Метаболизм углеводов и липидов

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЧИТИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

БИОХИМИЯ

Метаболизм углеводов и липидов

Учебное пособие

Чита, 2013

УДК 612.015.3:577. 125 (075.8)

ББК 28.072я73

Гомбоева А.Ц., Никитина Л.П.

Биохимия: Метаболизм углеводов и липидов: Учебное пособие. – Чита : ИЦЦ ЧГМА, 2013. – 94 с.

В пособии приведены сведения о структуре и свойствах углеводов и липидов, изложены их метаболизм. Приведены примеры некоторых заболеваний, в генезе которых лежат нарушения углеводного и липидного обменов. Включены тестовые задания для оценки уровня усвоения изученного материала. Также предлагаются дополнительные творческие задания в форме написания и защиты реферата. В учебном пособии приведена методика написания, оформления и представления этого вида работы.

Данное пособие предназначено для студентов лечебного и педиатрического факультетов для самостоятельной работы как в аудиторное, так и внеаудиторное время и направлено на изучение современного материала по темам «Обмен углеводов» и «Обмен липидов» в соответствии с программой утвержденной для медицинских вузов.

Рецензенты:

Доцент кафедры биологии ГБОУ ВПО Читинской государственной медицинской академии к.б.н. Ларина Н.П.

Старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клинической биохимии и иммунологии НИИ медэкологии при ГБОУ ВПО ЧГМА, к.б.н. Максименя М.В.

СОДЕРЖАНИЕ

	Стр.
Список сокращений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 1.	Углеводный обмен
1.1.	Виды углеводов и их функции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.	Переваривание сложных глицидов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.	Судьба глюкозы в клетке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.	Гликогенолиз и гликогеногенез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.	Колебания величин глюкозы в крови, методы их изучения . .
1.6.	Метаболизм гетерополисахаридов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.	Регуляция и патология углеводного обмена . . . . . . . . . . . . . .
Тестовые задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 2. Метаболизм липидов
2.1.	Строение и функции липидов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.	Переваривание липидов пищи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.	Классификация и роль липопротеинов. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.	Катаболизм глицерола и высших жирных кислот
	2.4.1. Пути утилизации глицерола . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	2.4.2. Виды окисления высших жирных кислот. .. . . . . . . . . . .
2.5.	Анаболическая фаза обмена триацилглицеролов
	2.5.1. Синтез высших жирных кислот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	2.5.2. Кетогенез и его использование в клетке. . . . . . . . . . . . .
	2.5.3. Биосинтез триацилглицеролов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.	Судьба фосфолипидов в организме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.	Метаболизм стероидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.	Перекисное окисление липидов и антирадикальная защита .
2.9.	Регуляция обмена липидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10	Патология липидного обмена
	2.10.1. Ожирение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	2.10.2. Болезни обмена холестерола . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Тестовые задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ответы к тестовым заданиям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Методические рекомендации по написанию и оформлению рефератов
Рекомендуемая литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ:

АДФ – аденозиндифосфорная кислота

ц-АМФ – циклическая аденозиндифосфорная кислота

АО – антиоксидант

АПБ – ацил-переносящий белок

АРЗ – антирадикальная защита

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота

АФК – активные формы кислорода

АХАТ – ацетил-КоА-холестеролацилтрансфераза

ВЖК – высшая жирная кислота

ГАГ – глюкозоаминогликаны

ГА-3- Ф – глицеральдегид-3-фосфат

ГКС – глюкокортикостероиды

ГМГ – 3-гидрокси -3-метил-глутарат

ц-ГМФ – циклическая гуанозинмонофосфорная кислота

ГНГ – Глюконеогенез

ГФЛ – глицерофосфолипиды

ДАГ – диацилглицерол

ДГАФ –дигидроксиацетонфосфат

ДНК –дезоксирибонуклеиновая кислота

ЖКБ – желчно-каменная болезнь

ЖКТ – желудочно-кишечный тракт

ИА – индекс атерогенности

КА – катехоламины

КоА – кофермент А (кофермент ацилирования)

