Тема. Липиды: классификация, структура, функции. Роль в построении мембран. Обмен липидов.

Тема. Липиды: классификация, структура, функции. Роль в построении мембран. Обмен липидов. План: 1. Липиды, общая характеристика и классификация липидов. 2.   Простые   липиды,   жиры,   воски,   стериды.   Сложные   липиды:   фосфолипиды, гликолипиды. 3. Биологические функции липидов.  Роль липидов в построении мембран. 4. Обмен липидов.  5. Энергетический эффект распада жиров. Липиды  это вещества нерастворимые в воде, растворимы в органических растворителях (спирт, ацетон, петролейный, серный эфиры и т.д.), представляют собой  сложные эфиры высших жирных кислот и различных спиртов. В состав липидов могут входить углеводы неорганические кислоты, азотсодержащие вещества. Различают следующие основные классы липидов: Классификация липидов.  Простые липиды: сложные эфиры жирных кислот с различными спиртами: ­   Глицериды   (ацилглицерины,   или   ацилглицеролы   ­   по   международной   номенклатуре) представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. ­ Воска: сложные эфиры высших жирных кислот и одноатомных или двухатомных спиртов. Стериды – сложные эфиры высших жирных кислот и спирта стерола Сложные  липиды:  сложные   эфиры   жирных   кислот   со   спиртами,   дополнительно содержащие и другие группы. ­ Фосфолипиды:   липиды,   содержащие,   помимо   жирных   кислот   и   спирта,   остаток фосфорной кислоты. В их состав входят азотистые основания и другие компоненты: глицерофосфолипиды (спирт ­ глицерол); сфинголипиды (спирт ­ сфингозин). Гликолипиды (гликосфинголипиды). ­ ­ Стероиды. ­ Липопротеины Воска  ­  сложные  эфиры   высших   жирных   кислот   и   высших   одноатомных   или двухатомных спиртов с числом углеродных атомов от 16 до 22. Общие формулы можно представить так: Воска входят в состав жира, покрывающего кожу, шерсть, перья. У растений 80% от всех  липидов, образующих пленку на поверхности листьев и плодов, составляют воска. Воска  являются нормальными  метаболитами  некоторых  микроорганизмов.   Природные воска  (например, пчелиный воск, спермацет, ланолин) обычно содержат, кроме указанных  сложных эфиров, некоторое количество свободных жирных кислот, спиртов и  углеводородов с числом углеродных атомов 21­35. Фосфолипиды  представляют   собой   сложные   эфиры   многоатомных   спиртов: глицерина   или   сфингозина   с   высшими   жирными   кислотами   и   фосфорной   кислотой.   В состав фосфолипидов входят также азотсодержащие соединения: холин,  этаноламин  или серин.  Фосфолипиды   (глицерофосфолипиды). являются производными   фосфатидной   кислоты.   В   их   состав   входят   глицерин,   жирные   кислоты, фосфорная   кислота   и   азотсодержащие   соединения.   Общая   формула глицерофосфолипидов:   Глицерофосфолипиды В этих формулах R1 и R2­ радикалы высших жирных кислот, а R3­ чаще радикал азотистого соединения ­ этаноламин (НО — СН2 — СН2 — N +Н3), холин [НО — СН2 — СН2 — Na+ (СН3)3]. ­  . Для всех глицерофосфолипидов характерно, что одна часть их молекул (радикалы R1  и  R2­)   обнаруживает   резко   сраженную   гидрофобность,   тогда   как   другая   часть гидрофильна   благодаря  отрицательному  заряду  фосфорной  кислоты  и  положительному заряду радикала R3. Фосфатидилхолины   (лецитины).  В   состав    молекулы   входят     глицерин,   высшие жирные кислоты, фосфорная кислота и холин: Биологические функции липидов:  Энергетическая   ­   эту   функцию   выполняют   жирные   кислоты,   освобождающиеся после распада жиров.  Структурную ­ фосфолипиды, гликолипиды и холестерин участвуют в образовании клеточных мембран.  Холестерин   является   структурным   компонентом   мембран, предшественником желчных кислот и стероидных гормонов.    а   также Регуляторная   функция   ­   производные   некоторых   полиненасыщенных   жирных кислот биологически активные вещества ­ (простагландины), Поэтому эти жирные кислоты представляют собой незаменимые пищевые факторы.  