Metabolismus lipidů neboli metabolismus lipidů je komplexní biochemický a fyziologický proces, který probíhá v některých buňkách živých organismů. Tedy látky, které jsou nerozpustné ve vodě, ale rozpustné v nepolárních organických rozpouštědlech [1] .
Metabolismus lipidů zahrnuje následující procesy:
Termín " lipidy " v sobě spojuje látky, které mají společnou fyzikální vlastnost - hydrofobnost, tedy nerozpustnost ve vodě. Taková definice však v současnosti není zcela správná vzhledem k tomu, že některé skupiny (triacylglyceroly, fosfolipidy, sfingolipidy atd.) se projevují jako amfifilní nebo amfifilní sloučeniny, to znamená, že se mohou rozpouštět jak v polárních látkách (hydrofilita), tak v nepolární (hydrofobicita). Struktura lipidů je tak různorodá, že nemají společný rys chemické struktury. Lipidy se dělí do tříd, které kombinují molekuly, které mají podobnou chemickou strukturu a společné biologické vlastnosti.
Převážnou část lipidů v těle tvoří tuky – triacylglyceroly , které slouží jako forma zásoby energie. Tuky se nacházejí především v podkožní tukové tkáni a plní také funkce tepelné izolace a mechanické ochrany.
Fosfolipidy jsou velkou třídou lipidů, které dostaly svůj název podle zbytku kyseliny fosforečné , který jim dává jejich amfifilní vlastnosti. Díky této vlastnosti tvoří fosfolipidy dvouvrstvou membránovou strukturu, ve které jsou ponořeny proteiny. Buňky nebo buněčná dělení obklopená membránami se liší složením a souborem molekul od prostředí, proto jsou chemické procesy v buňce odděleny a orientovány v prostoru, což je nezbytné pro regulaci metabolismu.
Steroidy , zastoupené v živočišné říši cholesterolem a jeho deriváty, plní různé funkce. Cholesterol je důležitou součástí membrán a regulátorem vlastností hydrofobní vrstvy. Deriváty cholesterolu ( žlučové kyseliny ) jsou nezbytné pro trávení tuků. Steroidní hormony syntetizované z cholesterolu se podílejí na regulaci energie, metabolismu voda-sůl a sexuálních funkcí. Kromě steroidních hormonů vykonává řada lipidových derivátů regulační funkce a působí podobně jako hormony ve velmi nízkých koncentracích. Například faktor aktivující krevní destičky - fosfolipid zvláštní struktury - má silný účinek na agregaci krevních destiček v koncentraci 10-12 M; eikosanoidy , deriváty polyenových mastných kyselin, produkované téměř všemi typy buněk, způsobují různé biologické účinky v koncentracích nepřesahujících 10-9 M. Z výše uvedených příkladů vyplývá, že lipidy mají širokou škálu biologických funkcí.
V lidských tkáních se množství různých tříd lipidů významně liší. V tukové tkáni tvoří tuky až 75 % sušiny. Nervová tkáň obsahuje lipidy do 50 % sušiny, z nichž hlavní jsou fosfolipidy a sfingomyeliny (30 %), cholesterol (10 %), gangliosidy a cerebrosidy (7 %). V játrech celkové množství lipidů běžně nepřesahuje 10-13%.
Poruchy metabolismu lipidů vedou ke vzniku mnoha nemocí, ale dvě z nich jsou mezi lidmi nejčastější - obezita a ateroskleróza .
Denní potřeba tuků u člověka je 70-80 g, i když jejich obsah ve stravě se může pohybovat od 80 do 130 g.
Žaludek obsahuje enzym lipázu , který může katalyzovat rozklad triacylglycerolů. Optimálním prostředím pro jeho působení je však prostředí blízké neutrálnímu. Proto je lipáza v žaludku u dospělých prakticky neaktivní kvůli nízkým hodnotám pH.
U dětí je však situace poněkud odlišná: žaludek dětí při narození má prostředí blízké neutrálnímu (pH (průměr) = 5,5). Tento jev je způsoben hlavní potravou dětí – mlékem (obsahuje bílkoviny a mastné kyseliny (množství uhlíku je menší než 14)). Enzym lipáza tedy hraje klíčovou roli v metabolismu lipidů u dětí. .
V duodenu je jídlo vystaveno žluči a pankreatické šťávě. V první fázi dochází k emulgaci tuků.
