Раздел 3. Лабораторно-практические занятия

Глава 4. Липидный обмен

Раздел 1. Значение изучаемой темы

 

Липиды – это вещества, которые объединены в единый класс одним их свойством. Они не растворяются в воде. Разнообразие веществ этого класса определяет разнообразие их функций. Так, основной функцией жиров является их способность служить источником энергии. Такие вещества, как фосфолипиды и гликолипиды входят в состав клеточных мембран и определяют их свойства. Холестерин также входит в состав мембран, определяя их текучесть. Из холестерина образуются такие биологически важные вещества как стероидные гормоны, витамин Д и желчные кислоты. Именно с холестерином связано такое грозное заболевание как атеросклероз. Атеросклероз сопутствует ряду других патологий организма.

Ожирение, желчно-каменная болезнь, липидозы являются заболеваниями, связанными с нарушением липидного обмена.

Знания, полученные при изучении липидного обмена и его нарушений, будут использоваться при обучении на клинических кафедрах и необходимы врачу любой специальности.

 

Раздел 2. Сведения о липидном обмене

 

Липиды – это органические вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в неполярных органических растворителях.

Функции липидов

 

Функции жира

 

1. Энергетическая: при окислении 1 г жира выделяется около 9,3 ккал энергии.

В сутки человек в среднем потребляет 60-80 г жира, что составляет 35-40% суточного калоригенеза.

2. Резерв эндогенной воды (1 г жира при окислении дает 1,07 г воды).

3. Жир необходим для растворения и всасывания жирорастворимых витаминов.

4. Защитный барьер, предохраняющий от термических и механических воздействий.

 

Функции липоидов

 

1. Мембранная:

- избирательная проницаемость;

- участие в активном транспорте;

- упорядочение ферментативных цепей;

- биопотенциалы (не только на нейронах, но и мембранах митохондрий);

- входят в состав рецепторов для гормонов и обеспечивают механизм усиления эффектов;

2. Гормональная (стероидные гормоны; гормоны, производные полиненасы-щенных жирных кислот).

3. Специфические функции:

- обеспечивают устойчивость эритроцитов;

- ганглиозиды связывают токсины и яды.

 

4. Энергетическая (не имеет большого значения).

Переваривание жира (триглицеридов - ТГ)

Переваривание жира происходит под действием ферментов липаз (класс гидролаз), которые расщепляют сложноэфирные связи.

Переваривание жира в ротовой полости не происходит. Установлено, что в слизистой корня языка синтезируется так называемая лингвальная липаза, активность которой не может проявиться в полости рта, и основным местом ее действия является желудок. Оптимум рН для этой липазы находится в области рН 4 – 4,5. Она действует на ТГ, содержащие жирные кислоты (ЖК) с короткой и средней длиной цепи, что характерно для ТГ молока. Таким образом, лингвальная липаза имеет большое значение у грудных детей. Активность этого фермента у взрослых крайне низкая.

В желудке синтезируется собственная липаза, значение которой у взрослыхнезначительно, так как содержание этой липазы в желудочном соке невелико. Кроме того, рН желудочного сока далек от оптимума действия этого фермента (оптимум рН для желудочной липазы находится в пределах 5,5-7,5); в желудке нет условий для эмульгирования жира, а липаза может активно действовать только на эмульгированные ТГ. В отличие от взрослых у грудных детей в желудке умеренная кислотность (рН 5,0), жир молока эмульгирован, липаза синтезируется в достаточном количестве и активна. Таким образом, переваривание жира в желудке в основном происходит удетей.

Главным местом переваривания ТГ у взрослых является тонкий кишечник.

На ТГ действует липаза поджелудочного сока. Панкреатическая липаза является гликопротеидом с оптимумом рН 8-9, поступает в верхний отдел тонкой кишки в неактивном состоянии в виде пролипазы. Превращение пролипазы в активный фермент происходит при участии желчных кислот и колипазы (пептид с М.м. 10 кДА). Колипаза присоединяется к пролипазе, что активирует ее и делает устойчивой к действию трипсина. Липаза расщепляет ТГ, находящиеся в эмульгированном состоянии. Панкреатическая липаза отщепляет жирные кислоты, находящиеся в a-положении. Продуктами переваривания жира в кишечнике являются: глицерин, жирные кислоты, а также моноглицерины.

