Процесс метаболизма жиров в свою. Метаболизм жиров во время физической нагрузки. Превращения и передвижения митохондриального
Жировая ткань представляет собой главное хранилище жира в форме триглицеридов, причем у взрослого здорового человека количество ее составляет примерно 15% (10 кг у 70-килограммового мужчины - не так уж мало).
А например, в работе Filozof с соавт., которой исследовалась скорость окисления жиров у сбросивших вс. пациентов, имеющих ранее высокие степени ожирения, по сравнению с людьми, никогда не имеющими избыточного веса, за нормальное количество жира в теле взята средняя величина - 33±6%(!) при ИМТ 24,5±1 кг/м 2 .
Жировые клетки метаболически чрезвычайно активны. В периоды изобилия они, как и клетки печени, способны синтезировать жирные кислоты (ЖК) из углеводов, а в период лишений - поставлять их организму, освобождая из триглицеридов. Лдипоциты активно накапливают триглицериды, поступающие из ЖКТ в виде хиломикронов. Процесс отщепления ЖК от триглицеридов, входящих в состав хиломикронов, осуществляется свободной липопротеидлипазой, циркулирующей в крови и активирующейся гепарином, и липопротеидлипазой, локализованной в клетках кровеносных капилляров и также активирующейся гепарином. В принципе, любая ткань может потреблять жирные кислоты липидов хиломикронов, если она имеет соответствующую ферментную систему. Скорость высвобождения ЖК из адипоцитов резко возрастает под влиянием адреналина, в то время как связывание инсулина жировыми клетками снимает эффект адреналина и понижает активность липазы адипоцитов (см. Липолиз). При инсулинорезистентности такого торможения инсулином высвобождения ЖК из депо не происходит, что приводит к существенному повышению их концентрации в крови после приема пищи (в так называемый постпрандиальный период, от англ, prandial - обеденный). Нарушение липидного обмена затрудняет работу мембранных рецепторов за счет изменения структуры клеточных мембран, что усугубляет состояние инсулинорезистентности , и порочный круг замыкается.
Гидролитические ферменты . Жиры составляют важную часть пищи. Их частичный гидролиз происходит в пищеварительном тракте. Факт их переваривания вызывает некоторое недоумение, поскольку пищеварительные ферменты водорастворимы, а жиры гидрофобны. Объяснение этого факта состоит в том, что ферменты сорбируются на липидных субстратах, причем контакт между ними обеспечивается желчью, которая содержит желчные кислоты. Желчные кислоты, взаимодействуя с липидами, образуют очень тонкие и устойчивые эмульсии. Кроме того, желчные кислоты растворяют жирные кислоты, освобождающиеся в ходе ферментативного гидролиза, что позволяет возобновляться фермент-липидному комплексу.
Панкреатический сок содержит липазу, гидролизующую триглицериды до моно- и диглицеридов. В первую очередь отщепляются жирные кислоты от первичных атомов глицерина. В продуктах переваривания около половины молекул гидролизуются полностью до жирных кислот и глицерина. Фофолипиды гидролизуются фосфолипазой В, которая отделяет жирную кислоту по первичной спиртовой группе. Продукты переваривания всасываются в тонком кишечнике. Для всасывания также необходимо присутствие эмульгирующих веществ – желчных кислот и желчи. В кишечнике часть липидов ресинтезируется и в форме микроскопических капелек попадают в лимфатическую систему. В крови и лимфе липиды соединяются с белками, образуя липопротеиды. В крови присутствует фермент липопротеидлипаза, ее активирует гепарин. Эта липаза отделяет часть жирных кислот от триглицеридов. Кислоты соединяются с сывороточным альбумином и переносятся в печень.
Окисление жирных кислот . Идет во многих тканях, особенно в печени, легких, почках и сердце. Жирные кислоты окисляются по второму от карбоксильной группы углероду. Механизм β-окисления прояснился после открытия Липманом и Нахмансоном кофермента А, они выяснили механизм действия этого кофермента.
Стадии окисления жирных кислот .
1. Активация жирных кислот коферментом А. Под действием специфической тиолипазы жирных кислот КоА присоединяется тиоэфирной связью с карбоксильной группой жирной кислоты. Эта реакция протекает в области наружной мембраны митохондрий:
R-СН 2 -СН 2 -СООН + НS-КоА →
→R-СН 2 -СН 2 -СО~ S-КоА +АМФ+ ф
Реакция требует присутствия ионов марганца.
2. Проникновение ацил-КоА в митохондрию. Для прохождения через митохондриальную мембрану ацил-КоА должен прореагировать с аминированной оксикислотой – карнитином. Реакция катализируется ферментом карнитин-ацилтрансферазой.