Tuky tvoří až 90 % lipidů ve stravě . Ke trávení tuků dochází v tenkém střevě, ale již v žaludku je malá část tuků hydrolyzována působením „ jazykové lipázy “ (lingvální (latinsky lingua – jazyk) lipázy). Tento enzym je syntetizován žlázami na dorzálním povrchu jazyka a je relativně stabilní při kyselém pH žaludku . Proto působí během 1-2 hodin na tuky potravy v žaludku. Příspěvek této lipázy k trávení tuků u dospělých lidí je však zanedbatelný. Hlavní proces trávení probíhá v tenkém střevě .
Protože tuky jsou ve vodě nerozpustné sloučeniny, mohou být vystaveny působení enzymů rozpuštěných ve vodě pouze na rozhraní voda/tuk. Působení pankreatické lipázy , která hydrolyzuje tuky, proto předchází emulgace tuku . Emulgace (smíchání tuku s vodou) probíhá v tenkém střevě působením žlučových solí . Žlučové kyseliny jsou hlavně konjugované: taurocholová , glykocholová a další kyseliny.
Když potrava vstoupí do žaludku a poté do střev , začnou buňky sliznice tenkého střeva vylučovat do krve peptidový hormon cholecystokinin (pancreozymin) . Tento hormon působí na žlučník , stimuluje jeho kontrakci, a na exokrinní buňky slinivky břišní, stimuluje sekreci trávicích enzymů , včetně pankreatické lipázy . Jiné buňky sliznice tenkého střeva vylučují hormon sekretin v reakci na příjem kyselého obsahu ze žaludku. Sekretin je peptidový hormon, který stimuluje sekreci bikarbonátu (HCO 3- ) do pankreatické šťávy .
Abnormální trávení tuků může být způsobeno několika důvody. Jedním z nich je porušení sekrece žluči ze žlučníku s mechanickou překážkou odtoku žluči. Tento stav může být důsledkem zúžení žlučovodu kameny, které se tvoří ve žlučníku, nebo stlačení žlučovodu nádorem , který se vyvíjí v okolních tkáních. Snížení sekrece žluči vede k narušení emulgace dietních tuků a následně ke snížení schopnosti pankreatické lipázy hydrolyzovat tuky.
Porušení sekrece pankreatické šťávy a následně nedostatečná sekrece pankreatické lipázy také vede ke snížení rychlosti hydrolýzy tuků. V obou případech vede narušení trávení a vstřebávání tuků ke zvýšení množství tuku ve stolici - dochází ke steatoree (tukové stolici). Normálně není obsah tuku ve výkalech větší než 5 %. Při steatoree je narušeno vstřebávání vitamínů rozpustných v tucích (A, D, E, K) a esenciálních mastných kyselin , proto se při dlouhodobé steatoree rozvíjí deficit těchto esenciálních nutričních faktorů s odpovídajícími klinickými příznaky. V případě narušení trávení tuků jsou látky nelipidové povahy také špatně stráveny, protože tuk obaluje částice potravy a zabraňuje působení enzymů na ně .
Hlavní část lipidů absorbovaných v tenkém střevě se účastní resyntézy triacylglycerolů. K tomu pracují speciální enzymy v endoplazmatickém retikulu enterocytů.
Faktory ovlivňující absorpci lipidůLipidový katabolismus je souhrn všech lipidových katabolických procesů , včetně několika fází:
Lipolýza je katabolický proces, jehož výsledkem je štěpení tuků , ke kterému dochází působením enzymu lipázy .
Proces β-oxidace vyšších mastných kyselin (HFA) se skládá z následujících kroků:
Ačkoli β-oxidace je nejcharakterističtější pro mastné kyseliny, vyskytují se také dva další typy oxidace: α- a ω-oxidace. Oxidace mastných kyselin s dlouhým řetězcem na 2-hydroxykyseliny a následně na mastné kyseliny s jedním uhlíkovým atomem méně než v původním substrátu byla prokázána v mozkových mikrosomech a dalších tkáních a také v rostlinách. 2-hydroxykyseliny s dlouhým řetězcem jsou součástí mozkových lipidů .
Asi polovina mastných kyselin v lidském těle je nenasycená. β-oxidace těchto kyselin probíhá obvyklým způsobem, dokud není dvojná vazba mezi třetím a čtvrtým atomem uhlíku. Enzym enoyl-CoA izomeráza pak přesune dvojnou vazbu z polohy 3-4 do polohy 2-3 a změní dvojnou vazbu z cis na trans, což je nutné pro β-oxidaci. V tomto β-oxidačním cyklu nedochází k první dehydrogenační reakci, protože dvojná vazba v radikálu mastné kyseliny je již přítomna. Dále pokračují cykly β-oxidace, které se neliší od obvyklé cesty.
