СПЕЦИФІЧНІ ШЛЯХИ МЕТАБОЛІЗМУ ЛІПІДІВ: КАТАБОЛІЗМ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ, ФОСФОЛІПІДІВ, СТЕРИДІВ

Метаболізм ліпідів. Катаболізм триацилгліцеролу: окиснення жирних  кислот і гліцерину; кетогенез. Обмін холестерину. Регуляція і патологія ліпідного обміну.

 

Хімія ліпідів

 

Ліпіди (від грецького ліпос – жирний) – це жироподібні сполуки біологічного походження різноманітної структури, нерозчинні у воді, але розчинні в неполярних органічних розчинниках. Ліпіди є структурними компонентами клітинних мембран, служать резервним енергетичним матеріалом. Крім цих основних функцій, ліпіди виконують роль бар’єрів, які захищають організм від термічного і механічного впливу, можуть бути попередниками інших біологічно активних речовин.

Класифікація, хімічна структура і фізико-хімічні властивості ліпідів. Ліпіди поділяються на прості, складні і похідні ліпідів. Прості ліпіди – це ефіри спиртів і жирних кислот. Сюди відносять жири, воски, стериди та складні ефіри вітамінів А і D. Складні ліпіди містять, крім спирту і жирних кислот, ще додаткові компоненти.

У табл. наведено склад простих і складних ліпідів.

В організмі зустрічаються у вільному вигляді і компоненти ліпідів, зокрема жирні кислоти і холестерин. До похідних ліпідів можна віднести стероїдні гормони, жовчні кислоти і вітамін D₃ (похідні холестерину), простагландини, тромбоксани і лейкотрієни (похідні поліненасиченої арахідонової кислоти).

Різні групи ліпідів розділяються за фізико-хімічними властивостями, що має значення для їх функцій в організмі. Зокрема, нейтральні жири є неполярними гідрофобними речовинами, оскільки не містять заряджених чи сильно полярних функціональних груп. У клітинах жири знаходяться в цитоплазмі у вигляді дрібнодисперсних емульгованих маслянистих крапельок, а у клітинах жирової тканини, адипоцитах, відкладаються у вигляді крапель, що заповнюють майже весь об’єм клітини. До складу мембран жири не входять. Таким чином, жири (триацилгліцерини) є резервними ліпідами. Ефіри холестерину, інакше холестериди, також неполярні, гідрофобні і виконують роль резервної чи транспортної форми холестерину. Інші групи ліпідів – фосфоліпіди, сфінгомієліни, гліколіпіди є полярними сполуками, для яких характерні амфіфільні (біфільні, амфіпатичні) властивості. Такі речовини містять полярні чи іонні гідрофільні групи і гідрофобні неполярні групи, якими є довгий нерозгалужений вуглецевий ланцюг жирної кислоти і спирту сфінгозину. Завдяки амфіфільним властивостям фосфоліпіди і гліколіпіди є компонентами мембран. Холестерин має невеличку гідрофільну групу (гідроксил), тому амфіфільні властивості у нього менш виражені, ніж у фосфоліпідів, але він теж входить до складу мембран, де локалізований у їх гідрофобній ділянці.

 

Жирні кислоти

Жирні кислоти є характерними структурними компонентами більшості ліпідів. Це аліфатичні монокарбонові кислоти, що містять від 4 до 24 атомів вуглецю, частіше – 12-24. За властивостями вищі жирні кислоти – це амфіфільні сполуки, які містять одну гідрофільну карбоксильну групу, що дисоціює, і довгий гідрофобний вуглеводневий ланцюг. Наприклад:

        

Оскільки кути між валентними зв’язками у вуглеводневому ланцюгу складають 109°, структурну формулу цієї кислоти зображують у вигляді зигзагоподібної ламаної лінії (групи СН₃ і СН₂ не записують):

Як правило, природні жирні кислоти містять парне число атомів вуглецю. Виділяють насичені, моно- і поліненасичені жирні кислоти. Нижче наводяться жирні кислоти, які найчастіше зустрічаються у природі.