 

Роль желчных кислот в переваривании жира

1. Активируют панкреатическую липазу.

2. Эмульгируют жир.

3. Необходимы для всасывания продуктов переваривания жира.

 

Всасывание продуктов переваривания жира

Глицерин и жирные кислоты с короткой цепью хорошо растворимы в воде, поэтому легко всасываются стенкой кишечника. Жирные кислоты с длинной цепью сначала нужно перевести в растворимую форму. Для этого жирные кислоты связываются с желчными кислотами (1:3), образуя холеиновые комплексы, которые легко всасываются. В виде холеиновых комплексов всасываются моно- ди- и триацилглицерины (последние в небольших количествах). Внутри эпителиальных клеток кишечника происходит ресинтез жирав основном из моноацилглицеринов и жирных кислот.

Ресинтез жира – это синтез жира, свойственного данному организму.Не все жирные кислоты могут этерифицироваться. В неизменном виде они поступают в кровь, где связываются с альбуминами и в таком виде разносятся кровью органам и тканям. Свободные жирные кислоты называются неэстерифицированными или НЭЖК.

 

Хиломикроны и пути их использования

Образованные в эпителиальных клетках ТГ покрываются оболочкой из белка и фосфолипида. В результате образуются хиломикроны (ХМ). ХМ – это микроскопические липопротеидные частицы диаметром 100 - 1100 нм.

В составе ХМ 1-2% белка и 98-99% липидов, из которых 88% ТГ, 8% - ФЛ (фосфолипидов) и 4% ХС (холестерина). 90% ТГ пищевого происхождения транспортируется в виде ХМ, оставшиеся 10% поглощаются в виде жирных кислот. НЭЖК переносятся в печень, там они либо окисляются, либо идут на синтез липидов. Печень характеризуется ограниченной способностью к запасанию ТГ и даже небольшой их избыток секретируется в виде ЛПОНП (липопротеидов очень низкой плотности). В отличие от ХМ ЛПОНП содержат 10% белка и 90% липидов.

Таким образом, ХМ и ЛПОНП являются транспортными формами. ХМ транспортируют экзогенные липиды, а ЛПОНП – липиды, синтезированные в печени. 70% ХМ поступает в лимфу, а 30% - прямо в кровеносные капилляры. Появление "молочного" вида у плазмы крови после приема жирной пищи обязано наличию в ней ХМ (т.н. хилезная кровь).

 

Пути использования хиломикронов

ХМ расщепляются липопротеидлипазой (ЛПЛ-аза), которая действует на триглицеридную часть. Этот фермент располагается в поверхностном слое эндотелиальных клеток капилляров, особенно жировой ткани, лактирующей молочной железы, скелетной и сердечной мышц. ТГ хиломикронов расщепляются на глицерин и жирные кислоты. В ХМ липида становится меньше, плотность такой частицы повышается, она превращается в, так называемый, остаточный ХМ. Липопротеидлипаза активируется гепарином. Остаточный ХМ переносится в печень, где метаболизируется. Выделяющиеся из ХМ НЭЖК поступают в клетки сердца и мышц, где окисляются.

Содержание липидов в кровотоке может понижаться вследствие откладывания их в различных тканях. Способность откладывать жир характерна для всех тканей, кроме мозга. Главную роль в обмене липидов играют жировая ткань и печень. Примерно 65% веса жировой ткани приходится на ТГ. Количество жировой ткани нарастает с возрастом. Различают белую жировую ткань (подкожная жировая ткань и сальник) и бурую жировую ткань(находится в межлопаточной области). Белый жир является источником глицерина и жирных кислот. Бурый жир выполняет термогенную функцию, так как в нем жир сгорает с образованием воды, углекислого газа и тепла. Много бурого жира у новорожденных и у зимоспящих животных.

