А) переваривание и всасывание триацилглицеринов или нейтрального жира заключается в их эмульгировании, последующем гидролитическом расщеплении и солюбилизации продуктов гидролиза. Вследствие низкой липолитической активности желудочного сока, а также отсутствия в рационе значительного количества эмульгированных жиров переваривание ацилглицеринов в желудке практического значения не имеет. Переваривание ацилглицеринов происходит в тонком кишечнике и начинается с эмульгирования нейтрального жира. В ходе эмульгирования достигается дробление крупных капель жира на множество мельчайших капелек. За счет дробления значительно, примерно в 10000 тысяч раз, увеличивается площадь контакта ацилглицеринов с липолитическими ферментами, что создает условия для их эффективного гидролитического расщепления. Эмульгирование происходит под влиянием детергентного действия солей желчных кислот. Перистальтика кишечника помогает дроблению крупных капель жира, а желчные соли сохраняют их во взвешенном состоянии, мешая слиянию мелких жировых капель. Дополнительными эмульгаторами являются глицерофосфолипиды, жирные кислоты и их соли.
Следующим этапом в переваривании нейтральных жиров является их гидролитическое расщепление под действием липазы поджелудочной железы. Этот фермент обладает строгой позиционной специфичностью и разрывает эфирные связи только в 1 и 3 положениях триацилглицеринов (ТАГ)
Н2О RСООН Н2О RСООН
ТАГ 1,2диацилглицерин
липаза 2,3диацилглицерин липаза 2-МГ
В связи с тем, что отщепление жирнокислотного остатка во 2-ом положении невозможно под действием липазы основным продуктом гидролиза триацилглицеринов является 2-моноацилглицерин.
Образующиеся в процессе гидролиза триацилглицеринов ди-и моноацилглицерины, а также жирные кислоты включаются в сложную мицеллярную фазу, т.е. солюбилизируются (растворяются). Основными соединениями, образующими мицеллы являются соли желчных кислот. Благодаря амфифильности в водной среде они ориентируются таким образом, что гидрофильная часть молекулы обращена наружу и контактирует с молекулами воды, а гидрофобная часть обращена внутрь, образуя гидрофобное ядро, в котором и располагаются триацилглицерины и продукты их гидролиза. Из состава мицеллярной фазы и происходит всасывание триацилглицеринов и продуктов их гидролиза.
Б) Переваривание глицерофосфолипидов заключается в гидролитическом расщеплении и последующей солюбилизации продуктов гидролиза. Процесс переваривания глицерофосфолипидов локализован в тонком кишечнике и осуществляется под действием ферментов поджелудочной железы: лизофосфолипазы и фосфолипазы А2. Фосфолипаза А2 гидролизует ацилэфирную связь во втором положении глицерофосфолипидов с образованием 1-лизофосфоглицерида и жирной кислоты. Панкреатическая лизофосфолипаза гидролизует ацилэфирную связь в 1 положении лизофосфоглицеринов с образованием фосфоглицерина и жирной кислоты. Таким образом, в ходе переваривания образуются продукты неполного гидролиза, которые солюбилизируясь подвергаются всасыванию.
В) Переваривание эфиров холестерина заключается в их первоначальной солюбилизации с последующим гидролитическим расщеплением эфирной связи в 3 положени под действием холестеролэстеразы. При гидролизе эфиров холестерина образуются жирная кислота и свободный холестерин, которые из мицеллярной фазы подвергаются всасыванию.
Пищевые липиды всасываются в виде продуктов неполного гидролиза. Относительно небольшая часть (около 10%) жирных кислот из энтероцитов поступает непосредственно в кровоток, образует комплекс с альбуминами плазмы и доставляется в печень. Большая часть жирных кислот, поступивших в энтероцит, используется для реацилирования (повторного присоединения жирной кислоты) моноацилглицеринов и лизофосфоглицеридов. В этот процесс вовлекаются также жирные кислоты, синтезированные непосредственно в энтероцитах. В ходе реацилирования образуются глицерофосфолипиды и триацилглицерины, которые упаковываются в мицеллоподобные структуры – хиломикроны.