 

Масляна та інші коротколанцюгові жирні кислоти зустрічаються в основному в жирах молока, вершковому маслі; пальмітинова і стеаринова – у триацилгліцеринах жирової тканини; лігноцеринова – у складних ліпідах нервової тканини.

Мононенасичені жирні кислоти (містять 1 подвійний зв’язок)

Поліненасичені жирні кислоти (містять 2, 3, 4 подвійних зв’язки)

Подвійні зв’язки у ненасичених жирних кислотах знаходяться ­майже завжди в цис-конфігурації, що призводить до сильного вигину молекули. Поліненасичені жирні кислоти мають декілька вигинів, і їх молекули характеризуються значною жорсткістю, тоді як насичені жирні кислоти, завдяки вільному обертанню вуглеців навколо одинарних зв’язків, характеризуються більшими гнучкістю і довжиною. Такі особливості насичених і ненасичених жирних кислот віддзеркалюються на будові і властивостях мембранних структур.

Жирні кислоти нерозчинні у воді, їх натрієві і калієві солі (мила) – розчинні, утворюють міцели. Насичені жирні кислоти з довжиною ланцюга більше 10 атомів вуглецю є твердими речовинами, а ненасичені – рідинами (при кімнатній температурі).

 

Нейтральні жири (ацилгліцерини, тригліцериди)

Нейтральні жири – це складні ефіри трьохатомного спирту гліцерину і жирних кислот. Залежно від кількості приєднаних жирних кислот, розрізняють моно-, ді- і триацилгліцерини.

Триацилгліцерини, що містять залишки однакових жирних кислот, зв‘язаних з гліцерином, називають простими, і назву їм дають за назвою жирної кислоти (наприклад, тристеарин, триолеїн або тристеарилгліцерин, триолеїлгліцерин за раціональною номенклатурою). Триацилгліцерини, що містять 2 чи 3 різні жирні кислоти, називають змішаними, наприклад олеопальмітостеарин чи олеїлпальмітилстеарилгліцерин. Триацилгліцерини з трьома насиченими жирними кислотами за консистенцією тверді при кімнатній температурі, а з трьома ненасиченими жирними кислотами – рідкі. Більшість природних жирів містять суміші про­стих і змішаних триацилгліцеринів. Залежно від співвідношення насичених і ненасичених жирних кислот, змінюється температура плавлення жирів. Чим більше жир містить ненасичених, а також коротколанцюгових жирних кислот, тим нижча його температура плавлення. Триацилгліцерини жирової тканини людини містять 55 % олеїнової, 10 % – ліноленової, 5 % – пальмітоолеїнової, тобто близько 70 % ненасичених жирних кислот, а решта – насичені, із яких найбільше пальмітинової (близько 20 %). Температура його плавлення 10-15 °С, тому в організмі при температурі тіла жир знаходиться в рідкому стані. Жири із різних тканин одного і того ж організму можуть істотно відрізнятися за складом. Так, підшкірний жир людини містить більше насичених жирних кислот, а жир печінки – більше ненасичених. Жири гідролізуються при кип’ятінні з лугами чи кислотами або під дією ферментів. Гідроліз при наявності лугів називають омиленням, оскільки утворюються мила – солі вищих жирних кислот.

Жири нерозчинні у воді, тому для транспорту їх кров’ю і лімфою утворюються спеціальні транспортні форми – комплекси з білками і фосфоліпідами (ліпопротеїни). Основна функція жирів – депо енергетичного палива. Вони значно краще, ніж глікоген, пристосовані для запасання енергії: по-перше, жири можуть нагромаджуватися у значно більших кількостях, по-друге, у розрахунку на одиницю маси в них запасається у два рази більше енергії, ніж у вуглеводах. Вміст запасних жирів у організмі людини масою 70 кг достатній для забезпечення її енергетичних потреб протягом близько 40 днів голодування. Якщо б еквівалентний енергетичний резерв забезпечувався виключно запасами глікогену, то маса людини дорівнювала б 140 кг.

