Анаболизм липидов. Биосинтез жирных кислот. Обмен холестерола. Синтез кетоновых тел. Биохимия атеросклероза
Подготовка к занятию поможет сформировать знания студентов об анаболизме липидов, биосинтезе ТАГов и фосфолипидов, о нарушении синтеза фосфолипидов как причине жирового гепатоза, о кетогенезе и значении его для организма в норме и при патологии, а также добиться усвоения ими вопросов обмена и транспорта холестерола в организме, биохимии атеросклероза, и сформировать навыки по трактовке биохимических анализов при постановке диагноза и проведению дифференциальной диагностики нарушения обмена липидов.
Методические указания к самоподготовке
Вопросы к разделу
1.Анаболизм липидов.
2.Эндогенный синтез глицерина. Эндогенный синтез высших жирных кислот. Субстраты. Ферменты. Локализация процессов.
3.Синтез нейтральных жиров в гепатоцитах и в адипоцитах. Особенности.
4. Эндогенный синтез фосфолипидов в печени на примере фосфотидилхолина. Механизм активации холина. Нарушение синтеза фосфолипидов в печени из-за дефицита холина – одна из причин жирового гепатоза.
5.Эндогенный синтез холестерола. Химизм начальных стадий до образования мевалоновой кислоты, далее схематично. Регуляция процесса. Особенности транспорта холестерола в ткани и из тканей.
6. Синтез кетоновых тел.
Заполните таблицу 16 и 17 для подготовки к практическому занятию.
Таблица 16. Анаболизм липидов
| Задание | Указания к выполнению задания |
| Изучите тканевый синтез жирных кислот. | 1. Напишите структурные формулы: а) биотина; б) 4¢-Фосфопантотеина. 2. Напишите этапы синтеза жирных кислот и ферменты синтетазного комплекса.Укажите субстраты, сокализацию процесса. 3. Каким образом синтез жирных кислот связан с апотомическим окислением глюкозы? 4. Напишите структуру несинтезируемых в организме человека ненасыщенных жирных кислот семейств ω-3 и ω-6 (витамина F). |
| Изучите тканевый синтез нейтрального жира. | 1. Напишите реакции активации жирных кислот и глицерина, синтеза нейтрального жира. 2. Поясните абсолютную необходимость глюкозы для синтеза жира в жировой клетке и ее биологическую роль в данном процессе. Каковы особенности синтеза жиров в гепатоцитах и адипоцитах. |
Таблица 17.Обмен холестерина
| Задание | Указания к выполнению задания |
| Изучите переваривание и всасывание холестерина. | 1. Напишите структуру холестерина, выделите гидрофильную и гидрофобную части в его молекуле. Впишите нормы содержания холестерина в сыворотке крови. 2. Как происходит переваривание стеридов и всасывание холестерина в кишечнике. |
| Изучите тканевой обмен стеридов и холестерина. | 1. Схематически изобразите скваленовый путь биосинтеза холестерина, выделите ключевой регуляторный фермент. 2. Изучите особенности транспорта холестерина в плазме крови. Перечислите транспортные липопротеины плазмы крови. Зарисуйте принципиальное устройство липопротеиновой частицы. Какова роль и значение ЛПОНП, ЛПНП, ЛПВП, лецитинхолестеролацилтрансферазы (ЛХАТ) в транспорте холестерина? Что такое a- и b- холестерин? 3. Этерификация как способ депонирования и обмена холестерина в биомембранах. Напишите реакции, катализируемые ферментами АХАТ и ЛХАТ. 4. Напишите пути превращения холестерина в коже, печени, половых железах, коре надпочечников. 5. Какова роль холестерина в возникновении желчных камней, атеросклероза? |