ЛДГ – лактатдегидрогеназа

ЛПВП – липопротеины высокой плотности

ЛПОНП – липопротеины очень низкой плотности

ЛП – липопротеины

ЛП-липаза – липопротеинлипаза

ЛППП – липопротеины промежуточной плотности

ЛХАТ – лецитинхолестеролацилтрансфераза

МАГ – моноацилглицерол

НАД – никотинамидадениндинуклеотид

НАДФ – никотинамидадениндинуклеотид фосфат

ОА – оксалоацетат

ПВК – пировиноградная кислота

ПНЖК – полиненасыщенные жирные кислоты

ПОЛ – перекисное окисление липидов

ПФП – пентозофосфатный путь окисления глюкозы

СРО – свободнорадикальное окисление

СФЛ – сфингофосфолипиды

ТАГ – триацилглицерол

УДФ – уридиндифосфорная кислота

УДФ-глюкоза – уридиндифосфат-глюкоза

УДФГК – уридиндифосфоглюкуроновая кислота

УТФ – уридинтрифосфорная кислота

ФАД –флавинадениндинуклеотид

ФЛ – фосфолипиды

ФМН – флавинмононуклеотид

ХМ – хиломикроны

ХС – холестерол

ЦДФ – цитидиндифосфорная кислота

ЦДФ-холин – цитидиндифосфат- холин

ЦТФ – цитидинтрифосфорная кислота

ЦТК – цикл трикарбоновых кислот

ЭТЦ – электронотранспортная цепь

ЭХС – эфиры холестерола

ВВЕДЕНИЕ

Жизнедеятельность клетки, ткани, органа и организма в целом состоит из бесчисленного множества физических и химических действий. Суть последних химические реакции. Распад органических соединений (углеводов, липидов) часто сопровождается высвобождением энергии, так необходимой для выполнения разнообразных функций.

Но как и все биоструктуры, эти вещества полифункциональны. Глюкоза стоит у истоков синтеза многочисленных биополимеров, служащих рецепторами, компонентами мембран, регуляторами процессов, защитниками от патогенов и т.д. Высшие жирные кислоты включаются в различные липиды, также имеющие огромное физиологическое значение. Поэтому изучение течения углеводного и липидного обменов, тесно сопряженных друг с другом, представляет для студентов особый интерес, поможет им уяснить отдельные звенья патогенеза многих заболеваний. При написании данного учебного пособия использован компетентностный подход: при работе с учебным пособием у студентов должны формироваться способность и готовность анализировать, интерпретировать социально значимые болезни, такие как ожирение, атеросклероз, сахарный диабет (ОК1, ПК1) и знать молекулярные механизмы развития названных заболеваний (ПК2, ПК5, ПК15).

ГЛАВА 1. УГЛЕВОДНЫЙ ОБМЕН

Виды углеводов и их функции

Первые органические соединения, которые стали называть углеводами, имели строение, где, кроме атомов углерода, содержались атомы водорода и кислорода в такой же пропорции, как и в молекуле воды (2:1), - отсюда их название. Очень редко используют термин – глициды (от слова glycos — сладкий). В настоящее время известны многочисленные вещества подобного рода.

Для удобства их изучения разработана классификация, основанная на особенностях строения (Приложение, рис. 1). К простым углеводам (моносахаридам) принадлежат молекулы, неспособные к гидролизу, включающие в свой состав карбонильную (=С=О) и спиртовую ( -СН-ОН) группы. В зависимости от количества содержащихся атомов углерода выделяют ди-, три-, тетр-, пент-, гекс-, гепт- и др. -озы. Окончанием -оза завершается термин, обозначающий несложный углевод (рибоза, глюкоза, лактоза, сахароза и т. д.) (Приложение, рис. 2 и рис. 3). Важнейшей из гексоз является глюкоза, основное предназначение которой высвобождение энергии при распаде. Это единственное соединение, способное служить источником энергии в условиях дефицита кислорода, что для клетки имеет жизненно важное значение при постоянной угрозе вероятности гипоксии (например, пережатие сосуда при длительном нахождении в неудобной позе). Кроме того, глюкоза используется тканями для синтеза самых разных углеводов и их производных (УДФГК, выполняющая обезвреживающую функцию в печени). Другой же сходный по строению с ней моносахарид – галактоза (отличающийся лишь положением гидроксила у одного из атомов углерода) используется организмом совсем для иных целей. Это обязательный компонент гликолипидов и гликопротеинов, которые входят в состав клеточных и органоидных мембран, также могут быть кирпичиком макромолекул, формирующих хрящевую и другие виды соединительной ткани, участвовать в обеспечении иммунного ответа, отвечать за группоспецифичность крови, помогать в работе рецепторов и т. д.