Porušení přenosu mastných kyselin do mitochondrií.
Rychlost přenosu mastných kyselin do mitochondrií , a tedy i rychlost procesu β-oxidace, závisí na dostupnosti karnitinu a rychlosti enzymu karnitinacyltransferázy I.
β-oxidace může být narušena následujícími faktory:
Při dlouhodobém půstu se ketolátky stávají hlavním zdrojem energie pro kosterní svalstvo , srdce a ledviny . Glukóza se tak ukládá pro oxidaci v mozku a červených krvinkách . Již 2-3 dny po začátku hladovění je koncentrace ketolátek v krvi dostatečná k tomu, aby přešly do mozkových buněk a byly okysličovány, čímž se snižuje jeho potřeba glukózy.
Kyslík, nezbytný pro tělo pro fungování CPE a mnoha dalších reakcí, je také toxická látka, pokud z něj vznikají tzv. aktivní formy.
Mezi reaktivní formy kyslíku patří:
Lipogeneze je proces syntézy mastných kyselin , jejichž hlavním zdrojem jsou sacharidy .
S jídlem se do těla dostávají různé mastné kyseliny, včetně esenciálních. Významná část esenciálních mastných kyselin je syntetizována v játrech , v menší míře v tukové tkáni a laktující mléčné žláze . Zdrojem uhlíku pro syntézu mastných kyselin je acetyl-CoA , který vzniká při rozkladu glukózy v absorpčním období. Přebytečné sacharidy vstupující do těla se tak přeměňují na mastné kyseliny a poté na tuky .
Všechny ketolátky pocházejí z acetoacetyl-CoA, který vzniká kondenzací 2 molekul acetyl-CoA způsobem hlava-ocas. Kondenzační reakce probíhá v mitochondriích. V játrech acetoacetyl-CoA interaguje s jinou molekulou acetyl-CoA a přeměňuje se na HOMG-CoA, důležitý meziprodukt pro syntézu cholesterolu a steroidů.
Mastné kyseliny tělo získává z potravy a lipogenezí z acetyl-CoA , který se tvoří ze sacharidů a některých aminokyselin . Složení dietní směsi mastných kyselin se velmi liší, pokud jde o stupeň nenasycení a délku řetězce. Lipogeneze u vyšších živočichů zahrnuje pouze tvorbu palmitátu, ze kterého vznikají další nasycené a mononenasycené kyseliny. Ze směsi dostupných mastných kyselin v játrech zvířete vzniká soubor mastných kyselin charakteristických pro tento druh; povaha syntetizovaných mastných kyselin je však ovlivněna i stravou. Procesy využití mastných kyselin v potravě zahrnují zkrácení a prodloužení uhlíkové kostry a také zavedení dvojné vazby .
Fosfolipidy plní řadu důležitých biologických funkcí. Jako většina polárních lipidů jsou to amfifilní sloučeniny nesoucí hydrofobní a hydrofilní skupiny. Některé fosfolipidy , jako je fosfatidylcholin, jsou dipolární ionty s kationtovými a aniontovými skupinami a jsou hlavními složkami systémů buněčných membrán. Například v myelinizovaném nervovém vláknu tvoří fosfolipidy a cerebrosidy přibližně 60 % suché hmotnosti.
Mezi tělesnými lipidy jsou fosfolipidy distribuovány nerovnoměrně. Bohatým zdrojem fosfolipidů jsou tkáňové lipidy různých žláz, zejména jater , a také krevní plazma, kde mohou tvořit až polovinu všech lipidů. Fosfolipidy jsou také převládajícími lipidy ve žloutcích ptačích vajec a semenech luštěnin. Metabolismus různých fosfolipidů v určitých místech zvířecího těla byl studován pomocí různých izotopů, nejčastěji 32R . Poločas rozpadu těchto lipidů se pohybuje od méně než jednoho dne u jaterního fosfatidylcholinu po více než 200 dnů u mozkového fosfatidylethanolaminu .