| Изучите строение желчных кислот и их роль в переваривании и всасывании липидов. | 1. Напишите структурные формулы желчных кислот: а) холевой, б) дезоксихолевой, в) хенодезоксихолевой, г) литохолевой. 2. Объясните общность строения желчных кислот и холестерина. 3. Что такое вторичные желчные кислоты, какова их биологическая роль? Напишите формулы таурохолевой и гликодезоксихолевой кислот. 4. Какие функции выполняет желчь в переваривании жира? |
| Изучите обмен глицерофосфолипидов. | 1. Напишите схему последовательного расщепления лецитинов (фосфатидилхолина) под влиянием фосфолипаз. 2. Напишите химизм синтеза фосфоглицеридов из фосфатидной кислоты. 3. Напишите химизм синтеза фосфоглицеридов из диглицерида и активных остатков азотистых оснований. 4. Объясните, в чем заключается механизм липотропного действия холина, инозита, метионина. |
| Изучите регуляцию обмена жира. | 1. Охарактеризуйте влияние характера питания на обмен нейтрального жира и холестерина. 2. Напишите липолитические и липогенетические гормоны. 3. Разберите молекулярные механизмы действия на обмен жира адреналина, норадреналина, СТГ, тироксина, инсулина, простагландинов, половых гормонов. |
| Изучите пути использования ацетил-КоА в клетке | 1. Схематически представьте пути использования ацетил-КоА в клетке. 2. Напишите структуру кетоновых тел. 3. Напишите химизм синтеза кетоновых тел в печени и их распада в других тканях. Какова биологическая функция кетоновых тел? 4. Почему правомерно утверждение: “Жиры сгорают в пламени углеводов”? |
Примеры заданий для контроля исходного уровня знаний
Выберите правильный ответ
1. ФЕРМЕНТОМ, КАТАЛИЗИРУЮЩИМ КЛЮЧЕВУЮ РЕГУЛЯТОРНУЮ РЕАКЦИЮ СИНТЕЗА ХОЛЕСТЕРОЛА ЯВЛЯЕТСЯ
1) ацилКоА:холестеролацилтрансфераза
2) тиолаза,
3) гидрокисиметилглутарил-КоА-синтаза
4) гидрокисиметилглутарил-КоА-редуктаза
2.ФЕРМЕНТ, КАТАЛИЗИРУЮЩИЙ РЕАКЦИЮ H2N-CH2-CH2-OH + АТФ → H2N-CH2-CH2-O-Р + АДФ
1) глицеролкиназа,
2) этаноламинкиназа,
3) холинкиназа,
4) ацилтиокиназа
3.В МОЛЕКУЛЕ ХОЛЕСТЕРОЛА КОЛИЧЕСТВО АТОМОВ С ИЗ АЦЕТИЛ-Ко А
1) 35
2) 21
3) 27
4) 24
5) 15
Установите правильную последовательность событий.
4. ПРИ АССИМИЛЯЦИИ ЭКЗОГЕННОГО ХОЛЕСТЕРОЛА ПРОИСХОДИТ
1) Реакция под действием фермента АХАТ
2). Транспорт в составе хиломикронов
3) Всасывание в составе смешанных мицелл
3). Захват ХМ ост. гепатоцитами
4) Гидролиз эфиров холестерола под действием холестеролэстеразы
Выберите правильные ответы
5. ФЕРМЕНТ ГМГ-КоА-РЕДУКТАЗА АКТИВЕН ПРИ
1) Снижении концентрации глюкозы в крови
2) Действии на него киназы
3) Повышении секреции инсулина
4) Поступлении избытка холестерола с пищей
5) Действии на него фосфатазы
Выберите правильные ответы.
6. НЕОБХОДИМО СДЕЛАТЬ РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТА АТЕРОГЕННОСТИ, ЕСЛИ СОДЕРЖАНИЕ ХОЛЕСТЕРОЛА
1) 260 мг/дл
2) 150 мг/дл
3) 240 мг/дл
4) 4,8 мМоль/л
5) 6,8 мМоль/л
Установите правильную последовательность событий
7. ПРИ ТРАНСПОРТЕ ХОЛЕСТЕРОЛА ИЗ ПЕЧЕНИ В ДРУГИЕ ТКАНИ ПРОИСХОДИТ
1) Взаимодействие апоВ-100 с ЛПНП-рецепторами Б. Образование ЛППП
2) Формирование структуры ЛПОНП незр.
3) Действие ЛП-липазы
4) Перенос апоЕ и С-II с ЛПВП на ЛПОНП
5) Синтез апоВ-100
8. В ХОДЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЙ ЛПВП ПРОИСХОДИТ
1) Образование ЛПВП3
2) Перенос апоС-II и апоЕ на хиломикроны и ЛПОНП незр
3) Формирование ЛПВП незр.