Обратная реакция идет внутри митохондрии. Тиоэфирная связь разрывается. КоА может вернуться в цитоплазму, а может попасть для окисления в цикл Кребса.
Расщепление пальмитиновой кислоты, имеющей 16 атомов углерода происходит следующим образом:
Сначала образуется пальмитоил-КоА
3. Еще одна реакция дегидрирования, с образованием НАДН2
4. Гидролитическое расщепление по β-атому углерода с образованием ацетил- КоА, а по месту расщепления к укороченному остатку кислоты присоединяется другая молекула КоА.
Суммарная реакция окисления пальмитиновой кислоты:
Пальмитоил-КоА→ 8 ацетил-КоА +ФАДН2 + НАДН2
Эти продукты реакции в митохондриях переходят в цикл Кребса и дыхательную цепь, где в результате дальнейших превращений каждая молекула ФАДН 2 дает 2 молекулы АТФ, каждая молекула НАДН 2 дает 3 молекулы АТФ, восемь молекул ацетил-КоА дают в ходе окисления в цикле Кребса 96 молекул АТФ. Можно подвести итоговый энергетический баланс: при окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты на активацию затрачена 1 молекула АТФ, прошло 7 циклов окисления, получено 130 молекул АТФ дополнительно. Окисление каждой молекулы ЖК, имеющей n атомов углерода, проходит n-1 циклов окисления.
Синтез жирных кислот . Жирные кислоты синтезируются в условиях, когда пища доставляет достаточное количество энергии для всех существенных нужд организма. Однако небольшое количество жирных кислот необходимо для структурных липидов и должно синтезироваться в любых условиях. Синтез жирных кислот может намного превышать потребности организма, и в этом случае липиды начинают откладываться про запас, особенно в жировых тканях.
Биосинтез жирных кислот – процесс в основном цитоплазматический. Отправной точкой служит ацетил-КоА. Частично он поступает из сферы митохондриального метаболизма.
Таблица 7
Превращения и передвижения митохондриального
Метаболизм жиров имеет два направления, не смотря на цель его прогрессирования. Если вы во время приема пищи потребили больше калорий, чем было необходимо вашему организму, то случается анаболизм, то есть, депонирование и связывание жиров. В случае, когда организму энергии недостаточно, метаболизм жиров происходит в обратном направлении. Случается высвобождение энергии и расщепление отложенных жировых запасов. Данный процесс имеет свое название - катаболизм.
Когда пищевые жиры попадают в организм человека, за их переработку отвечает не желудок, как думает большинство людей. За выполнение данной функции отвечает печень. Все жиры, исключением является холестерин, перерабатываются в триглицериды, потом соединяются с аминокислотами и выбрасываются в кровь. Если во время трапезы вы потребили большое количество углеводов, в особенности простых сахаров, то печень их трансформирует также в триглицериды.
Молекула триглицерида является сочетанием трех жирных кислот и глицерина. Все неусвоенные в организме триглицериды присоединяются к жировым клеткам и сохраняются там до того момента, пока не появится необходимость в перекрытии дефицита энергии. Если дефицита такого типа не наблюдается, то естественно прогрессирует ожирение.
Если дефицит энергии появился, то, прежде всего в ход идет сахар, который содержится в крови, после него используется запас гликогена печени, затем запускается процесс катаболизма, который заключается в расщеплении триглицеридов. В клетках человеческого организма есть встроенные «мини-электростанции» под названием митохондрии, в них идет процесс усвоения жирных кислот.
В процессе расщепления триглицеридов выпускаются продукты распада (кетоны). Их переизбыток несет за собой особую опасность для человеческого организма. Именно это является причиной тошноты, неприятного привкуса ацетона во рту и слабости при голодании. Это последствие интенсивного сжигания триглицеридов. Уровень метаболизма жиров должен быть стабильным, во избежание возникновения негативных явлений, типа кетоацидоза.
Метаболизм жиров замедляется с возрастом. Все клетки человеческого организма со временем стареют, и хуже функционируют, поэтому после сорока лет важно контролировать свой вес, во избежание возникновения осложнений в результате непосильных нагрузок на органы. Если фигура подтянута, а человек энергичен, то можно не волноваться за свое здоровье, ведь здесь мало шансов на развитие проблем с сердцем или появление высокого давления, одышки.
Регулярные умеренные физические нагрузки помогают поддерживать стабильно высокий уровень метаболизма жиров. Способность человеческого организма проводить катаболические реакции связана с размером мышечной ткани, а также с ее тонусом. Если человек держит себя в отличной физической форме, регулярно делает зарядку по утрам, пару раз на неделю ходит в танцевальный класс или тренажерный зал, это, в первую очередь поможет избежать возникновения новых жиров и постепенно спровоцирует сжигание старых.