Cholesterol je hlavním steroidem v těle zvířat. U dospělého člověka je obsah cholesterolu 140-150 g. Asi 93 % steroidu je součástí membrán a 7 % je v tělesných tekutinách. Cholesterol zvyšuje mikroviskozitu membrán a snižuje jejich propustnost pro H 2 O a látky rozpustné ve vodě. V krvi je přítomen ve formě volného cholesterolu, který je obsažen ve slupce lipoproteinů , a jeho esterů, které spolu s TAG tvoří vnitřní obsah těchto částic. Obsah cholesterolu a jeho esterů v chylomikronech je ~ 5 %, ve VLDL ~ 10 %, v LDL ~ 50-60 % a v HDL ~ 20-30 %. Koncentrace cholesterolu v krevním séru dospělého člověka je běžně ~ 200 mg / dl nebo 5,2 mmol / l, což odpovídá rovnováze cholesterolu, kdy se množství cholesterolu vstupující do těla rovná množství cholesterolu vyloučeného z těla. Pokud je koncentrace cholesterolu v krvi vyšší než normální, znamená to jeho zadržování v těle a je to rizikový faktor pro rozvoj aterosklerózy .
Cholesterol je prekurzorem všech živočišných steroidů:
Cholesterolová rovnováha je udržována díky tomu, že cholesterol na jedné straně pochází z potravy (~ 0,3–0,5 g/s) a je syntetizován v játrech nebo jiných tkáních (~ 0,5 g/s) a na druhé straně je vylučován stolicí ve formě žlučových kyselin , cholesterolu žluči , produktů katabolismu steroidních hormonů , s mazem, jako součást membrán deskvamovaného epitelu (~ 1,0 g/s)
Eikosanoidy, včetně prostaglandinů , tromboxanů , leukotrienů a řady dalších látek, jsou vysoce aktivními regulátory buněčných funkcí. Mají velmi krátký T 1/2 , proto působí jako "hormony lokálního působení", ovlivňující metabolismus buňky, která je produkuje, autokrinním mechanismem a na okolní buňky - parakrinním mechanismem. Eikosanoidy se účastní mnoha procesů: regulují tonus buněk hladkého svalstva a v důsledku toho ovlivňují krevní tlak , stav průdušek , střev a dělohy. Eikosanoidy regulují vylučování vody a sodíku ledvinami, ovlivňují tvorbu krevních sraženin. Na vzniku zánětlivého procesu, ke kterému dochází po poškození tkáně nebo infekci, se podílejí různé typy eikosanoidů. Příznaky zánětu, jako je bolest, otok, horečka, jsou z velké části způsobeny působením eikosanoidů. Nadměrná sekrece eikosanoidů vede k řadě onemocnění, jako je bronchiální astma a alergické reakce .
Hlavním substrátem pro syntézu eikosanoidů je kyselina arachidonová (ω-6-eikosatetraenová) obsahující 4 dvojné vazby na atomech uhlíku (5, 8, 11, 14). Může být požit nebo syntetizován z kyseliny linolové . V malých množstvích lze v malých množstvích použít kyselinu ω-6-eikosatrienoovou se třemi dvojnými vazbami (5, 8, 11) a kyselinu ω-3-eikosapentaenovou, která má 5 dvojných vazeb v polohách 5, 8, 11, 14 pro syntézu eikosanoidů, 17. Obě minoritní kyseliny eikosanové buď pocházejí z potravy, nebo jsou syntetizovány z kyseliny olejové a linolenové.
Syntéza leukotrienů probíhá cestou odlišnou od syntézy prostaglandinů a začíná tvorbou hydroxyperoxidů - hydroperoxid deikosatetraenoátů (HPETE). Tyto látky jsou buď redukovány za vzniku hydroxyeikosatetroenoátů (HETE) nebo přeměněny na leukotrieny nebo lipoxiny. GETE se liší polohou hydroxylové skupiny na 5., 12. nebo 15. atomu uhlíku, například: 5-GETE, 12-GETE.
Lipoxiny (například bazický lipoxin A4 ) zahrnují 4 konjugované dvojné vazby a 3 hydroxylové skupiny.
Syntéza lipoxinů začíná působením 15-lipoxygenázy na kyselinu arachidonovou , poté dochází k řadě reakcí vedoucích ke vzniku lipoxinu A 4
Pomalu reagující látka v anafylaxi (MPR-A) je směs leukotrienů C 4 , D 4 a E 4 . Tato směs je 100-1000krát účinnější než histamin nebo prostaglandiny při vyvolání kontrakce hladkého svalstva průdušek. Tyto leukotrieny spolu s leukotrinem B 4 zvyšují propustnost krevních cév a způsobují příliv a aktivaci leukocytů a jsou také důležitými regulátory u mnoha onemocnění, která zahrnují zánětlivé procesy nebo rychlé alergické reakce (například u bronchiálního astmatu ).