ЛИПОПРОТЕИНЫ- ТРАНСПОРТНАЯ ФОРМА ЛИПИДОВ
Жиры, поступающие в организм с пищей, и липиды, синтезируемые в печени и жировой ткани, должны транспортироваться в другие ткани и органы, где они либо используются, либо депонируются. Поскольку липиды не растворимы в воде возникает проблема их транспорта в водной среде (плазма крови). Она решается путем взаимодействия неполярных липидов (триацилглицеринов и эфиров холестерина) с амфипатическими липидами (фосфолипидами и холестерином) и белками, в результате образуются смешивающиеся с водой липопротеины. Типичный липопротеин состоит из липидного (гидрофобного) ядра, образованного триацилглицеринами и эфирами холестерина, и наружного слоя состоящего из монослоя полярных глицерофосфолипидов, холестерина, и апобелков.
В зависимости от соотношения белкового и липидного компонентов различают 4 класса липопротеинов: хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеины низкой плотности (ЛПНП) и липопротеины высокой плотности (ЛПВП).
1. Хиломикроны.. Хиломикроны образуются в клетках слизистой кишечника. В составе хиломикронов осуществляется транспорт экзогенных триацилглицери-нов. Хиломикроны обладают большими размерами и поэтому поступают не в кровоток, а в лимфатическую систему. При приеме большого количества жирной пищи лимфа приобретает молочнообразный вид от взвешенных хиломикронов. Из грудного лимфатического протока хиломикроны поступают в кровь, которая также становится мутной и опалесцирующей. Хиломикроны довольно быстро исчезают из крови. У человека период полураспада хиломикронов не превышает одного часа. Содержимое хиломикронов распределяется следующим образом: 80% поступает в жировую ткань, сердце и мышцы, примерно 20% в печень. Возможность утилизации содержимого хиломикронов перечисленными тканями определяется наличием на эндотелии сосудов специального фермента – липопротеинлипазы, который гидролизует триацилглицерины хиломикронов. Липопротеинлипаза активируется гепарином и аполипопротеином хиломикронов Часть, образовавшихся в ходе гидролиза жирных кислот, образуют комплексы с альбуминами плазмы, но основное их количество поступает в клетки соответствующих тканей. Хиломикроны под действием липопротеинлипазы теряют 80% триацилглицеринов. «Выпотрошенные» поглощаются печенью вместе с содержащимися в них остатками триацилглицеринов и жирорастворимых витаминов.
2.ЛПОНП – транспортная форма эндогенных триацилглицеринов (синтезированных в печени). Синтез ЛПОНП осуществляется в основном в печени и в небольших количествах в тонком кишечнике. Уровень ЛПОНП возрастает через 4-6 часов после приема пищи, богатой углеводами. Содержимое ЛПОНП удаляется из крови с помощью липопротеиновой липазы, локализованной в эндотелии сосудов сердца, жировой ткани, селезенки, легких и лактирующей молочной железы. Апобелок ЛПОНП является кофактором липопротеиновой липазы.
3.ЛПНП – транспортная форма холестерина из печени во внепеченочные ткани. Большая часть ЛПНП образуется из ЛПОНП в печени или непосредственно в кровотоке в результате включения специфических апобелков и обогащения липидного ядра эфирами холестерина. Установлена прямая корреляция между вероятность коронарного атеросклероза и концентрацией ЛПНП в сыворотке крови. Основным путем утилизации ЛПНП является рецепторзависимый путь поступления их в клетку. После связывания с рецептором происходит поглощение ЛПНП путем эндоцитоза и использование компонентов частицы клеткой. В случае отсутствия рецепторов на поверхности клеток наблюдается гиперхолестеринемия. Люди, страдающие недостатком рецепторов ЛПНП погибают от осложнений атеросклероза в молодом возрасте.
4. ЛПВП – транспортная форма холестерина из внепеченочных тканей в печень. Синтез осуществляется в плазме и печени. Холестерин, доставляемый в печень ЛПВП из тканей вовлекается в синтез желчных кислот или удаляется с желчью в интактном виде. В функционировании ЛПВП важную роль играет фермент лецитинхолестеринацилтрансфераза (ЛХАТ), который катализирует перенос ненасыщенной жирной кислоты от фосфатидилхолина на холестерин. Образующийся эфир холестерина перемещается из внешней оболочки в гидрофобное ядро ЛПВП. Это обеспечивает градиент концентрации холестерина между гидрофильной оболочкой ЛПВП и плазматической мембраной клетки, благодаря которому частицы осуществляют сбор холестерина из тканей.
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ
Строение жирных кислот. Жирные кислоты представляют собой гидрофобные углеводородные цепи с концевой гидрофильной карбоксильной группой. Гетерогенность жирных кислот обусловлена количеством атомов углерода в цепи и числом двойных связей.