4) Этерификация холестерола под действием ЛХАТ и его перенос с
поверхности клеток внутрь ЛПВП
5) Превращение ЛПВП3 в ЛПВП2
Выберите правильные ответы.
9. РИСК РАЗВИТИЯ ЖЕЛЧНОКАМЕННОЙ БОЛЕЗНИ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ ПРИ
1) Повышенной активности ГМГ-КоА-редуктазы
2) Повышенной активности 7а-гидроксилазы
3) Употреблении в основном растительной пищи
4) Потреблении избытка углеводов
5) Избыточном потреблении мясной пищи
10.РИСК РАЗВИТИЯ ГИПЕРХОЛЕСТЕРОЛЕМИИ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ ПРИ
1)Изменении структуры ЛПНП в результате перекисного окисления липидов
2) Мутациях в гене белка-рецептора ЛПНП
3) Гиперкалорийном питании
4) Снижении активности ГМГ-КоА-редуктазы
5) Значении коэффициента атерогенности, равном трем
Эталоны ответов на задания.
1. – 4), 2. – 2) 3.-3), 4.-5), 3), 1), 2), 4) 5. -3), 5), 6.- 6), 3), 5), 4), 2), 1),7.- 3), 2), 4), 1), 5) 8. -1), 4), 5), 9.- 1), 4), 5), 10.- 1), 2), 3).
Примеры ситуационных задач
Задача 1. У женщин содержание общего холестерина в крови и частота заболевания атеросклерозом ниже, чем у мужчин, однако желчнокаменная болезнь у них встречается в 3-4 раза чаще. Объясните эти особенности. Для этого перечислите факторы, способствующие и препятствующие образованию желчных камней. Опишите, как влияют эстрогены на обмен холестерина.
Ответ.Выделение холестерина в желчь должно сопровождаться пропорциональным выделением желчных кислот и фосфолипидов, удерживающих гидрофобные молекулы холестерина в растворенном в виде мицелл желчи состоянии. При уменьшении образования желчных кислот и увеличении количества в желчи холестерина, последний выпадает в осадок, который постепенно становится более твердым. Эстрогены активируют на уровне транскрипции ГМГ-КоА-редуктазу – регуляторный фермент синтеза холестерина в печени и репрессируют 7-a- гидроксилазу регуляторный фермент синтеза желчных кислот. Такое влияние эстрогенов объясняет, почему желчнокаменная болезнь у женщин встречается чаще, чем у мужчин. Кроме того, эстрогены активируют на уровне транскрипции синтез ЛПНП-рецепторов гепатоцитов, что приводит к уменьшению содержания ЛПНП и общего холестерина в крови и увеличению холестерина в печени, и объясняет то, что частота заболевания атеросклерозом у женщин ниже по сравнению с мужчинами.
Задача 2. У больного по результатам биопсии в гепатоцитах обнаруживаются вакуоли с жиром и поставлен диагноз жировой инфильтрации печени. Объясните возможные механизмы этого явления. Какую диету Вы порекомендуете при этом? Почему метионин используется при лечении ряда заболеваний печени, в частности в качестве вещества, уменьшающего риск развития жирового перерождения печени.
Ответ. Жировая инфильтрация печени развивается при нарушении баланса между скоростью синтеза жиров в печени и скоростью выведения их из печени в кровь в составе ЛПОНП. Особенно закономерно жировая инфильтрация печени возникает при хронической алкогольной и другой интоксикации, при декомпенсированном сахарном диабете, ожирении, белковой недостаточности, в том числе алиментарной, при отравлении различными токсическими соединениями (четырехлористый углерод, фосфор и др.), при дефиците липотропных веществ.Известны два основных типа жировой инфильтрации печени: 1) стимуляция липолиза в жировой ткани, в ЛПОНП и ХМ повышает концентрацию свободных жирных кислот (СЖК), в том числе синтез триацилглицеринов (ТАГ), только часть ТАГ секретируется в составе ЛПОНП, остальные накапливаются. 2) нарушение образования липопротеинов (ЛП) по разным причинам: а) ингибирование синтеза белковой части ЛП (например, хлороформом, тяжелыми металлами, четыреххлористым углеродом), б) блок образования ЛП из липидов и белков; в) нарушение синтеза фосфолипидов, которые являются важными компонентами ЛП. Синтез фосфолипидов может лимитироваться дефицитом ненасыщенных ЖК, холина или доноров метильных групп (метионин и др.), называемых липотропными веществами; в) нарушение собственно секреторного механизма. Для профилактики и лечения назначается диета с повышенным содержанием белков, ограничением жиров, особенно тугоплавких животного происхождения. Рекомендуется творог, белок которого казеин содержит много метионина – незаменимой аминокислоты, являющейся донором метильных групп, необходимых для синтеза фосфатидилхолина.