 

Фосфоліпіди

Фосфоліпіди поділяються на 2 групи: гліцерофосфоліпіди, що містять як і жири, спирт гліцерин, так і сфінгофосфоліпіди, що замість гліцерину містять аміноспирт сфінгозин.

Гліцерофосфоліпіди можна розглядати як похідні фосфатидної кислоти (діацилгліцеринфосфату):

де R₁ i R₂ – вуглеводневі радикали жирних кислот, а R₃ – залишок азотових основ або, рідше, інших сполук. Залежно від структури R₃, гліцерофосфоліпіди поділяються на ряд підгруп.

Найбільш поширені холінфосфатиди і етаноламінфосфатиди, які, відповідно, містять залишки холіну й етаноламіну:

Часто користуються їх старими назвами: холінфосфатид називають лецитином, етаноламінфосфатид – кефаліном.

Серинфосфатиди у положенні R₃ містять амінокислоту серин.

Інозитфосфатиди замість азотової основи містять шестиатомний циклічний спирт інозитол (інозит):

Кожна підгрупа гліцерофосфоліпідів, наприклад, холінфосфатиди, – це не окрема речовина, а група сполук, які відрізняються залишками жирних кислот. При цьому в першому положенні гліцерину приєдну­єть­ся залишок насиченої жирної кислоти, а в другому – ненасиченої.

Від розглянутих вище підгруп гліцерофосфоліпідів відрізняються плазмалогени. До їх складу замість жирної кислоти у першому положенні входить залишок ненасиченого довголанцюгового спирту, який приєднаний простим ефірним зв’язком до гідроксилу гліцерину:

Замість R₃ плазмалогени містять холін, етаноламін або серин. Один із плазмалогенів є фактором активації тромбоцитів.

Ще одну групу гліцерофосфоліпідів складають кардіоліпіни. Ці сполуки мають таку структуру:

Як видно із формули, кардіоліпіни складаються із 3-х залишків гліцерину, 4-х жирних кислот і 2-х залишків фосфорної кислоти. Кардіоліпіни у значній кількості містяться у внутрішній мембрані мітохондрій.

Усі гліцерофосфоліпіди є амфіфільними сполуками, в яких одна ­частина молекули гідрофільна (включає залишки азотової основи і фосфорної кислоти), а друга – гідрофобна (хвіст), представлена вуглеводневими радикалами жирних кислот. Схематично їх можна зобразити так:

Гідрофільна “голівка” молекули несе заряди – позитивний, зумовлений залишками холіну і етаноламіну; негативний і позитивний – серину, негативний – фосфорної кислоти. Внаслідок амфіфільності фосфоліпіди у водному середовищі утворюють структури з упорядкованим розміщенням молекул (міцели, ліпосоми) і складають подвійний ліпідний шар біологічних мембран.

Особливу роль у клітині відіграє мінорний компонент мембран – інозитолфосфатид. Продукти його гідролізу служать вторинними посередниками у реалізації відповіді клітини на зовнішній сигнал, що надходить на плазматичну мембрану, тобто функція їх аналогічна до функції цАМФ. У мембрані інозитолфосфатид знаходиться у формі інозитолфосфатид-4,5-дифосфату, а гідролізується він до діацилгліцерину й ­інозитолтрифосфату. Обидва продукти гідролізу дифундують із мембрани в цитоплазму і впливають на певні метаболічні процеси. Зокрема, ­інозитолтрифосфат стимулює вихід іонів кальцію із ендоплазматичного ретикулуму.

Спирт сфінгозин, структурний компонент сфінгофосфоліпідів, має гідрофобний вуглеводневий ланцюг, 2 гідроксильні і 1 аміногрупу:

Сфінголіпіди містять тільки один залишок жирної кислоти, причому зв‘язаний не з гідроксилом, а з аміногрупою амідним зв‘язком. Сполуку сфінгозину і жирної кислоти називають церамідом.