 

Липолиз

 

Липолиз – это расщепление жира до глицерина и жирных кислот. Катализируется триглицеридлипазой, диглицеридлипазой и моноглицеридлипазой, которые действуют соответственно на ТГ, ДГ и МГ. Триглицеридлипаза является лимитирующим ферментом липолиза. Она имеет две формы: фосфорилированную (активную) и нефосфорилированную (неактивную).

Превращение неактивной формы в активную происходит под влиянием протеинкиназы. Протеинкиназа, в свою очередь, активируется в результате присоединения к ее аллостерическим центрам цАМФ.

Регуляция липолиза происходит под действием гормонов.

Активируют липолиз: катехоламины, глюкагон, СТГ, АКТГ, тироксин, липотропин гипофиза, цАМФ.

Ингибирует липолизинсулин.

 

Липогенез

 

Липогенез – это синтез жира. Для синтеза жира необходимы глицерин и жирные кислоты в активных формах. Активной формой глицерина является

3-фосфоглицерол (α-глицерофосфат). Активной формой жирной кислоты является ацил-КоА.

В жировой ткани 3-фосфоглицерол образуется из ДОАФ (метаболит гликолиза) путем гидрирования под действием глицерофосфатдегидрогеназы с затратой НАДН. Таким образом, синтез жира в жировой ткани происходит из углеводов. В печени и почках 3-фосфоглицерол образуется путем фосфорилирования глицерина под действием глицеролкиназы с затратой АТФ.

Ацил-КоА образуется при взаимодействии жирной кислоты с НSКоА с затратой АТФ под влиянием ацил-КоА-синтетазы.

Сборка триглицерида происходит из 3-фосфоглицерола и ацилов-КоА под действием ацилтрансферазы (ход реакций смотрите в учебнике или лекции).

Ингибируют липогенез КА, СТГ, ЙТ, АКТГ, АДФ.Активируют – инсулин, эстрогены и АДФ.

 

Обмен глицерина

В зависимости от типа ткани, в которую он поступает, глицерин может:

1. окисляться до СО₂ и Н₂О с образованием 21 АТФ (см лекцию);

2. использоваться в синтезе липидов (ТГ и ФЛ);

3. использоваться на синтез глюкозы в глюконеогенезе.

 

 

Окисление жирных кислот

Происходит в митохондриях. Активная форма жирных кислот ацил-КоА образуется в цитоплазме под действием ацил-КоА-синтетазы.

 

Жирная кислота + НSКоА + АТФ Ацил-КоА + АМФ + РР

 

Мембрана митохондрий не пропускает жирные кислоты. Для переноса жирных кислот в митохондрии существует специальный переносчик – карнитин. С помощью фермента карнитинацилтрансферазы-1 остаток жирной кислоты (ацил) переносится на карнитин, в результате образуется ацилкарнитин, способный проникать в митохондрии. В митохондриях комплекс ацилкарнитин распадается, освободившийся ацил присоединяется к НSКоА с образованием ацил-КоА с помощью карнитинацилтрансферазы-2. Карнитин возвращается в цитоплазму за новой молекулой жирной кислоты. Легче всего окисляют жирные кислоты те ткани, где много карнитина, например, в таких органах, как сердце, скелетные мышцы, почки.

Ход реакций β-окисления жирных кислот смотрите в учебнике или лекции.

Окисление жирных кислот является циклическим процессом. В результате одного цикла (витка) жирная кислота укорачивается на два углеродных атома, при этом в ходе окислительно-восстановительных реакций образуются НАДН и ФАДН_2. Количество витков рассчитывается по формуле: количество атомов углерода в кислоте делят на 2 и отнимают 1

Энергетическая роль жирных кислот в разных тканях различна. Так, для миокарда окисление жирных кислот дает 70% энергии, для мышечной ткани – 50%, в головном мозге они не окисляются.

Регуляция β-окисления жирных кислот

Ключевым процессом является поступление жирных кислот в митохондрии. Карнитинцилтрансфераза-1 является аллостерическим ферментом, аллостерическим ингибитором которого является малонил-КоА. КА, СТГ – активируют, инсулин – тормозит окисление жирных кислот.