Задача 3.Одно из тяжелейших наследственных заболеваний – муковисцидоз, вызвано мутациями в гене белка, обеспечивающего транспорт ионов хлора через апикальную часть мембраны эпителиальных клеток. Проявляется в детском возрасте системной дисфункцией экзокринных желез.
Вследствие нарушения структуры этого белка анионы хлора задерживаются в клетке. Повышение концентрации Сl- усиливает приток в клетку Na+ и воды, тем самым обезвоживая секрет, продуцируемый экзокринными железами. Увеличение вязкости секрета закупоривает протоки экзокринных желез.
Поражаются те органы, в эпителиальных клетках которых нарушена функция хлорных каналов. Это – верхние и нижние дыхательные пути, потовыводящие протоки, выводные протоки слюнных желез, поджелудочной железы, желчевыводящие пути, кишечник, семявыносящие протоки у мальчиков.
Один из часто поражаемых органов – желчевыводящие пути, у всех больных муковисцидозом при УЗИ выявляется картина холестаза, на этом фоне у 15% больных развивается желчнокаменная болезнь.
Объясните причину возникновения болезни.
Для этого:
а) назовите основной компонент желчи, поддерживающий холестерол в растворенном состоянии; представьте схему его синтеза;
б) опишите механизм формирования желчных камней;
в) предложите варианты лечения.
ОТВЕТ:
а) Желчные кислоты.
Рисунок 21.Синтез желчных кислот.
б) При нарушении баланса (соотношения концентраций) между желчными кислотами и холестерином последний может осаждаться на эпителии желчного пузыря; со временем образовавшийся осадок пропитывается ионами кальция и становится твердым, образуется камень.
в) Способы лечения:
• растворение камней препаратами, содержащими желчные кислоты;
• снижение синтеза холестерина благодаря ингибированию ГМГ-КоА-редуктазы;
• хирургическое вмешательство.
Задача 4.Безуглеводная диета доктора Аткинса и ее разновидность – «кремлевская» – одни из самых популярных в наши дни. Суть их в том, что необходимо резко ограничить поступление углеводов с пищей (не более 15 г в день), а жиры и белки можно есть свободно (в разумных количествах).
Объясните, почему при столь обильном потреблении жиров человек сбрасывает вес? Каковы возможны негативные последствия такой диеты?
Для ответа:
а) объясните, как повлияет диета на синтез инсулина и почему;
б) изобразите схему синтеза и гидролиза ТАГ в жировой ткани. Покажите на схеме, какие процессы усиливаются и подавляются у человека, сидящего на такой диете;
в) укажите, концентрация каких липопротеинов повысится в крови при этой диете;
г) напишите реакции синтеза кетоновых тел в печени и укажите, как изменится скорость этого метаболического пути у человека, придерживающегося «кремлевской» диеты; объясните, к каким негативным последствиям может привести подобная диета.
ОТВЕТ:
а) У человека, придерживающегося такой диеты, резко снижено потребление углеводов с пищей, в результате чего не наступает алиментарная гипергликемия. Глюкоза – важнейший (хотя и не единственным) фактор, стимулирующий синтез и секрецию инсулина β-клетками поджелудочной железы. Проникая в β-клетки, глюкоза подвергается процессу гликолиза, благодаря чему увеличивается внутриклеточное содержание АТФ. Последний, блокируя АТФ-зависимые калиевые каналы, вызывает деполяризацию клеточной мембраны. В β-клетки поступают ионы кальция (через открывающийся потенциал-зависимые кальциевые каналы) и высвобождается инсулин способом экзоцитоза. Белок ГЛЮТ-2, переносящий глюкозу в β-клетки поджелудочной железы, имеет низкое сродство к глюкозе. Следовательно, при «кремлевской» диете, когда концентрация глюкозы в крови невысока, она медленно транспортируется в β-клетки и слабо влияет на секрецию инсулина. Секреция инсулина снижается.