Почти все жирные кислоты животного организма имеют неразветвленные цепи с четным числом углеродных атомов - от 14 до 24. Чаще всего встречаются жирные кислоты с 16 или 18 атомами углерода. Число двойных связей в жирных кислотах колеблется от 0 до 6. Почти во всех природных ненасыщенных жирных кислотах двойные связи имеют цис-конфигурацию.
Углеводородная цепь насыщенных жирных кислот имеет вытянутую форму, поскольку она является энергетически наиболее выгодной. Цис-конфигурация двойной связи создает жесткий изгиб углеводородной цепи под углом примерно 30о. В полиеновых жирных кислотах (жирных кислотах, имеющих несколько двойных связей) цис-конфигурация придает алифатической цепи изогнутый и укороченный вид.
К важнейшим насыщенным жирным кислотам относятся пальмитиновая (С15Н31СООН, С16:О) и стеариновая (С17Н35СООН, С18:О) кислоты.
К важнейшим ненасыщенным жирным кислотам относятся пальмитоолеиновая (С15Н29СООН; 9-С16:1), олеиновая (С17Н33СООН; 9-С18:1), линолевая(С17Н31СООН;9,12-C18:2), линоленовая С17Н29СООН; 9,12,15-С18:3) и арахидоновая(С19Н31СOOH;5,8,11,14-С20:4) кислоты. В последнее время получила распространение номенклатура ненасыщенных жирных кислот, в соответствии с которой положение двойной связи указывается начиная от метильной группы. По данной номенклатуре линоленовая относится к w-3 жирным кислотам, а арахидоновая к w-6 жирным кислотам. Линолевая, линоленовая и арахидоновая жирные кислоты относятся к незаменимым и должны поступать в организм с рационом.
Биологическая роль жирных кислот
Свободные жирные кислоты содержатся в различных тканях животного организма в незначительном количестве. Основная масса жирных кислот в качестве важнейшего структурного элемента входит в состав различных классов ацилсодержащих липидов.
Структурная функция. В биологических мембранах жирнокислотные остатки фосфоглицеридов и сфинголипидов формируют непрерывную углеводородную фазу липидного бислоя. Агрегатное состояние мембран определяется соотношением насыщенных и ненасыщенных жирнокислотных остатков, входящих в состав фосфолипидов. Дефицит ненасыщенных жирных кислот приводит к изменению текучести мембран и ухудщает функционирование мембранных белков
Метаболическая функция. Остатки арахидоновой и линоленовой кислот в составе фосфатидилхолинов и особенно фосфатидилэтаноламинов являются основными субстратами перекисного окисления.
Арахидоновая кислота может быть использована для синтеза простагландинов, простациклинов, тромбоксанов и лейкотриенов – веществ, обладающих высокой регуляторной активностью. Доступность арахидоновой кислоты определяет возможности их синтеза.
Энергетическая функция. В жирных кислотах заключено значительное количество энергии. Энергетическая ценность жирных кислот реализуется в процессе b-окисления и последующего расщепления образующегося ацетил-КоА в ЦТК.
СИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Способностью синтезировать жирные кислоты обладают различные органы и ткани. Исключение составляет лишь мышечная ткань. Наиболее интенсивно синтез жирных кислот осуществляется в печени, жировой ткани и слизистой тонкого кишечника.
Основным предшественником жирных кислот, образующихся в животном организме является пальмитиновая кислота. Синтез остальных жирных кислот осуществляется из эндогенной пальмитиновой кислоты путем удлинения ее цепи или введения двойных связей.
Синтез пальмитиновой кислоты представляет собой циклически повторяющийся процесс, заключающийся в последовательном удлинении карбоксильного конца растущей цепи на двууглеродные фрагменты за счет использования трехуглеродных малонильных фрагментов.
Ферментные системы синтеза жирных кислот локализованы в цитозоле клеток. Исходным субстратом и одновременно куском-стартером является ацетил-КоА. Ацетил-КоА образуется в процессе аэробного дихотомического распада углеводов на стадии окислительного декарбоксилирования пирувата. Некоторое количество ацетил-КоА образуется в ходе катаболизма аминокислот. Образование ацетил-КоА происходит исключительно в митохондриях, поэтому для использования его в синтезе жирных кислот он должен транспортироваться в цитозоль клетки. Наиболее важным механизмом транспорта ацетил-КоА является цитратная система переноса. В результате взаимодействия ацетил-КоА с оксалоацетатом образуется цитрат, способный проникать через митохондриальную мембрану. В цитозоле цитрат расщепляется на ацетил-КоА и оксалоацетат. Дефицит оксалоацетата делает ацетил-КоА недоступным для синтеза пальмитиновой кислоты.