 

Синтез жирных кислот

Происходит главным образом в жировой ткани, молочной железе и печени. Местом синтеза жирных кислот является цитоплазма. Для синтеза жирных кислот необходимы СО₂, ацетил-КоА, АТФ и НАДФН. Синтез жирных кислот происходит циклически. В начале каждого цикла из ацетил-КоА и углекислого газа с затратой АТФ образуется малонил-КоА. Ход реакций смотрите в учебнике или лекции.

Для синтеза одной молекулы С₁₆ потребуется 8 молекул ацетил-КоА, (из которых 7 проходят стадию образования малонил-КоА), 7 АТФ и 14 НАДФН.

 

 

Регуляция синтеза жирных кислот

 

Лимитирующим ферментом является ацетил-КоАкарбоксилаза. Аллостерические активаторы – АТФ и цитрат, ингибиторы – жирные кислоты с длинной цепью. Инсулин, эстрогены активируют, катехоламины и стресс ингибируют синтез жирных кислот.

 

Пути образования и использования ацетил-КоА

 

 

Пути образования ацетил-КоА

 

1. Из пирувата в ходе пируватдегидрогеназной реакции. Этот путь преобладает при кратковременной и напряженной мышечной работе.

2. β-окисление жирных кислот. Преобладает в следующих ситуациях: длительная мышечная работа, холод, голод, беременность, сахарный диабет.

 

Пути использования ацетил-КоА

Ацетил-КоА окисляется в цикле Кребса, используется в синтезе жирных кислот и идет на синтез холестерина и кетоновых тел. Путь использования ацетил-КоА зависит от энергообеспеченности и потребности организма в этих веществах.

 

 

Кетоновые тела и их функции

 

 

Под кетоновыми телами понимают три вещества: ацетоацетат, β- гидроксибутират и ацетон. Кетоновые тела образуются в печени и выполняют следующие функции:

1.Энергетическая. Скелетная и сердечная мышцы, мозг и другие внепеченочные ткани обеспечивают значительную долю своих энергетических потребностей за счет катаболизма кетоновых тел. Печень не может окислять кетоновые тела.

 

2. Кетоновые тела необходимы для образования миелиновых оболочек нервов и белого вещества головного мозга.

Накопление кетоновых тел в организме называется кетозом. Кетоз сопровождается кетонемией и кетонурией. Кетоз бывает физиологическим и патологическим. Физиологический кетоз возникает при голодании, длительной мышечной работе и у новорожденных, патологический – при сахарном диабете.

Накоплению кетоновых тел способствуют катехоламины и СТГ. Инсулин снижает синтез кетоновых тел.

 

 

Обмен холестерина

Источники холестерина:

- пищевые продукты (желток куриного яйца, головной мозг, печень, сливочное масло и др.);

- синтез из ацетил-КоА (см. в учебнике или лекции).

 

Всасывание холестерина из кишечника происходит с участием желчных кислот. После всасывания большая часть холестерина этерифицируется жирными кислотами с образованием стеридов, которые входят в состав липопротеидов.

Синтез холестерина происходит из ацетил-КоА с затратой НАДФН и АТФ. 80% холестерина синтезируются в печени, 10% - в тонком кишечнике, 5% - в коже. Лимитирующим ферментом синтеза холестерина является ГМГКоА-редуктаза. Активируют синтез: КА, СТГ, ГКС, андрогены, насыщенные жирные кислоты, любые виды стресса, пища, богатая углеводами. Снижают синтез холестерина: инсулин, тироксин, эстрогены, холестерин, полиненасыщенные жирные кислоты, мышечная работа.

 

Роль холестерина в организме

1. Входит в состав всех клеточных мембран и обеспечивает их текучесть.

2. В печени используется для синтеза желчных кислот.

3. В коже под действием ультрафиолета из него образуется витамин D.

4. В эндокринных железах используется на синтез стероидных гормонов (половые, минералокортикостероиды, глюкокортикостероиды).

 

Липопротеиды

Содержат гидрофобное ядро (ТГ и холестериды) и гидрофильную оболочку (холестерин, фосфолипиды, белки).

 

Классификация липопротеидов основана на различной их плотности (чем больше липидов, тем меньше плотность).