б) (см. рис. 39)
в) Низкая секреция инсулина ослабляет синтез ЛП-липазы, что увеличивает содержание ЛПОНП и ХМ в крови. Жиры не депонируются в жировой ткани, а поступают в печень, где частично превращаются в ТАГ, транспортируемые из печени в составе ЛПОНП.
г) Активация липолиза в жировой ткани приводит к тому, что жирные кислоты поступают в печень в большем количестве, чем в норме, поэтому увеличивается скорость β-окисления. Скорость реакций ЦТК в этих условиях снижена, т.к. оксалоацетат используется для глюконеогенеза. В результате скорость образования ацетил-КоА превышает способность ЦТК окислять его. Ацетил-КоА накапливается в митохондриях печени и используется для синтеза кетоновых тел (см. рис. 40).
Увеличение скорости синтеза кетоновых тел резко повышает их содержание в крови – кетонемия и развитие метаболического ацидоза. Его симптомами бывают быстрая утомляемость, раздражимость, боли в желудке, тошнота.
Рисунок 22.Изменение скорости метаболических процессов в жировой ткани при низкой секреции инсулина
Рисунок 23.Синтез кетоновых тел в печени
Задача 5. Достаточное потребление аскорбиновой кислоты с пищей крайне важно для борьбы с атеросклерозом. Так, у морских свинок, рацион которых не содержал этого витамина, наблюдались гиперхолестеролемия и атеросклероз.
Объясните влияние недостатка витамина С на атерогенез. Какие еще симптомы наблюдаются при недостатке витамина С в пище?
Для ответа:
а) изложите, почему для описанного эксперимента выбрали морских свинок, а не лабораторных мышей;
б) опишите пути образования активных форм кислорода и их роль в ПОЛ и последствия ПОЛ жирнокислотных радикалов фосфолипидов, триацилглицеролов, эфиров холестерола в составе ЛПНП; назовите витамины, обладающие свойствами антиоксидантов и предотвращающие этот процесс;
в) напишите реакции синтеза желчных кислот; укажите роль витамина С в этом процессе, объясните, как отразится его недостаток на уровне холестерола в крови.
ОТВЕТ:
а) Характерная особенность метаболизма приматов (в том числе и человека) и морских свинок заключается в отсутствии возможности эндогенного синтеза витамина С, поэтому для этих животных аскорбиновая кислота – необходимый компонент пищи.
б) Источником активных форм кислорода в клетке может служить утечка электронов из ЦПЭ, ферменты окислительно-восстановительных реакций (ОВР), непосредственно восстанавливающие кислород, а также действие ионизирующих излучений и некоторых химических веществ. Радикалы кислорода способны запускать цепь свободнорадикальных реакций. Подобные реакции нарушают свойства мембран и образуют ковалентные сшивки между белками и липидами. В липопротеинах (ЛП) наблюдаются изменения в структуре апопротеинов и липидов, что нарушает их связывание с рецепторами и вызывает фагоцитоз макрофагами с помощью скевенджер-рецепторов.
Витамины-антиоксиданты (С и Е) защищают клетки от ПОЛ. Причем витамин Е, будучи липофильным соединением, располагается в мембранах клеток и служит основным восстановителем свободных радикалов жирных кислот. Витамин С инактивирует гидрофильные (супероксид-анион, гидроксильный радикал и перекись водорода) свободные радикалов в цитозоле и восстанавливает окисленную форму витамина Е, поддерживая таким образом необходимую концентрацию последнего в мембранах клеток.
в) В реакциях синтеза желчных кислот витамин С представляет собой кофермент гидроксилаз (они служат изоформами цитохрома Р-450), осуществляющих введение ОН-группы в 7-е и 12-е положение. При недостатке витамина С образование желчных кислот на стадии 7α-гидроксилирования тормозится, блокируя основной путь выведения холестерола из организма, что приводит к гиперхолестеролемии и увеличению риска атеросклероза. Кроме того, повышается вероятность образования желчных камней.
Рисунок 24.Синтез желчных кислот в печени