Среди пентоз особая роль принадлежит рибозе и дезоксирибозе. Макромолекулы рибо- и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) получили свое название из-за наличия в них названных моносахаридов. От работы полинуклеотидов зависят нормальное функционирование репродуктивной системы и также непрекращающийся синтез белковых молекул в клетке. Нуклеиновые кислоты, являясь биополимерами, состоят из мономеров, которые могут также сохраняться в первозданном виде и обеспечивать жизнедеятельность тканей.

Например, АТФ — универсальный макроэрг; данное соединение и его аналоги (ГТФ, ЦТФ, УТФ) служат источниками энергии для различных процессов (синтеза, транспорта, сокращения, передачи нервных импульсов и т. д.). Циклические мононуклеотиды (ц-АМФ, ц-ГМФ) – вторичные посредники, работающие окончательными передатчиками информации от верхних отделов регуляторных систем к органоидам клетки. Есть еще один мононуклеотид, выполняющий специфическую функцию — кофермент дегидрогеназ (ФМН). Подобную роль играют и более сложные вещества — динуклеотиды (НАД⁺, НАД⁺Ф, ФАД и их аналог HSKoA).

Дисахариды регистрируется в продуктах питания (в молоке - лактоза, в свекле, меде — сахароза, грибах — трегалоза); попадая в ЖКТ человека, они гидролизуются до своих монопроизводных, в таком виде всасываются и используются. Лишь лактоза может синтезироваться в молочных железах женщин и быть в составе грудного молока жизненно важным компонентом в питании младенцев.

Олигосахариды, включающие от 2 до 10 мономеров, обычно служат звеньями других сложных веществ неуглеводной природы, входя в состав гликопротеинов или гликолипидов.

Полисахариды в зависимости от включенных субъединиц делятся на гомо- и гетероструктуры. Первые содержат одинаковые звенья: в крахмале и гликогене регистрируют только α-глюкозу, в клетчатке – ее β-аналог. В итоге крахмал легко разрушается в ЖКТ, а клетчатка на это не способна. Гликоген, откладываясь в клетках, при необходимости используется в качестве источника глюкозы, когда содержание последней в плазме крови или миоцитах уменьшается. Особенно много его накапливается в печени (до 6% от ее массы) и, конечно, в мышцах (до 1%).

Громадные мицеллы, формирующиеся из моносахаридов, их производных (амино-, ацетил-, сульфо-) являются гетерополисахаридами. Если их состав включает только вышеперечисленные компоненты, то такие вещества называют гликозамингликанами (ГАГ) (старый термин –мукополисахариды). Основные представители: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, дерматансульфат, кератансульфат — фундамент различных видов соединительной ткани, а гепарин, чаще синтезируемый тучными клетками печени — естественный антикоагулянт. Первые, имея сетчатую структуру, выполняют функцию молекулярных фильтров, а поскольку включают многочисленные полярные группировки (НО-, Н₂N- и т. д.), способные образовывать водородные связи с молекулами воды, могут служить в качестве ее депо и различных катионов. ГАГи формируют также защитную оболочку эпителия многих полых органов, в первую очередь, кишечника, которую называют гликокаликсом. К гетерополисахаридам принадлежат также протеогликаны и липогликаны, которые выполняют чаще пластическую функцию, а первые еще могут быть рецепторами, антителами, регуляторами, ферментами.

Функции углеводов в организме многообразны:

· Энергетическая – преимущество углеводов состоит в их способности окисляться как в аэробных, так и в анаэробных условиях (глюкоза).

· Защитно-механическая – сложные глициды составляют основное вещество трущихся поверхностей суставов, находятся в сосудах и слизистых оболочках (гиалуроновая кислота и другие гликозаминогликаны).

· Опорно-структурная– ГАГи включены в состав протеогликанов, например, хондроитинсульфат в соединительной ткани.