Транспортную   ­   вместе   с   жирами   при   всасывании   в   организм   поступают жирорастворимые витамины (А, Е, D, К).  Липиды плохо растворимы в воде (гидрофобность)  Некоторые (гликолипиды, фосфолипиды, желчные кислоты) амфифильны, так как имеют в своем составе гидрофильные и гидрофобные части.  Расщепление   липидов   в   желудочно­кишечном   тракте.  Расщепление   липидов происходит в 12­перстной кишке, куда поступают липаза с соком поджелудочной железы и конъюгированные желчные кислоты в составе желчи.   Эмульгирование жира  ­ обязательное условие для переваривания, так как делает гидрофобный   субстрат   более   доступным   для   действия   гидролитических   ферментов   ­ липаз.  Эмульгирование   происходит  при  участии  желчных  кислот  ,  которые  из­за своей амфифильности, окружают каплю жира и снижают поверхностное натяжение, что приводит к дроблению капли. Гидролиз жира осуществляется при участии панкреатической липазы , которая, сорбируясь на поверхности капель жира, расщепляет эфирные связи в триацилглицеринах (ТАГ).  Всасывание  происходит при участии желчных кислот, которые образуют вместе с моноацилглицеринами,   холестерином   и   жирными   кислотами   смешанные   мицеллы   ­ растворимые   комплексы,   обеспечивающие   переход   продуктов   гидролиза   в   клетки слизистой кишечника.  Ресинтез   триацилглицеринов  из   продуктов   расщепления   происходит   в   клетках слизистой кишечника. Транспорт   ресинтезированного   жира   через   лимфатическую   систему   и   кровоток возможен только после включения его в состав липопротеинов.  В   кишечнике   образуются   два   типа   липопротеинов:  хиломикроны  ­   ХМ   и   в небольшом   количестве  липопротеины   очень   низкой   плотности  ­   ЛОНП.   В   составе хиломикронов экзогенные жиры доставляются в органы и ткани.    Потребность в жирах  составляет 50­100 г в сутки ­ в зависимости от характера питания и энергетических затрат.  Депонирование и мобилизация жиров  Жиры,   как   и   гликоген,   являются   формами   депонирования   энергетического материала. Жиры  более эффективные источники энергии  . При голодании запасы жира у человека истощаются за 5­7 недель, тогда как гликоген полностью расходуется примерно за сутки. Если поступление жира  превышает потребности организма в энергии, то жир депонируется в адипоцитах ­ специализированных клетках жировой ткани.  1. Поступают из хиломикронов, которые приносят экзогенные жиры из кишечника  2.   Поступают   из   ЛОНП,   которые   транспортируют   эндогенные   жиры, синтезированные в печени из глюкозы  3. Образуются из глюкозы в самих клетках жировой ткани.  Обмен липидов. Под действием липазы жиры гидролизуются с образованием глицерина и высших жирных кислот. Глицерин,  не   зависимо   от   того,   поступит   ли   он   на   ресинтез   жиров   или   будет распадаться далее, подвергается фосфорилированию                          Глицерокиназа           глицерофосфатдегидрогеназа Глицерин + АТФ               глицерофосфат                              диоксиацетонфосфат                                                                                                                                НАД       НАДН Диоксиацетонфосфат изомеризуется в 3­фосфоглицериновый альдегид и вступает в Ненасыщенные жирные кислоты предварительно восстанавливаются до предельных. Процесс   распада   осуществляется   ступенчато,   путем   отщепления   от   молекулы кислоты двухуглеродных фрагментов в виде ацетил ­ КоА. Жирная   кислота   поступает   из   кровотока   в   цитозоль   и   активируется   путем конденсации с коферментом А (КоА), образуется тиоэфир. β ­окисление происходит в митохондриях клетки.   Жирные кислоты  транспортируются кровью в виде комплексов с   сывороточными альбуминами в разные органы и ткани, где включаются в процесс окисления.  Окисление   жирных   кислот.  