Шляхом приєднання до гідроксилу сфінгозину залишка фосфохо­ліну, фосфоетаноламіну чи фосфосерину утворюються сфінгомієліни:

 Сфінгомієліни проявляють амфіфільні властивості і є структурними компонентами мембран. Особливо багато їх у нервовій тканині.

 

Гліколіпіди

Гліколіпіди, як і сфінгофосфоліпіди, містять сфінгозин, а відрізняються відсутністю фосфорної кислоти й азотової основи та наявністю залишків вуглеводів. Розрізняють підгрупи гліколіпідів – цереброзиди і гангліозиди. Будову цереброзидів можна подати у вигляді такої схеми:

Гексозою частіше є галактоза. Вуглеводна частина може бути не тіль­ки моносахаридом, а й олігосахаридом, який включає залишки галак­този, глюкози, ацетильованих глюкозамінів і галактозамінів, ряд інших.

Таким чином, гліколіпіди є вуглеводними похідними церамідів.

Вуглеводна частина гліколіпідів мембран бере участь у розпізнаванні клітинами молекул й інших клітин. Зокрема, глікоцераміди є антигенами А і В мембран еритроцитів. Велика кількість цереброзидів відкрита у мембранах нервових клітин. Вони характеризуються специфічним набором жирних кислот: лігноцеринова, нервонова, церебронова. Частина моносахаридів у цереброзидах мозку сульфатована, тобто до одного із гідроксилів приєднаний залишок сірчаної кислоти.

Гангліозиди за будовою аналогічні до цереброзидів, але їх олігосахаридний ланцюг обов’язково включає один або декілька залишків N‑ацетилнейрамінової кислоти. Гангліозиди знаходяться переважно у сірій речовині мозку, в плазматичній мембрані нервових і гліальних клітин. Гангліозидом є рецептор холерного токсину в кишечнику. Його ­структура:

 

Стероїди

В основі структури стероїдів лежить конденсована система циклопентанпергідрофенантрену. Залежно від наявності додаткових метильних груп і довжини бокового ланцюга у положенні 17, вони поділяються на ряд груп: стерини, жовчні кислоти, стероїдні гормони, серцеві глікозиди тощо. Стерини – це стероїди, які містять боковий ланцюг із 8-10 атомів вуглецю і одну гідроксильну групу у 3 положенні. Головний представник стеринів в організмі тварин і людини – холестерин.

Він має один подвійний зв’язок (між С₅­–С₆), тобто є циклічним одноатомним ненасиченим спиртом. В організмі людини міститься близько 140 г холестерину, частина – у вільному вигляді, частина – у вигляді ефірів холе­стерину з жирними кислотами (холестеридів).

Холестерин виконує функції, по-перше, структурного компонента мембран, по-друге, попередника для синтезу жовчних кислот, стероїдних гормонів, вітаміну D₃. Ефіри холестерину – це, як правило, транспортна і резервна форми холестерину. Так, 70 % холестерину в складі ліпопротеїнів плазми крові етерифіковано. Ефіри холестерину депонуються у цитоплазмі клітин.

На відміну від фосфоліпідів, холестерин проявляє слабо виражені амфіфільні властивості, оскільки містить невеличку гідрофільну групу (один гідроксил), а основна циклічна система з боковим ланцюгом гідрофобна і досить жорстка, має витягнуту форму. У мембранах молекули холестерину знаходяться практично повністю у гідрофобній частині подвійного ліпідного шару. При цьому гідроксильна група примикає до гідрофільних “голівок” фосфоліпідів, а молекула холестерину орієнтована паралельно гідрофобним ланцюгам фосфоліпідів. Наявність холестерину в мембранах приводить до зниження їх текучості і надає їм більшої жорсткості. Холестерин знаходиться у значній кількості у плазматичних мембранах, у деяких тканинах (до 40 % усіх ліпідів мембран), а у внутрішній мембрані мітохондрій – усього до 2 %.