· Гидроосмотическаяиионрегулирующая– гетерополисахариды обладают высокой гидрофильностью, отрицательным зарядом и, таким образом, удерживают Н₂О, ионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ в межклеточном веществе, обеспечивают тургор кожи, упругость тканей.

· Кофакторная– гепарин является кофактором липопротеинлипазы плазмы крови и ферментов свертывания крови (инактивирует тромбокиназу).

Судьба глюкозы в клетке

Доставленный к клетке током крови моносахарид легко диффундирует в цитозоль. Для его проникновения в липо-, мио-, гепатоциты требуются специальные белки-переносчики – ГЛЮТ-4, которые активируются инсулином. По этой причине гипоинсулинизм в мышечной ткани вызывает энергетический голод, в адипоцитах тормозит синтез жиров, а в инсулиннезависимых органах избыток глюкозы оказывает токсическое действие.

У здорового человека данный моносахарид по мере поступления в цитозоль клеток активируется с помощью гексокиназы с образованием глюкозо-6-фосфата (рис. 1).

Рис. 1. Активация глюкозы

Его дальнейшая судьба в большинстве клеток однотипна (рис. 2). Большая часть подвергается распаду.

Рис. 2. Судьба глюкозы в клетке

Основной путь – гликолиз (греч. glucose – сладкий, lysis – распад) – распад глюкозо-6-фосфата, протекающий с высвобождением энергии. Этот процесс не зависит от наличия кислорода, но и количество образовавшихся в нем молекул АТФ при гипоксии – невелико. Причем конечным продуктом распада глюкозы в этих условиях является лактат, способный накапливаться, что проявляется местным ацидозом и болями в мышцах.

Этапы гликолиза

В гликолизе можно выделить два этапа: первый заключается в поляризации С–С-связи, что приводят после ее разрушения к образованию двух молекул триозофосфатов (ГА-3-Ф и ДГАФ). После изомеризации получившийся ГА-3-Ф подвергается дальнейшим преобразованиям: окислению и субстратному фосфорилированию. Если в митохондриях кислорода достаточно и скорость ЭТЦ адекватна, то НАДН, образовавшийся при окислении глицеральдегид-3-фосфата, отдает восстановительные эквиваленты в процесс биологического окисления (Приложение, рис. 4). Для преодоления митохондриальных мембран в этом случае используется малат-аспартатный челночный механизм (рис. 3).

Продукт окисления триозофосфата – ПВК – легко преодолевает мембрану и подвергается окислительному декарбоксилированию до НАДН, ацетил-КоА, СО₂. Первое соединение конденсируется с оксалоацетатом, образованным при карбоксилировании ПВК, запуская цикл трикарбоновых кислот. ЦТК – основной поставщик восстановительных эквивалентов для биологического окисления и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования. В результате полного окисления 1 молекулы глюкозы может образоваться 38 молекул АТФ:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38АДФ + 38Ф_н = 6СО₂ + 44 Н₂О + 38 АТФ

Гипоксия сказывается на работе малат-аспартатного челночного механизма, накапливается НАДН+Н⁺, тем самым возникает, во-первых, угроза развития ацидоза, во-вторых, постоянно уменьшается концентрация окисленного НАД⁺, приводя к торможению скорости аэробного распада (включается анаэробный гликолиз) (Приложение, рис. 5). Для предотвращения подобных неблагоприятных последствий осуществляется следующая реакция:

Дальнейшее преобразование лактата возможно только в условиях нормоксии и протекают в печени, куда названная кислота доставляется из мест образования током крови. Для эритроцитов, где отсутствуют митохондрии, характерен только анаэробный гликолиз. В других тканях этот процесс выходит на первое место как источник энергии при различных видах гипоксии (анемиях, легочно-сердечной недостаточности и т. д.). Поступившая в гепатоциты молочная кислота с участием ЛДГ окисляется до пирувата, судьба которой описано выше.

При избытке АТФ в митохондриях ингибируются ферменты ЦТК, что провоцирует накопление цитрата. Выйдя из митохондрий в цитозоль, это соединение под действием АТФ–цитратлиазы распадается на свои исходные компоненты, один из которых – ацетил-КоА может идти или на синтез высших жирных кислот (ВЖК), включающихся позднее в нейтральные жиры, или холестерола (ХС) (в основном, в клетках печени), или же участвовать в реакциях ацетилирования углеводов.