Окисление   жирных   кислот   происходит   путем    β реакции обмена. ­окисления Для   того   чтобы   пройти   через   митохондриальную   мембрану,   жирной   кислоте необходим   специальный  переносчик   ­   карнитин  .   Поэтому   сначала   ацильная   группа переносится с ацил­СоА на карнитин. Ацил­карнитин пересекает мембрану и отдает свой ацильный фрагмент снова на кофермент А. Ферментом этой обратимой реакции служит ацил­карнитинтрансфераза . Первая фаза – активирование высшей жирной кислоты путем образования ацил КоА С17Н35СООН   +  НSКоА + АТФ               С17Н35СО~ SКоА +            АМФ + Н4Р2О7 Стеариновая кислота Фермент – ацилкоэнзим­А синтаза. Вторая   фаза   состоит   в   окислении   ацилКоА   при   участии   ФАД   ­зависимой дегидрогеназы С15 Н31­СН2­СН2­ СО~ SкоА                                       С15 Н31­СН = СН­ СО~ SКоА  α β ,   дегидростеарил КоА      Стеарил КоА                                                                                                            ФАД    ФАДН2                                                      Третья фаза – присоединение воды по месту двойной связи С15 Н31­СН=СН­ СО~ SКоА  + Н2О                     С15 Н31­СН–СН2­ СО~ SКоА                                         ОН                                                                               фермент гидратаза. α β ,   оксистеарил КоА      Четвертая фаза – окисление – дегидрирование с участием НАД­зависимых дегидрогеназ С15 Н31­СН–СН2­ СО~ SКоА                                С15 Н31­С–СН2­ СО~ SКоА                              ОН                       НАД                                  НАДН2           О β  кетостеарил КоА        Пятая фаза распада­ перенос новой ацильной группировки на НSКоА            С15 Н31­С–СН2­ СО~ SКоА +  НSКоА                          С15Н31СО~ SкоА    О + СН3СО~ SКоА   ацетил КоА Фермент – тиолаза.                   Пальмитил КоА Т.О. кислота укорачивается на 2 углеродных атома. Далее цикл повторяется  Конечным продуктом распада жирных кислот с четным числом атомов – ацетил КоА, с нечетным ­ ацетил КоА и пропионил КоА. СН3           ОН   ОН НS­СН2­СН2­NН­СО­СН2­   СН2­NН­СО­   СНОН­С­   СН2­О­Р­О­Р­О­СН2­рибозо3фосфат­ аденин           СН3             О      О Коэнзим   А   –   остаток   тиоламина,   остаток   пантотеновой   кислоты,   остаток   3­ фосфоаденозин­5­дифосфата. Конечным   итогом   повторяющихся   циклов  β  ­окисления   будет   окисление   всей ацильной цепи до ацетил­СоА, который затем может включаться в цитратный цикл для полного окисления. Распад фосфатидов.1) Гидролитический путь.  Фосфатиды  распадаются на компоненты: глицерин, высшие жирные кислоты, фосфорную кислоту, азотистые вещества. Ферменты – фосфолипазы – Классифицируются по месту расщепления и делятся на 4 типа: А В С Д С действия одного из этих ферментов начинается распад фосфатидов СО СО R1 R2 СН2 СН2 СН2 О А О В О СН2 СН2 P О СН2 СН2 N СН2                                  С                                         Д        холин Глицерин фосфорилируется и поступает в обменные реакции ВЖК окисляется до СО2 и Н2О Фосфорная кислота поступает в метаболитный фонд     Холин   взаимодействует   с   ацетил­КоА   –   образуется   ацетилхолин   –   вещество   , осуществляющее передачу нервных импульсов. Биосинтез фосфатидов.  Схема синтеза: глицерин                        фосфоглицерин                 фосфатидная кислота             диглицерид                                   ЦДФ Х (цитидиндифосфатхолин)                   ФОСФАТИД + ЦМФ ЦДФ + холин                             ЦДФ­холин ЦДФ­холин   + диглицерид                       фосфатид  + ЦМФ Фермент – 1,2 диацилглицеролхолинфосфотрансфераза. Биосинтез жирных кислот. Схема синтеза высших жирных кислот СО2 + ацетил КоА + АТФ + Н2О                                Фермент – ацетил­КоА карбоксилаза СООН­ СН2 – СО –SКoA + АДФ + Н3РО4 малонилКоА СООН­ СН2 – СО –SкoA + ацетил