Липидный обмен — это синтез и распад липидов в клетках, включающий расщепление и хранение жиров для получения энергии, а также синтез структурных и функциональных липидов, например тех, которые участвуют в построении клеточных мембран . У животных эти жиры получаются с пищей и синтезируются печенью . [1] Липогенез — это процесс синтеза этих жиров. [2] [3] Большинство липидов, попадающих в организм человека с пищей, представляют собой триглицериды и холестерин . [4] Другими типами липидов, обнаруженными в организме, являются жирные кислоты и мембранные липиды . Липидный обмен часто рассматривают как процесс переваривания и всасывания пищевых жиров; однако существует два источника жиров, которые организмы могут использовать для получения энергии: из потребляемых пищевых жиров и из накопленных жиров. [5] Позвоночные животные (включая человека) используют оба источника жира для производства энергии для функционирования таких органов, как сердце . [6] Поскольку липиды являются гидрофобными молекулами, их необходимо растворить, прежде чем начнется их метаболизм. Обмен липидов часто начинается с гидролиза , [7] который происходит с помощью различных ферментов пищеварительной системы. [2] Липидный обмен также происходит у растений, хотя процессы в некоторых отношениях отличаются от животных. [8] Вторым этапом после гидролиза является абсорбция жирных кислот эпителиальными клетками кишечной стенки . [6] В эпителиальных клетках жирные кислоты упаковываются и транспортируются по всему организму. [9]
Метаболические процессы включают переваривание липидов, всасывание липидов, транспорт липидов, накопление липидов, катаболизм липидов и биосинтез липидов. Катаболизм липидов осуществляется процессом, известным как бета-окисление , которое происходит в митохондриях и пероксисомальных органеллах клеток .
Пищеварение является первым шагом к липидному обмену и представляет собой процесс расщепления триглицеридов на более мелкие моноглицеридные единицы с помощью ферментов липазы . Переваривание жиров начинается во рту посредством химического переваривания лингвальной липазой . Поступивший в организм холестерин не расщепляется липазами и остается нетронутым до тех пор, пока не попадет в эпителиальные клетки тонкой кишки. Затем липиды попадают в желудок, где продолжается химическое пищеварение под действием желудочной липазы и начинается механическое пищеварение ( перистальтика ). Однако большая часть переваривания и всасывания липидов происходит, когда жиры достигают тонкого кишечника. Химические вещества из поджелудочной железы ( семейство панкреатических липаз и липаза, зависимая от солей желчных кислот ) секретируются в тонкий кишечник, чтобы помочь расщеплению триглицеридов [10] наряду с дальнейшим механическим перевариванием, пока они не станут отдельными единицами жирных кислот , способными всасываться в тонкий кишечник. эпителиальные клетки кишечника . [11] Именно липаза поджелудочной железы отвечает за передачу сигналов о гидролизе триглицеридов на отдельные свободные жирные кислоты и глицериновые единицы.
Вторым этапом липидного обмена является всасывание жиров. Короткоцепочечные жирные кислоты могут всасываться в желудке , тогда как большая часть всасывания жиров происходит только в тонком кишечнике . Когда триглицериды расщепляются на отдельные жирные кислоты и глицерины вместе с холестерином, они объединяются в структуры, называемые мицеллами . Жирные кислоты и моноглицериды покидают мицеллы и диффундируют через мембрану, проникая в эпителиальные клетки кишечника. В цитозоле эпителиальных клеток жирные кислоты и моноглицериды рекомбинируются обратно в триглицериды. В цитозоле эпителиальных клеток триглицериды и холестерин упакованы в более крупные частицы, называемые хиломикроны , которые представляют собой амфипатические структуры, транспортирующие переваренные липиды. [9] Хиломикроны проходят через кровоток и попадают в жировую ткань и другие ткани организма. [6] [2] [3]
Из-за гидрофобной природы мембранных липидов , триглицеридов и холестерина им требуются специальные транспортные белки, известные как липопротеины. [1] Амфипатическая структура липопротеинов позволяет транспортировать триглицериды и холестерин через кровь . Хиломикроны представляют собой одну из подгрупп липопротеинов, которые переносят переваренные липиды из тонкого кишечника в остальную часть тела. Различная плотность между типами липопротеинов характерна для того, какой тип жиров они транспортируют. [12] Например, липопротеины очень низкой плотности ( ЛПОНП ) переносят триглицериды, синтезируемые нашим организмом, а липопротеины низкой плотности (ЛПНП) транспортируют холестерин к нашим периферическим тканям. [6] [1] Некоторые из этих липопротеинов синтезируются в печени, но не все из них происходят из этого органа. [1]