Рис. 9. Реакции синтеза уридилдифосфатглюкозы (УДФ-глюкозы)

Фосфоглюкомутаза обратимо изомеризуетглюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза – энзим, осуществляющий ключевую реакцию синтеза. Её необратимость обусловливается гидролизом высвобождающегося при этом дифосфата (рис. 9).

Гликогенсинтаза образует α-1,4-гликозидные связи и удлиняет гликогеновую цепочку, присоединяя первый углеродный атом УДФ-глюкозы к четвертому атому углерода концевого остатка гликогена (рис. 10).

Рис. 10. Химизм реакции гликогенсинтазы

Амило-α-1,4-α-1,6-гликозилтрансфераза ("гликогенветвящий"фермент) переносит фрагмент (6 остатков глюкозы) на соседнюю цепь, образуя α-1,6-гликозидную связь (рис. 11).

Рис. 11. Роль гликогенсинтазы и гликозилтрансферазы в синтезе гликогена

Гликогенолиз

Гликоген печени расщепляется при снижении концентрации глюкозы в крови, прежде всего между приемами пищи. Через 12-18 часов голодания его запасы в органе полностью истощаются.

В мышцахколичество гликогена уменьшается обычно только во время физической нагрузки – длительной и/или напряженной, т.к. этот полисахарид необходим для обеспечения глюкозой работы самих миоцитов. Из-за отсутствия в них глюкозо-6-фосфатазы находящийся в клетках отрицательно заряженный эфир моносахарида не способен преодолеть цитолемму и выйти в кровь, что позволяет использовать гликоген только для собственных нужд.

В гликогенолизе непосредственно участвуют три фермента (рис. 12):

· Фосфорилаза гликогена разрывает α-1,4-гликозидные связи с отщеплением глюкозо-1-фосфата. Фермент работает до тех пор, пока до точки ветвления (α-1,6-связи) не останется 4 остатка глюкозы.

· α(1,4)-α(1,6)-Глюкантрансфераза – энзим, переносящий фрагмент трисахарида на другую цепь с образованием новой α-1,4-гликозидной связи. При этом на прежнем месте остается один остаток глюкозы и "открытая" действию катализатора доступная α-1,6-гликозидная связь.

· Амило-α-1,6-глюкозидаза, ("деветвящий" фермент) гидролизует последнюю с отрывом свободной (нефосфорилированной) глюкозы. В результате возникает цепь без ветвлений, вновь служащая субстратом для фосфорилазы.

Рис.12.Работа ключевых ферментов гликогенолиза

При этом в одной клетке не могут идти одновременно синтез и распад гликогена – это противоположные процессы с совершенно с разными задачами. Катаболизм и анаболизм гомополисахарида исключают друг друга или, по-другому, они реципрокны.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПЕДИАТРИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА

31. НЕПЕРЕНОСИМОСТЬ МОЛОКА ПИЩИ СВЯЗАНА СО СНИЖЕНИЕМ АКТИВНОСТИ В ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОМ СОКЕ ФЕРМЕНТА