Крім холестерину, в організмі тварин і людей знаходяться 7-де­гідрохолестерин, із якого в шкірі під дією ультрафіолетових променів утво­рюється вітамін D₃, ланостерин – проміжний продукт синтезу холес­терину. В рослинах наявні фітостерини, в грибках – мікостерини, один із яких – ергостерин – є попередником вітаміну D₂.

Катаболізм жирів

Жири – дуже важливе джерело енергії в організмі людини. Серед головних харчових речовин вони найбільш калорійні (39 кДж/1 г жиру). У клітинах жири відкладаються про запас у вигляді жирових крапельок, які складаються майже із чистого жиру і можуть у дуже великих кількостях накопичуватися і зберігатися у жировій тканині.

У стані спокою такі органи, як серце, скелетні м’язи і печінка, понад половину необхідної енергії отримують за рахунок окиснення жирів. При фізичній роботі і станах організму, які потребують підвищених енергозатрат, а також при голодуванні споживання тригліцеридів жирової тканини збільшується. Відзначимо, що мозок і нервова ­тканина не можуть окиснювати жирні кислоти, забезпечення їх енергією відбувається за рахунок окиснення вуглеводів. Тільки при тривалому голодуванні у мозку використовуються як джерело енергії кетонові тіла – продукт перетворень жирних кислот, але не самі жирні кислоти.

Близько 95 % всієї біологічно доступної енергії у молекулі три­ацилгліцеринів містять у собі залишки трьох кислот із довгим вуглецевим ланцюгом, і лише 5 % енергії припадає на частку гліцерину. Спочатку триацилгліцерини розпадаються на гліцерин і жирні кислоти. Обидва компоненти окиснюються до СО₂ і Н₂О, що супроводжується виді­ленням енергії.

 

Внутрішньоклітинний ліполіз

Гідроліз триацилгліцеринів у жировій тканині каталізується трьома ліпазами: триацилгліцерин-, діацилгліцерин- і моноацилгліцеринліпазою. Активність двох останніх ферментів у 10-100 разів перевищує активність триацилгліцеринліпази, яка є регуляторним ферментом. Стимулюється процес гідролізу жирів гормонами – адреналіном, глюкагоном, кортикостероїдами і гіпофізарними гормонами. Через аденілатциклазну систему адреналін і глюкагон активують триацилгліцеринліпазу, механізм активації – як і при активації глікогенфосфорилази, тобто механізм каскадного підсилення, який включає синтез цАМФ, активацію протеїнкінази і фосфорилювання ліпази (рис.).

 Інсулін протидіє активації аденілатциклази цими гормонами і тим самим пригнічує ліполіз. Від­сутність інсуліну при цукровому діабеті призводить до безконтрольної стимуляції ліпази глюкагоном, адреналіном, гіпофізарними гормонами і мобілізації жирних кислот із жирових депо.

Активна триацилгліцеринліпаза гідролізує триацилгліцерин на ді­ацилгліцерин і жирну кислоту. Далі дигліцеринліпаза і моногліцеринліпаза розщеплюють діацилгліцерин через моноацилгліцерин до вільного гліцерину і жирних кислот. Обидва продукти виходять шляхом дифузії із жирних клітин у кров. Гліцерин у вільному вигляді, а жирні кислоти у формі нековалентних комплексів з альбумінами переносяться кров’ю до органів і тканин. Концентрація вільних жирних кислот у плазмі крові невелика – 640-880 мкмоль/л, що становить близько 1-3 % від вмісту ліпідів крові. Потік жирних кислот від жирової тканини до органів-споживачів проходить дуже швидко. Так, за 2-4 хв тканини захоплюють половину жирних кислот плазми крові. Висока швидкість цього потоку навіть при низькій концентрації жирних кислот забезпечує перенесення значних їх кількостей – близько 160 г за добу.