Липиды хранятся в белой жировой ткани в виде триглицеридов. У худощавого молодого взрослого человека масса накопленных триглицеридов составляет около 10–20 килограммов. Триглицериды образуются из основной цепи глицерина с тремя жирными кислотами. Свободные жирные кислоты активируются в ацил-КоА и этерифицируются, в конечном итоге достигая капли триглицерида. Липопротеинлипаза играет важную роль. [13]
Как только хиломикроны (или другие липопротеины) проходят через ткани, эти частицы расщепляются липопротеинлипазой на поверхности просвета эндотелиальных клеток в капиллярах с высвобождением триглицеридов. [14] Триглицериды расщепляются на жирные кислоты и глицерин, прежде чем попасть в клетки, а оставшийся холестерин снова попадает через кровь в печень. [15]
В цитозоле клетки (например, мышечной клетки) глицерин преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат , который является промежуточным продуктом гликолиза , для дальнейшего окисления и производства энергии. Однако основные этапы катаболизма жирных кислот происходят в митохондриях . [16] Длинноцепочечные жирные кислоты (более 14 атомов углерода) должны быть преобразованы в жирный ацил-КоА , чтобы пройти через мембрану митохондрий . [6] Катаболизм жирных кислот начинается в цитоплазме клеток , поскольку ацил-КоА-синтетаза использует энергию расщепления АТФ для катализа присоединения коэнзима А к жирной кислоте. [6] Образующийся ацил-КоА проникает через мембрану митохондрий и вступает в процесс бета-окисления . Основными продуктами бета-окисления являются ацетил-КоА (который используется в цикле лимонной кислоты для производства энергии), НАДН и ФАДН. [16] Для процесса бета-окисления необходимы следующие ферменты: ацил-КоА-дегидрогеназа , еноил-КоА-гидратаза , 3-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа и 3-кетоацил-КоА-тиолаза . [15] На диаграмме слева показано, как жирные кислоты превращаются в ацетил-КоА. Общая итоговая реакция с использованием пальмитоил-КоА (16:0) в качестве модельного субстрата:
Помимо пищевых жиров, запасные липиды, хранящиеся в жировых тканях , являются одним из основных источников энергии для живых организмов. [17] Триацилглицерины , липидные мембраны и холестерин могут синтезироваться организмами различными путями.
Существует два основных класса мембранных липидов: глицерофосфолипиды и сфинголипиды . Хотя в нашем организме синтезируется множество различных мембранных липидов, пути их синтеза одинаковы. Первый этап — синтез основной цепи ( сфингозина или глицерина ), второй этап — добавление жирных кислот к основной цепи с образованием фосфатидной кислоты. Фосфатидная кислота дополнительно модифицируется путем присоединения к основной цепи различных гидрофильных головных групп. Биосинтез мембранных липидов происходит в мембране эндоплазматического ретикулума . [18]
Фосфатидовая кислота также является предшественником биосинтеза триглицеридов. Фосфатаза фосфатидной кислоты катализирует превращение фосфатидной кислоты в диацилглицерид, который под действием ацилтрансферазы преобразуется в триглицериды . Биосинтез триглицеридов происходит в цитозоле. [19]
Предшественником жирных кислот является ацетил-КоА , который встречается в цитозоле клетки. [19] Общая итоговая реакция с использованием пальмитата (16:0) в качестве модельного субстрата:
8 Ацетил-КоА + 7 АТФ + 14 НАДФН + 6H+ → пальмитат + 14 НАДФ+ + 6H2O + 7ADP + 7P¡
Холестерин может быть получен из ацетил-КоА многоэтапным путем, известным как изопреноидный путь . Холестерины необходимы, потому что они могут быть модифицированы для образования в организме различных гормонов , таких как прогестерон . [6] 70% биосинтеза холестерина происходит в цитозоле клеток печени. [ нужна цитата ]
Нарушения липидного обмена (включая врожденные нарушения липидного обмена ) — это заболевания, при которых возникают проблемы с расщеплением или синтезом жиров (или жироподобных веществ). [20] Нарушения липидного обмена связаны с увеличением концентрации липидов плазмы в крови, таких как холестерин ЛПНП , ЛПОНП и триглицериды , которые чаще всего приводят к сердечно-сосудистым заболеваниям. [21] В большинстве случаев эти расстройства являются наследственными, то есть это заболевание передается от родителя к ребенку через гены. [20] Болезнь Гоше (типы I, II и III), болезнь Нимана-Пика , болезнь Тея-Сакса и болезнь Фабри - все это заболевания, при которых у больных может наблюдаться нарушение липидного обмена в организме. [22] Более редкими заболеваниями, связанными с нарушением липидного обмена, являются ситостеринемия , болезнь Вольмана , болезнь Рефсума и церебротендинозный ксантоматоз . [22]
Типы липидов, участвующих в липидном обмене, включают:
Липид + обмен веществ по медицинским предметным рубрикам Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)