Нарушения метаболизма жиров появляются у людей, которые изводят себя жесткой несбалансированной диетой или голоданием. В подобных стрессовых ситуациях организм человека привыкает тратить мало энергии, общий вес уменьшается, тратится половина мышечных волокон. И когда похудевший человек заново питается по-прежнему, он набирает килограммы в два раза быстрее, чем до этого.
Некоторые химические вещества , входящие в состав пищи и тканей тела, классифицируют как липиды. К ним относят: (1) нейтральные жиры, известные как триглицериды^ (2) фосфолипиды; (3) холестерол; (4) некоторые другие вещества, менее важные. Основной частью химической структуры триглицеридов и фосфолипидов являются жирные кислоты, представляющие собой простые углеводородные органические кислоты с длинной цепочкой. Так, типичная жирная кислота - пальмитиновая, она может быть представлена как СНз(СН2)14СООН.
Холестерол не содержит жирных кислот, но его стерольное ядро образовано частью молекулы жирной кислоты, что обусловливает его физические и химические свойства, характерные для вещества, относящегося к липидам.
Организм использует триглицериды главным образом в качестве источника энергии для различных метаболических процессов, что функционально роднит их с углеводами. Однако некоторые липиды, особенно холестерол, фосфолипиды и небольшая часть триглицеридов, используются организмом в формировании мембран и прочих структурных компонентов клеток, т.е. выполняют пластические функции.
Основа химического строения триглицеридов (нейтральных жиров). Поскольку в данной главе по большей части рассматриваются вопросы, связанные с использованием триглицеридов в качестве источника энергии, необходимо создать представление о химической структуре этих веществ.
Обратите внимание, что 3 молекулы жирных кислот с длинной цепочкой связаны с 1 молекулой глицерола, образуя типичную структуру триглицерида. В образовании триглицеридов в организме человека чаще всего участвуют три жирные кислоты: (1) стеариновая кислота (см. формулу тристеарина), которая включает цепочку из 18 углеродных фрагментов с полностью насыщенными водородом связями; (2) олеиновая кислота, также состоящая из 18-углеродной цепочки, но имеющей одну двойную связь в середине цепочки; (3) пальмитиновая кислота, включающая 16 атомов углерода с полностью насыщенными связями.
Почти все жиры, присутствующие в пище , за исключением жиров, содержащих жирные кислоты с короткой цепочкой, всасываются из кишечника в лимфу. Во время пищеварения большинство триглицеридов расщепляются до моноглицеридов и жирных кислот. Затем во время прохождения через эпителиоциты кишечника моноглицериды и жирные кислоты ресинтезируются в новые молекулы триглицеридов, которые попадают в лимфу в виде мелкодисперсных капелек, названных хиломикронами. Диаметр хиломикронов колеблется от 0,08 до 0,6 мкм. Небольшие количества апопротеина В абсорбируются на наружной поверхности хиломикронов. Часть молекулы белка, оставшаяся свободной, выступает в водную фазу, что увеличивает суспензионную стабильность хиломикронов в лимфе и препятствует их прилипанию к стенкам лимфатических сосудов.
Большая часть холестерола и фосфолипидов , всасываемых из желудочно-кишечного тракта, входит в состав хиломикронов. Таким образом, хиломикроны состоят главным образом из триглицеридов, а также содержат 9% фосфолипидов, 3% холестерола и около 1% апопротеина В. Образующиеся хиломикроны затем транспортируются вверх по грудному протоку и вместе с лимфой попадают в кровеносную систему в области впадения яремной и подключичной вен.
Почти через час после приема пищи , содержащей большое количество жира, концентрация хиломикронов в плазме может увеличиться и составить от 1 до 2% общего количества плазмы. Из-за больших размеров хиломикронов плазма становится мутной и иногда желтой, но поскольку период полураспада хиломикронов составляет меньше 1 ч, плазма вновь становится прозрачной через несколько часов. Жиры, содержащиеся в хиломикронах, извлекаются следующим образом.
Триглицериды хиломикронов гидролизуются липопротеинлипазой. Жиры хранятся в клетках жировой ткани и клетках печени. Большая часть хиломикронов извлекается из циркулирующей крови во время прохождения по капиллярам жировой ткани или печени. Как жировая ткань, так и печень содержат большое количество фермента липопротеинлипазы. Этот фермент особенно активен в эндотелии капилляров, где он гидролизует триглицериды хиломикронов, когда те контактируют с эндотелием капиллярной стенки, что приводит к высвобождению жирных кислот и глицерола.