1) амилазы

2) мальтазы

3) лактазы

4) амило-1,6-гликозидазы

32. ГАЛАКТОЗЕМИЯ ВОЗНИКАЕТ ПРИ НЕДОСТАТКЕ ФЕРМЕНТА

1) лактазы

2) фосфофруктокиназы

3) гексокиназы

4) галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы

33. ДИСАХАРИДОЗЫ – ЭТО ЗАБОЛЕВАНИЯ, ВЫЗВАННЫЕ

1) отсутствием дисахаридаз

2) отсутствием дисахаридов

3) накоплением дисахаридов в кишечнике

4) накоплением дисахаридов в печени

34. ГЛИКОГЕНОЗ – ЭТО ЗАБОЛЕВАНИЕ, ПРИ КОТОРОМ

1) нарушен распад гликогена

2) нарушен синтез гликогена

3) нарушено переваривание гликогена

4) нарушен синтез глюкозы

35. ПРИ ГЛИКОГЕНОЗАХ РЕКОМЕНДУЕТСЯ

1) диета, бедная углеводами

2) нормальная диета

3) частое кормление малыми порциями

4) диета, богатая белками

36. ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ГАЛАКТОЗЕМИИ НЕОБХОДИМО

1) активировать гликолиз

2) применять ингибиторы трансфераз

3) перевести ребенка на диету без молока и молочных продуктов

4) увеличить в пище количество белков

37. ПРИ НАСЛЕДСТВЕННОЙ НЕПЕРЕНОСИМОСТИ ФРУКТОЗЫ НУЖНО ИСКЛЮЧАТЬ ИЗ ПИЩИ

1) лактозу

2) сахарозу

3) мальтозу

4) крахмал

38. ОСНОВНЫМ ПРОЯВЛЕНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ГЛИКОГЕНОЗОВ БУДЕТ

1) изменение рН крови

2) гипергликемия

3) гипогликемия

4) глюкозурия

39. БЛОК ФЕРМЕНТА – ПЕЧЕНОЧНОЙ ФОСФОРИЛАЗЫ ХАРАКТЕРЕН ДЛЯ

1) болезни Мак-Ардля

2) болезни Хеуорса

3) галактоземии

4) фруктоземии

40. ДЛЯ СИНДРОМА ПФАУНДЛЕРА-ХЮРЛЕРА ХАРАКТЕРЕН

1) сцепленный с Х-хромосомой тип наследования

2) аутосомно-доминантный тип наследования

3) аутосомно-рецессивный тип наследования

4) материнский тип наследования

ГЛАВА 2. ОБМЕН ЛИПИДОВ

Строение и функции липидов

Липиды – это гетерогенный класс органических соединений, включающих высшие жирные кислоты, высшие спирты, их эфиры, а также связавшиеся с ними вещества нелипидной природы (Приложение, рис. 8).

Простые однокомпонентные липиды – высшие жирные кислоты (ВЖК), высшие спирты, в том числе сфингозин, холестерол (ХС) – не способны к гидролизу. Двукомпонентные липиды - сложные эфиры, то есть продукты взаимодействия ВЖК и различных спиртов (с глицерином – триацилглицеролы (ТАГ), с высшими ациклическими спиртами - воска, с ХС - его эфиры). Исключением служат церамиды, являющиеся амидами ВЖК и высшего ациклического аминоспирта – сфингозина.

Рис. 13. Судьба липидов в клетке

В состав сложных липидов входят полярные компоненты: фосфорилированные азотистые основания в фосфолипиды (ФЛ), моно-, олигосахариды в гликолипиды, полипептиды в протеолипиды, что делает их амфифилами.

Липиды имеют огромное значение для организма (рис. 13). ТАГ являются самой компактной и энергоемкой формой хранения энергии, запасаются в адипоцитах жировой ткани, которая кроме того выполняет теплоизолирующую и механическую защитные функции.

Во всех мембранах (клеточных и органоидных) основу составляет билипидный слой, включающий различные фосфо-, гликолипиды и ХС. Последний, кроме того, в коже преобразуется в холекальциферол (витамин D₃); в коре надпочечников и в половых железах из него синтезируются соответствующие гормоны; в печени – желчные кислоты (рис. 14).

Рис. 14. Пути использования эфиров холестерола в клетке

Около 50% ВЖК фосфолипидов мембран являются полиненасыщенными, что увеличивает текучесть и проницаемость. Такие ВЖК очень чувствительны к действию различных радикалов, в первую очередь, активных форм кислорода (АФК): супероксида аниона О₂^.- , пероксида водорода, радикала гидроксила и других, которые индуцируют свободно-радикальные процессы, в том числе перекисное окисление липидов (ПОЛ), чрезмерная активация которого сопровождает или служит причиной многих патологических состояний. В физиологических условиях эти процессы участвуют в самообновлении и репарации мембран, в синтезе биологически активных веществ (БА3).

Такие полиненасыщенные высшие жирные кислоты (ПНЖК), как арахидоновая и эйкозапентаеновая, подвергаясь реакциям пероксидации, образуют эйказоноиды (простагландины, лейкотриены, тромбоксаны), некоторые тканевые гормоны, регулирующие функции клеток. Арахидоновая, α-линоленовая, эйкозапентаеновая и докозагексаеновая кислоты не синтезируются в организме человека и относятся к незаменимым (эссенциальным), поэтому их объединяют под термином витаминF. По положению первой двойной связи от конечной Н₃С-группы их делят на ω₃ и ω₆ ПНЖК (Приложение, рис. 9). Рыбий жир включает много первых аналогов, они обладают сосудорасширяющим действием, а для ω₆ кислот характерны противовоспалительный, антиаллергический, иммунодепрессивный эффекты.