Синтез пальмитиновой кислоты катализируется ферментным комплексом – пальмитатсинтазой. Он состоит из семи ферментов, каждый из которых выполняет свою функцию. В центре полиферментной системы находится ацилпереносящий белок, а по периметру шесть остальных ферментов. АПБ выполняет роль акцептора и распределителя ацильных остатков. В его составе имеется ковалентно связанный 4-фосфопантетеин, содержащий свободную SН-группу, которая предназначена для связывания ацильных остатков (центральная). Ферментная система располагает еще одной SН-группой, принадлежащей остатку цистеина, которая служит для связывания ацетил-КоА. Если пальмитатсинтазу изобразить символом Е, то циклический процесс синтеза жирной кислоты можно описать рядом последовательно протекающих реакций.
Ключевой реакцией синтеза является карбоксилирование ацетил-КоА под действием биотин-зависимой ацетил-КоА-карбоксилазы с образованием малонил-КоА.
В последующем инициирующая молекула ацетил-КоА при участии трансацилазы взаимодействует с SН-группой цистеина. Малонил-КоА под действием того же фермента взаимодействует с соседней SН-группой, принадлежащей 4-фосфопантетеину. В результате этой реакции образуется ацетил малонил-АПБ. В дальнейшем под влиянием 3-кетоацилсинтазы происходит конденсация ацетильной группы с малонильной с выделением СО2. В результате образуется ацетоацетил-АПБ, при этом освобождается сульфгидрильная группа цистеина, ранее занятая ацетильной группой. Затем под действием кетоацилредуктазы происходит реакция восстановления ацетоацетил-АПБ до 3-гидроксибутирила-АПБ. Донором водорода служит НАДФН2, который поставляет пентозный путь превращения углеводов. В следующей реакции, катализируемой гидратазой происходит отщепление молекулы воды. Важно, что в данной реакции из состава 3-гидроксибутирила-АПБ удаляется кислород. Вслед за
дегидратацией образовавшийся кротонил-АПБ подвергается второй реакции восстановления под действием еноилредуктазы. Эта реакция также требует присутствия НАДФН2 и завершается образованием бутирил-АПБ. Таким образом, совершается цикл реакций синтеза жирной кислоты. Затем бутирил переносится на SН-группу цистеина, освобождая SH-группу фосфопантетеина (она предназначена для связывания малонилил-КоА) и цикл повторяется. Для получения пальмитиновой кислоты требуется повторения подобных циклов еще 6 раз.
Образовавшаяся пальмитиновая кислота для получения других жирных кислот с четным числом углеродных атомов подвергается удлинению с помощью малонил-КоА микросомальными ферментами. Возможно также удлинение в митохондриях с помощью ацетил-КоА. Для получения ненасыщенных жирных пальмитиновая кислота или ее производные подвергаются действию десатураз.
Для нормального функционирования процесса синтеза жирных кислот необходимо присутствие производных следующих витаминов: НАДФ- производное витамина РР является донором водорода в реакциях восстановления, КоА и 4-фосфопантетеин – производные пантотеновой кислоты образуют активные формы ацетильного и малонильного фрагментов и биотин, участвующий в активации двуокиси углерода в реакции образования малонил-КоА.
Регуляция. Скорость синтеза жирных кислот определяется активностью регуляторного фермента ацетил-КоА-карбоксилазы. Этот фермент регулируется:
а) аллостерически – цитрат –активатор, пальмитоил-КоА – ингибитор
б) путем фосфорилирования-дефосфорилирования: инсулин активирует фермент фосфатазу, который дефосфорилируя переводит ацетил-КоА-карбоксилазу в активную форму; глюкагон и адреналин через аденилатциклазную систему за счет фосфорилирования переводят фермент в неактивное состояние. Инсулин не только активирует ацетил-КоА-карбоксилазу, но и индуцирует синтез этого фермента. Поэтому длительное потребление избытка углеводов ведет к более быстрому синтезу жирных кислот и ожирению.
b- ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
b-окисление (цикл Кноопа-Линена) представляет собой циклически повторяющийся процесс, заключающийся в последовательном окислении b-углеродного атома, завершающийся отщеплением от карбоксильного конца двууглеродного фрагмента в виде ацетил-КоА. b-окисление является основным путем деградации жирных кислот. Этот процесс происходит в печени, сердечной и скелетной мышцах, почках. Энзимные системы b-окисления локализованы в матриксе митохондрий. Субстратами b-окисления являются насыщенные жирные кислоты с четным числом углеродных атомов, поступающие с кровотоком или образующиеся в результате деградации различных ацилсодержащих липидов клетки.
b-окислению предшествует активация жирной кислоты. Этот процесс происходит в цитозоле клетки и требует расхода одной молекулы АТФ и присутствия КоА. Образовавшийся ацил-КоА транспортируется через митохондриальные мембраны с участием карнитина. Карнитин образуется из лизина и метионина в печени и почках. Особенно много его в мышцах. Ацил-КоА взаимодействует с карнитином с образованием ацилкарнитина, который является транспортной формой жирной кислоты через внутреннюю мембрану митохондрий. Перенос жирной кислоты осуществляется карнитинацилтранслоказой. Преодолев мембрану ацилкарнитин взаимодействует с КоА и образует активную форму жирной кислоты – ацил-КоА в виде которой он может вступать в реакции b-окисления.
Цикл реакций b-окисления начинается с дегидрирования стеароила-КоА в положениях 2 и 3, катализируемое ФАД-зависимым ферментом ацил-КоА-дегидрогеназой, с образованием транс-2,3-стеароил-КоА.
На следующем этапе транс-2,3-стеароил-КоА гидратируется еноил-КоА-гидратазой с образованием 3-гидроксистеароил-КоА. В этой реакции к b углеродному атому присоединяется атом кислорода в составе гидроксильной группы. Затем повторяется реакция дегидрирования с той лишь разницей, что катализируется она НАД-зависимой 3-гидроксистеароил-КоА-дегидрогеназой, а оба атома водорода отщепляются от b углеродного атома 3-гидроксистеароил-КоА. Образовавшийся в этой реакции 3-кетостеароил-КоА под действием ацетил-КоА-ацилтрансферазы с участием НS-КоА расщепляется на ацетил-КоА и пальмитоил-КоА. Ацетил-КоА вовлекается в цикл трикарбоновых кислот, где подвергается деградации до СО2 и воды. Пальмитоил-КоА вступает в следующий цикл реакций. При b-окислении насыщенных жирных кислот с четным числом углеродных атомов на последнем этапе заключительного цикла образовавшийся ацетоацетил-КоА расщепляется на два ацетил-КоА.
Баланс энергии
В ходе каждого цикла b-окисления образуется 1 ФАДН2 и 1НАДН2. При их окислении в МЭТЦ образуется соответственно 2 и 3 АТФ. Образующийся в каждом цикле ацетил-КоА является источником 12 АТФ.
Для того чтобы определить энергетическую ценность окисления какой либо жирной кислоты необходимо знать: 1. Какое количество циклов потребуется для ее окисления. Количество циклов будет равно половине углеродных атомов минус единица (так как в последнем цикле образуется сразу два ацетил-КоА). 2. Количество образующихся ацетил-КоА определяется как половина углеродных атомов жирной кислоты. Пример: окисление пальмитиновой кислоты, в составе которой находится 16 углеродных атомов. Количество циклов b-окисления будет равно 7, их энергетическая эффективность составит 7 х 5= 35 АТФ. Количество образующихся ацетил-КоА равно 8, энергетическая эффективность их окисления составит 8 х 12 =96 АТФ. Суммируем 35+ 96 = 131 АТФ. Из полученного количества необходимо вычесть 1 АТФ, использованную на активацию жирной кислоты. Энергетический баланс окисления пальмитиновой кислоты составит 130 АТФ.
Регуляция. Скорость реакций b-окисления определяется доступностью субстрата т.е. ацила-КоА, которая зависит от активности карнитинацилтрасферазы, катализирующей образование транспортной формы жирной кислоты – ацила-КоА. Аллостерическим ингибитором этого фермента является малонил-КоА, который образуется в ходе реакций синтеза жирных кислот. Таким образом, в постабсорбтивный период когда поступление ацетильных остатков из митохондрий в цитозоль прекращается синтез малонил-КоА также прекращается и b-окисление в отсутствии ингибитора активируется.