КоА                                              Фермент трансацилаза СН3­ СО ­ СН2 – СО –SкoA + НSКоА β  ­ кетобутирил КоА                    НАДН2               фермент кетоацилредуктаза                       НАД СН3­ СНОН ­ СН2 – СО –SкoA β ­ оксибутирил КоА                                              фермент ­ дегидротаза                                                   Н2О СН3­ СН = СН – СО –SКoA Кротонил КоА                                                      НАДФН2                                                     НАДФ+          фермент еноилредуктаза СН3­ СН2 ­ СН2 – СО –SКoA бутирил КоА Произошло удлинение цепи на два «С» атома, цикл продолжается дальше до образования высшей жирной кислоты. Фермент ацетил – КоА­трансфераза Проявляет свою активность при присоединении лимонной кислоты, Фосфорилирование фермента понижает активность, дефосфорилирование – повышает. Синтез   триглицеридов.  трансацилирования  В синтезе участвуют : α  ­фосфоглицерин Ацил КоА Ферменты – ацилтрансферазы Синтез   триацилглицеридов   осуществляется   путем 1 Образование   глицерин + АТФ                                  глицерофосфат α  –фосфоглицерина 2. Образование фосфатидной кислоты глицерофосфат +2 R­СО­SКоА                        фосфатидная кислота фермент ацилтрансфераза фосфатидная кислота + Н2О                              диглицерид + Н3РО4 фермент – фосфатидатфосфогидролаза 3. Образование триглицерида диглицерид + R­СО­SКоА                          триглицерид фермент – ацилтрансфераза. Обмен стеридов. При распаде, стериды   гидролизуются на жирную кислоту и стерол. Реакция   гидролиза   ускоряется   холестеролэстеразой,   действующей   также   на   сложные эфиры других стеролов. Видоизменение спиртов состоит в  восстановлении стеролов  по двойным связям. Так, холестерол   у   человека   и   высших   животных   превращается   в   дигидрохолестерол (холестанол), который в виде конформера выводится из организма: Более   сложный   характер   носит   видоизменение   стеролов  путем   окисления.   До  80% холестерола   превращается   в   печени   в   различные   холевые   кислоты.   При   более   полном окислении стеролов могут возникнуть стероидные гормоны. Таким образом, часть стеролов превращается в процессе окисления в различные соединения, выполняющие в организме важные функции. Синтез стеролов и стеридов. Синтез стеролов осуществляется из ацетил­КоА в качестве исходного вещества. Процесс ускоряется специфическими фосфотрансферазами.  В результате многочисленных реакций непредельный углеводород — сквален, соста­ вленный из 6 изопреноидных группировок. Молекула   сквалена   легко   принимает   пространственную   конфигурацию,   близкую   к пространственной конфигурации стеролов,. При   распределении   электронной   плотности   происходит   замыкание   (показано стрелками)   шестичленных   и   пятичленных   циклов,   характерных   для   стеролов.   Схема указанного перехода скваленоксида в стерол представлена ниже: Биосинтез   стеридов   протекает   путем   переноса   остатка   высшей   жирной   кислоты   от молекулы   ацил­КоА   на   место   водорода   ОН­группы   стерола   при   каталитическом воздействии холестерол­ацилтрансферазы: Энергетика   окисления   липидов.  Рассмотрим   на   примере   окисления   жирных кислот За один цикл β ­окисления образуется 1 молекула ацетил­СоА, окисление которого в цитратном цикле обеспечивает синтез  12 моль АТФ. Кроме того, образуется 1 моль ФАДH2  и   1   моль   НАДH,   при   окислении   которых   в   дыхательной   цепи   синтезируется соответственно 2 и 3 моль АТФ (в сумме 5).  Таким   образом,   при   окислении,   например,   пальмитиновой   кислоты   (С16) происходит 7 циклов β ­окисления, в результате которых образуется 8 молей ацетил­СоА, 7 молей ФАДH2  и 7 молей НАДH+Н. Следовательно, выход АТФ составляет 35 АТФ в результате  β  ­окисления и 96 АТФ в результате цитратного цикла, что соответствует в сумме 131 моль АТФ.