Жирные кислоты , обладая способностью проникать через мембраны клеток, легко диффундируют через мембраны адипоцитов жировой ткани в клетки печени. Оказавшись внутри клеток, жирные кислоты вновь превращаются в триглицериды, взаимодействуя с глицеролом, образующимся в результате метаболических процессов в клетках, выполняющих функции депонирования (что будет рассмотрено далее). Липопротеин-липаза вызывает также гидролиз фосфолипидов, что, в свою очередь, приводит к выделению жирных кислот, преобразующихся в триглицериды и депонирующихся, как уже обсуждалось.
Метаболизм жиров в жировой ткани (на схеме сверху)
Жиры (триацилглицерины) - наиболее важный резерв энергии в организме животных. Они хранятся главным образом в клетках жировой ткани, адипоцитах . Там же они участвуют в постоянно происходящих процессах образования и деградации.
Жирные кислоты, необходимые для синтеза жиров (липогенеза), в составе триацил-глицеринов переносятся из печени и кишечника в виде липопротеиновых комплексов (ЛОНП и хиломикроны). Липопротеин-липаза , находящаяся на поверхности эндотелиальных клеток кровеносных капилляров, отщепляет от этих липопротеинов жирные кислоты (см. ).
В адипоцитах деградация жиров (липолиз) катализируется гормонзависимой липазой . Уровень свободных жирных кислот, поступающих из жировой ткани, зависит от активности этой липазы - фермент регулирует таким образом уровень жирных кислот в плазме.
Жирные кислоты из жировой ткани транспортируются в плазму крови в неэтерифицированной форме. При этом растворимы только короткоцепочечные жирные кислоты, а жирные кислоты с более длинными цепями, менее растворимые в воде, переносятся в комплексе с альбумином .
Деградация жирных кислот в печени (на схеме слева)
Жирные кислоты поступают из плазмы крови в ткани; здесь из них синтезируются жиры или за счёт окисления получается энергия. Особенно интенсивен метаболизм жирных кислот в клетках печени (гепатоцитах).
Наиболее важным процессом деградации жирных кислот является β-окисление (см. ) в митохондриях. При этом жирные кислоты вначале активируются в цитоплазме, присоединяясь к коферменту А . Затем они с помощью транспортной системы (карнитинового челнока ; см. ) попадают в митохондриальный матрикс, где разрушаются в результате β-окисления до ацетил-КоА . Образующиеся ацетильные остатки полностью окисляются до CO 2 в цитратном цикле с освобождением энергии в виде АТФ (АТР). Если количество образовавшегося ацетил-КоА превосходит энергетическую потребность гепатоцитов, что наблюдается при высоком содержании жирных кислот в плазме крови (типичные случаи - голодание и сахарный диабет), то в гепатоцитах синтезируются кетоновые тела (см. ), снабжающие энергией уже другие ткани.
Синтез жирных кислот в печени (на схеме справа)
Биосинтез жирных кислот протекает в цитоплазме, в основном в печени, жировой ткани, почках, лёгких и молочных железах. Главным источником атомов углерода является глюкоза , однако возможны и другие предшественники ацетил-КоА, например аминокислоты.
Первая стадия - карбоксилирование ацетил-КоА с образованием мапонил-СоА - катализируется ацетил-КоА-карбоксилазой , ключевым ферментом биосинтеза жирных кислот. Создание длинноцепочечных жирных кислот осуществляется синтазой жирных кислот (см. ). Исходя из молекулы ацетил-КоА под действием этого полифункционапьного фермента, цепь удлиняется (процесс включает семь реакций) путём добавления малонильных групп и отщепления CO 2 (в каждой реакции) с образованием пальмитата. Таким образом, в результате каждой реакции молекула удлиняется на два углеродных атома. В качестве восстановителя используется НАДФН + Н + , образующийся в гексозомонофосфатном пути (см. ) или в реакциях, катализируемых изоцитратдегидрогеназой и «малат-ферментом ».
Удлинение цепи жирной кислоты на синтазе жирных кислот заканчивается на C 16 , то есть на пальмитиновой кислоте (16:0). В последующих реакциях пальмитат используется в качестве предшественника для получения ненасыщенных или более длинноцепочечных жирных кислот.
Дальнейший биосинтез жиров протекает с участием активированных жирных кислот (ацил-КоА) и 3-глицерофосфата (см. ). Для обеспечения других тканей жиры в гепацитах упаковываются в липопротеиновые комплексы типа ЛОНП (VLDL ) и поступают в кровь.