Гликолипидывыполняют рецепторные функции. Фосфатидилинозитол принимает непосредственно участие в передаче гормональных сигналов в клетку.

Переваривание липидов пищи

Катаболическая фаза для большинства липидов также складывается из трех стадий. Если молекула состоит из двух и более компонентов, то она гидролизуется; затем продукты подвергаются специфическому распаду. С пищей в организм ежедневно поступает до 80-150 г липидов. Основной вклад вносят ТАГ, наряду с глюкозой служащие главными источниками энергии. Жидкие жиры, содержащие в своем составе ПНЖК (витамин F), должны составлять не менее 1/3 ТАГ рациона.

Переваривание липидов начинается в ротовой полости, где продукты питания измельчаются и смачиваются слюной. У детей железы Эбнера, располагающиеся на дорсальной поверхности языка, секретируют лингвальную липазу, которая при нейтральных значениях рН среды слабоактивна (рН_опт 4,0-4,5). Из-за кислой среды желудка гидролиз липидов у взрослых не происходит, у грудничков его рН находится в пределах 6,5-7,0, что позволяет ферменту продолжать распад субстратов. У взрослых расщепление липидов начинается в двенадцатиперстной кишке. Обязательным условием переваривания является эмульгирование. Основную роль в этом процессе играют соли жёлчных кислот, входящие в состав жёлчи. Будучи амфифильными соединениями, они окружают каплю жира и способствуют ее дроблению на множество мелких капелек. Таким способом молекулы ТАГ становятся доступными для действия панкреатических липаз. В эмульгировании пищевого жира кроме того участвуют ионы К⁺, Na⁺, бикарбонаты сока pancreas и перистальтика кишечника.

Ключевой фермент гидролиза ТАГ-липаза синтезируется в поджелудочной железе и поступает в кишечник, где под действием трипсина активируется путем частичного протеолиза. Данный энзим разрушает сложноэфирные связи преимущественно в положениях 1 и 3, поэтому основными продуктами гидролиза являются свободные жирные кислоты и 2-моноацилглицеролы (рис. 15).

	ТАГ		ДАГ
			МАГ

МАГ

Глицерол

Рис. 15. Гидролиз пищевых жиров в тонком кишечнике

Затем специфическая изомераза переносит ацил из положения С₂ в С₁, после чего липаза может отщепить и этот остаток и освободить трехатомный спирт (рис. 15), но чаще к стенке тонкого кишечника подходят для всасывания продукты неполного распада: МАГ, ДАГ, а также глицерин, ВЖК. Как отмечено выше эффективность любой липазы зависит не только от рН среды, но и от присутствия эмульгаторов, дробящих крупные капли жира на мелкие, что делает молекулы доступными к действию энзима.

Глицерофосфатиды пищи гидролизуются фосфолипазами, эфиры холестерина – холестеролэстеразой. Продукты расщепления – ВЖК, МАГ, ДАГ, лизофосфатиды, холестерол образуют мицеллы с парными (глико-, таурохолевыми или хенодезоксихолевыми) кислотами. С ними же комплексируются липовитамины. Получившиеся структуры всасываются щеточной каемкой энтероцитов или мицеллярной диффузией, или эндоцитозом. В цитозоле клетки эти макромолекулы диссоциируют, высвободившиеся желчные кислоты возвращаются в печень (энтерогепатическая циркуляция), что позволяет использовать их неоднократно для обработки пищевых ТАГ и липовитаминов.

По vena portae в гепатоциты попадают также глицерин, короткоцепочечные жирные кислоты.

