

Такие ВЖК поступают  в организм человека с пищей морских  организмов, растений, мяса жвачных  животных и растений. Окисление происходит также, как и ВЖК, имеющих чётное число углеродных звеньев, но только до последней стадии, когда образуется пропионил-КоА.

CH₃-CH₂-COSKoA (это пропионил-КоА)® (карбоксилаза, биотин), +СО₂, +Н₂О, АТФ®АДФ+Фн) СООН-СН(СН₃)-СOSKoA (это метитмалонил-КоА) ®(мутаза) СООН-СН₂-СН₂-СOSKoA (это сукцинил-КоА)

Образующийся  сукцинил-КоА является одним из метаболитов  ЦТК, куда он вовлекается для своего дальнейшего окисления.

ВЖК, окисляясь  в клетке, дают большое количество энергии в виде макроэргических  связей в молекулах АТФ, которая (энергия) используется мышцами (сердечной, скелетными), нервной тканью, при длительных физических нагрузках, в стрессовых ситуациях.

Биосинтез глицерина  и ВЖК в тканях

Биосинтез глицерина в тканях тесно связан с метаболизмом глюкозы, которая в результате катаболизма проходит стадии образования триоз. Глицеральдегид–3–фосфат в цитоплазме под влиянием глицерол–дегидрогеназы (НАДН₂) превращается в глицерол–3–фосфат, занимающий центральное место в биосинтезе простых и сложных жиров. Глицерол–3–фосфат, ацилируясь, превращается в фосфатидную кислоту, из которой образуются нейтральные и сложные жиры (ФЛ).

 

Биосинтез ВЖК в тканях происходит в эндоплазматической сети. Исходным материалом синтеза ВЖК в тканях является ацетил-КоА, который в цитозоль поступает из митохондрий, где образуется при окислении метаболитов белков, углеводного и липидного обменов. Также может образовываться  из цитрата, который в силу ряда причин (при гиподинамии, избыточном питании), когда значительно снижается интенсивность окислительных процессов в ЦТК (в митохондриях) выходит в цитозоль, тем самым стимулируя синтез ВЖК. Цитрат в цитозоле под влиянием лиазы  распадается на АцКоА и ЩУК. АцКоА участвует в биосинтезе ВЖК, а ЩУК при участии малатдегидрогеназы (НАДН₂) восстанавливается до малата, который возвращается в митохондрии, где вновь окисляется до ЩУК. Тем самым завершается внутренний челночный цикл.

Условием для биосинтеза ВЖК в тканях:

- наличие ацетил-КоА;

- наличие НАДФН₂, поступающего для реакции синтеза из пентозного цикла;

- наличие специальных белков-переносчиков (НS–АПБ-ацил переносящие белки);

- наличие энергии  в форме АТФ; СО₂; Н₂О;

- наличие ферментов  синтеза ВЖК.

Процесс биосинтеза ВЖК циклический. Каждый цикл включает 6 этапов. Ацетил-КоА используется только на 1 этапе, как “затравка синтеза” с образованием 3-х углеродного соединения малонил-КоА.

1 этап – образование малонил-КоА:

СН₃-СОSKoA (это ацетил-КоА)® (АцКоА-карбоксилаза (биотин), +СО₂, +Н₂О, АТФ®АДФ+Фн) СOOН-СН₂-СОSKoA (это малонил-КоА).

2 этап – перенос ацетила и малонила на специальные белки под действием соответствующих трансфераз:

СOOН-СН₂-СОSKoA (это малонил-КоА) ® (малонилтрансфераза, +HS-АПБ, -HS-KoA) СOOН-СН₂-СОSАПБ (это малонил-АПБ);

СН₃-СОSKoA (это Ац-КоА)®(ацилтрансфераза, +HS-АПБ, -HS-KoA) СН₃-СОSАПБ (это ацетил-АПБ).

3 этап – конденсация малонила и ацетила под влиянием синтетазы (конденсирующий фермент):

СOOН-СН₂-СОSАПБ (это малонил-АПБ) + СН₃-СОSАПБ (это ацетил-АПБ)®(конденсирующий фермент, -СО₂, -HS-АПБ) СН₃-С(О)-СН₂-СОSАПБ (это ацетоацетил-АПБ).

4 этап – восстановление b-кетоацетила-АПБ при участии редуктазы (НАДФН₂):

СН₃-С(О)-СН₂-СОSАПБ (это ацетоацетил-АПБ)® (редуктаза, НАДФН₂®НАДФ) СН₃-СН(ОН)-СН₂-СОSАПБ (это b-гидроксибутирил-АПБ).

5 этап – дегидратация b-гидроксибутирила-АПБ:

СН₃-СН(ОН)-СН₂-СОSАПБ (это b-гидроксибутирил-АПБ)®(дегидратаза, -Н₂О) СН₃-СН=СН-СОSАПБ (это кротонил-АПБ или еноилацетил-АПБ).

6 этап – восстановление еноилацетила-АПБ при участии редуктазы (НАДФН₂):

СН₃-СН=СН-СОSАПБ (это кротонил-АПБ)®(редуктаза, НАДФН₂®НАДФ) СН₃-СН₂-СН₂-СОSАПБ (это бутирил-АПБ).

 

Т.о., в результате первого  цикла синтеза ВЖК  образуется 4-х углеродный фрагмент. Далее, в зависимости от того какую  ВЖК в клетке нужно синтезировать, будут последовательно и циклично присоединяться молекулы малонил-КоА. Завершается синтез любой ВЖК реакцией гидролиза с участием фермента деацилазы: R-СН₂-СН₂-COSАПБ ®(деацилаза, +Н₂О, -HS-АПБ) R-СН₂-СН₂-COОН (это ВЖК).

Для расчета  количества молекул АТФ, необходимых для синтеза ВЖК, а также количества синтеза и количества молекул малонил-КоА можно воспользоваться формулой: n/2-1, где n – количество углеродных атомов ВЖК.