 

Классы липопротеидов:

- хиломикроны (ХМ) содержат 1% белка и 99% липидов. Это самые гидрофобные липопротеиды, имеют наименьшую плотность, не обладают электрофоретической подвижностью. Образуются в стенке кишечника. Являются главной формой транспорта пищевых липидов. Это самые крупные частицы. Исчезают из кровяного русла через 1 - 2 часа после еды. Метаболизируются липопротеидлипазой.

- пре β-липопротеиды (или ЛПОНП). Содержат 10% белка, 90% липидов. Образуются в печени и очень мало – в тощем кишечнике, являются транспортной формой эндогенных липидов в жировую ткань. Те из них, которые не попадают в жировую ткань, превращаются в кровяном русле в липопротеиды низкой плотности (ЛПНП), богатые эфирами холестерина. Это превращение катализируется липопротеидлипазой.

- β-липопротеиды (ЛПНП). Содержат около 25% белка и 75% липидов. Главным компонентом является холестерин (примерно 50%) в виде эфиров с линолевой кислотой и фосфолипиды. У здоровых людей до 2/3 всего холестерина плазмы находится в составе ЛПНП. Они являются главным поставщиком холестерина в ткани. ЛПНП регулируют синтез холестерина de novo. Большинство ЛПНП являются продуктами расщепления ЛПОНП липопротеидлипазой. На клеточных мембранах имеются рецепторы для ЛПНП. В клетки ЛПНП проникают путем эндоцитоза.

- α-липопротеиды (ЛПВП) содержат 50% белков, 25% фосфолипидов, 20% эфиров холестерина и очень мало триацилглицеринов. Образуются главным образом в печени. ЛПВП образуют комплексы с ферментом лецитинхолестеролацилтрансферазой (ЛХАТ). С помощью этого фермента свободный холестерин ЛПВП превращается в эфир (холестерид). Холестерид является гидрофобным соединением, поэтому перемещается в ядро ЛПВП. Источником жирной кислоты для этерификации холестерина является лецитин (фосфатидилхолин). Таким образом, ЛПВП, благодаря ЛХАТ, забирают холестерин от других липопротеидов и транспортируют его в печень, предотвращая накопление его в клетках. ЛПОНП и ЛПНП считают атерогенными, то есть вызывающими атеросклероз. ЛПВП - антитиатерогенными.

Липопротеиды в крови имеются постоянно, но их концентрация меняется в зависимости от ритма питания. После приема пищи концентрация липопротеидов повышается. Повышение липопротеидов называется гиперлипопротеидемией. Главная опасность этого состояния связана с тем, что повышается вероятность возникновения атеросклероза. Вероятность заболевания тем выше, чем больше отношение ЛПНП к ЛПВП в крови.

 

Атеросклероз

Это патология, которая характеризуется отложением, главным образом, холестерина в стенке крупных сосудов (аорта, коронарные сосуды, сосуды мозга и т.д.) с образованием вначале пятен, полосок. Затем на их месте образуются утолщения (атеросклеротические бляшки). Эти липидные бляшки являются своеобразным инородным телом, вокруг которого развивается соединительная ткань, затем наступает кальцификация пораженного участка сосуда. Сосуды становятся неэластичными, плотными, ухудшается кровоснабжение ткани, а на месте бляшек могут возникать тромбы. В стенке сосудов есть два защитных механизма от избыточного отложения холестерина:

 

1. Работа липопротеидлипазы, которая расщепляет жир липопротеидов, делает их меньше по размеру;

2. ЛПВП, которые уносят холестерин.

 

Биохимические причины атеросклероза

1. Увеличение атерогенных липопротеидов (ЛПОНП и ЛПНП).

2. Снижение ЛПВП.

3. Снижение активности липопротеидлипазы, в результате которого липопротеиды не расщепляются и накапливаются в сосуде.

4. Снижение количества рецепторов к ЛПНП. Эти рецепторы находятся в основном в печени. Когда их мало, ЛПНП не захватываются печенью и остаются в кровотоке.

 

Факторы риска для развития атеросклероза

1. Курение.

2. Стресс.

3. Переедание (пища, богатая насыщенными жирными кислотами и углеводами).