Большая часть всосавшихся веществ в клетках тонкого кишечника подвергаются ресинтезу. С помощью триацилглицеролсинтетазы формируются нейтральные жиры, холестерол с участием ацил-КоА реацилируется, по похожей схеме получаются фосфолипиды. Ресинтезированные ТАГ, ЭХ, ГФЛ связываются с апопротеинами энтероцитов, образуются стабильные комплексные частицы – хиломикроны (ХМ), которые выходят в лимфу и через грудной лимфатический проток попадают в систему верхней полой вены с дальнейшим достижением легких, после чего оказываются в большом круге кровообращения.

В кровотоке хиломикроны, встречаясь с ЛПВП обмениваются апопротеинами (рис. 16):

Рис. 16.Схема образования зрелых хиломикронов

Этот обмен очень важен, так как апоС₂ является кофактором ЛП-липазы, которая располагается в эндотелии капилляров скелетной, сердечной мускулатуры, жировой ткани, диафрагмы, селезенки, лактирующей молочной железы и гидролизует ТАГи в молекулах ХМ.

В жировой ткани, высвобождающиеся в результате гидролиза жирные кислоты участвуют в синтезе ТАГов, а в мышечной – выступают в роли субстрата окисления – источника энергии.

По мере продвижения хиломикронов в сосудистом русле они теряют ТАГи, уменьшаются в размерах, однако в них сохраняются ФЛ и ХС. Образующиеся структуры – ремнанты (остатки) в конечном итоге утилизируются в печени, куда попадают при помощи апоЕ и апоВ₄₈, используя рецептор-опосредованный эндоцитоз. Как и в метаболизме многих соединений, печень занимает ключевую позицию в процессах переработки, биосинтеза, иммобилизации липидов, т.е. играет роль диспетчера.

В промежутках между приемами пищи баланс липидов поддерживается их эндогенными аналогами, синтезированными гепатоцитами и адипоцитами. Из-за слабой полярности они транспортируются кровью в составе липопротеинов.

Катаболизм глицерола и ВЖК

Пути утилизации глицерола

В клетках печени, почек и тонкого кишечника глицерол подвергается окислению по следующей схеме (рис. 17):

Рис. 18.Катаболизм глицерола в клетках

Глицерол фосфорилируется и окисляется до дигидроксиацетонфосфата (ДГАФ), который вступает в гликолиз, повторяя судьбу глюкозо-6-фосфата. Избыток последнего заставляет последующие порции ГА-3-Ф отправляться в глюконеогенез (ГНГ).

Синтез высших жирных кислот

Анаболизм жирных кислот осуществляется в трех различных компонентах клетки. Основные этапы собственно синтеза протекают в цитозоле. В митохондриях и эндоплазматической сети происходит дальнейшее наращивание длины цепи ЖК, а также её превращение в ненасыщенную.

Регистрирются следующие цитоплазматические особенности конденсации

ацетил-КоА в пальмитат:

· Образование ВЖК идет во всех клетках, но наиболее интенсивно в печени, жировой ткани и лактирующей молочной железе.

· Ацетил-КоА – единственный субстрат в синтезе ЖК, является продуктом распада, главным образом, глюкозо-6-фосфата.

· Обязательным условием инициации процесса служит наличие малонил-КоА, предварительно образующегося из ацетил-КоА с использованием карбоксибиотина (витамина Н).

· Синтез осуществляется с помощью мультиферментного комплекса – синтазы жирных кислот, где центральную роль играет ацил-переносящий белок (АП2).

· Редуктаза этого комплекса в качестве кофермента использует НАДФН+Н⁺, источником которого является пентозофосфатный путь окисления глюкозы.

Ключевая реакция синтеза ВЖК:

От скорости течения этой реакции зависит интенсивность процесса в целом.

Мультиферментная система (рис. 23) принимает на себя оба соединения ацетил-КоА и малонил-КоА (1, 2). С помощью специфической синтазы (3) происходит конденсация данных ацилов с предварительным декарбоксилированием. Получившийся 3-кетоацил, который связан с АПБ участком, в дальнейшем последовательно восстанавливается и

		1 – АПБ-ацетилтрансфераза 2 – АПБ-малонилтрансфераза 3 – 3-кетоацил-АПБ-синтаза 4 – 3-кетоацил-АПБ-редуктаза 5 – 3-гидроксиацил-АПБ-дегидратаза 6 – еноил-АПБ-редуктаза 7 – АПБ (4-фосфопантетеин (В3)) 8 – тиоэстераза