4. Эндокринные факторы:

- гипотиреоз;

- сахарный диабет;

- андрогены;

- климакс;

- гиперфункция гипофиза;

- гиперфункция надпочечников.

5. Хронические гипоксии.

6. Гиподинамия.

7. Семейно-наследственные факторы.

 

Степень развития атеросклероза можно оценить по коэффициенту атерогенности:

общий холестерин – холестерин ЛПВП

холестерин ЛПВП

 

У здоровых людей это соотношение не должно превышать 3. Если выше – имеется риск ИБС.

 

Ожирение

У нормально упитанного человека жиры составляют около 15% массы тела. При сбалансированном питании количество жира в организме не изменяется. При этом жиры жировой ткани все время обновляются, то есть одновременно идут липолиз и липогенез с равными скоростями. В результате жиры жировой ткани за несколько дней обновляются полностью.

При длительном голодании и физических нагрузках липолиз идет с большей скоростью, чем липогенез. В результате количество депонированного жира уменьшается. Если липогенез опережает липолиз, наступает ожирение.

 

Наиболее частой причиной ожирения является несоответствие между количеством потребляемой пищи и энергетическими тратами организма. Такое несоответствие возникает при переедании (особенно углеводов, так как они легко переходят в жиры), при гиподинамии (при этом мобилизация жира идет с более низкой скоростью) и, особенно, при сочетании этих факторов. Кроме того, ожирение является характерным признаком многих эндокринных заболеваний.

Люди, страдающие ожирением, в 7 раз чаще болеют диабетом, атеросклерозом, гипертонией и желчно-каменной болезнью.

 

Липидозы

Липидозы – это наследственные заболевания, связанные с отсутствием генов, отвечающих за синтез ферментов, расщепляющих сложные липиды.

 

Болезнь Гоше (цереброзидоз)

Нет фермента, расщепляющего глюкоцереброзид. В результате в лизосомах печени, селезенки и костного мозга накапливаются глюкоцереброзиды.

Болезнь Нимана-Пика

При этой болезни в лизосомах печени и селезенки накапливаются лецитины и сфингомиелины. У детей наблюдается умственная отсталость и ранняя смерть.

Болезнь Тей-Сакса

Накапливаются ганглиозиды в мозге, меньше в других тканях.

 

 

Раздел 3. Лабораторно-практические занятия

 

 

Занятие № 1.

1. Тема: "Переваривание липидов. Липолиз и липогенез".

2. Форма учебного процесса: лабораторно-практическое занятие.

3. Актуальность:Жиры являются источником энергии в состояниях напряженной работы, а также при тяжелых стрессах и жизненно опасных ситуациях. Поэтому студенты должны знать, как происходит 1-ый этап катаболизма жира. При патологиях, приводящих к нарушению поступления желчи в тонкий кишечник, переваривание жира снижается или вообще останавливается, что может вызвать гипоэнергетическое состояние.

 

4. Цель общая:

4.1.1. Изучить переваривание жиров, липолиз и липогенез.

4.1.2. Научиться определять содержание общих липидов и активность липазы в сыворотке крови.

 

4.2. Конкретные цели:

 

Знать:

1. Функции липидов.

2. Переваривание жира.

3. Липолиз. Липогенез.

Уметь:

 

1. Определять общие липиды и активность липазы в сыворотке крови.

2. Делать выводы по результатам проведенных биохимических анализов.

 

Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию

 

Исходный уровень знаний

1. Липиды. Классификация.

2. Строение и физико-химические свойства жира.

3. Характеристика первого этапа катаболизма жира.

4. Эмульгирование жира.

5. Гидролазы.

 

По новой теме

1. Функции липидов.

2. Переваривание и всасывание липидов. Особенности переваривания липидов у детей.

3. Ресинтез жира. Значение.

4. Хиломикроны. Строение. Значение. Метаболизм.

5. Жировые депо.

6. Липолиз. Ход реакций. Регуляция. Значение.

7. Липогенез. Ход реакций. Регуляция. Значение.

 

 

Рекомендуемая литература

1. Курс лекций по биохимии.

2. Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин "Биологическая химия", 1990, стр. 276-316.

3. А.Я.Николаев "Биологическая химия" 1989, стр. 270-299.