Přestože účinek všech typů eikosanoidů není zcela objasněn, existují příklady úspěšného použití léků - analogů eikosanoidů pro léčbu různých onemocnění. Například analogy PG E 1 a PG E 2 potlačují sekreci kyseliny chlorovodíkové v žaludku blokováním histaminových receptorů typu II v buňkách žaludeční sliznice . Tyto léky, známé jako H2 blokátory, urychlují hojení žaludečních a duodenálních vředů . Schopnost PG E 2 a PG F 2 α stimulovat kontrakci děložního svalu se využívá k vyvolání porodu .
Sfingolipidy jsou deriváty ceramidu vzniklé kombinací aminoalkoholu sfingosinu a mastné kyseliny . Skupina sfingolipidů zahrnuje sfingomyeliny a glykosfingolipidy .
Sfingomyeliny se nacházejí v buněčných membránách různých tkání, ale jejich největší množství se nachází v nervové tkáni. Sfingomyeliny myelinových pochev obsahují převážně mastné kyseliny s dlouhým řetězcem: lignocerovou a nervonovou kyselinu, zatímco sfingomyelin šedé hmoty mozku obsahuje převážně kyselinu stearovou .
Lysozomy obsahují enzymy, které dokážou hydrolyzovat jakékoli buněčné složky. Tyto enzymy se nazývají kyselé hydrolázy, protože jsou aktivní v kyselém prostředí.
V podmínkách pozitivní kalorické bilance se významná část potenciální energie potravin ukládá ve formě energie glykogenu nebo tuku . V mnoha tkáních se i při normální výživě, nemluvě o stavech kalorického deficitu nebo hladovění, oxidují převážně mastné kyseliny a ne glukóza . Důvodem je potřeba ukládat glukózu pro ty tkáně (například pro mozek nebo červené krvinky ), které ji neustále potřebují. Proto regulační mechanismy, často zahrnující hormony, musí zajistit, aby byly všechny tkáně neustále zásobovány vhodným palivem jak za normálních podmínek výživy, tak za podmínek hladovění. Selhání těchto mechanismů nastává při hormonální nerovnováze (např. při nedostatku inzulinu u diabetu ), při poruše metabolismu v období intenzivní laktace (např. při ketóze u skotu) nebo při zvýšení v metabolických procesech během březosti (například při březí toxikóze u ovcí). Takové stavy jsou patologické abnormality u syndromu nalačno; je pozorován u mnoha onemocnění doprovázených snížením chuti k jídlu.
Toto relativně vzácné genetické onemocnění je charakterizováno absencí plazmatické hustoty β-lipoproteinu nižší než 1,063 a je spojeno s intenzivní demyelinizací nervových vláken. Apo-B v plazmě chybí, stejně jako chylomikrony , VLDL a LDL . Hladina triacylglycerolů a cholesterolu v plazmě je velmi nízká. To ukazuje na potřebu apo-B pro normální absorpci, syntézu a transport triacylglycerolů a cholesterolu ze střeva a jater . Lipidy se hromadí v buňkách sliznice střevních klků , přičemž je pozorována akantocytóza - kulovitá deformace červených krvinek. Více než 80 % erytrocytů jsou akantocyty, nebo, jak se jim jinak říká, vroubkované erytrocyty (z řeckého akantha – zub, bodec).
Nedostatečný příjem kalorií může také vést k úplnému vymizení tukové tkáně z podkožních a omentálních zásob. K tomu může dojít u nádorů nebo chronického infekčního onemocnění, při podvýživě nebo při metabolických poruchách, jako je cukrovka nebo zvětšená štítná žláza . V experimentech bylo prokázáno, že poškození určitých oblastí hypotalamu způsobuje nechutenství i u dříve vyhladovělého zvířete. Pro anorexii, na jejímž vzniku záleží psychogenní složka, se používá termín „ mentální anorexie “ ( anorexia nervosa ).
Zatímco ztráta tělesných lipidů při onemocnění štítné žlázy je zčásti způsobena nadměrnou mobilizací rezervních lipidů, významnou příčinou kachexie při hladovění, nedostatku thiaminu nebo diabetu je snížená schopnost těla syntetizovat mastné kyseliny ze sacharidových prekurzorů.
Ateroskleróza (z řeckého ἀθέρος - pleva, kaše + σκληρός - tvrdá, hustá) je chronické onemocnění tepen elastického a svalově-elastického typu, ke kterému dochází v důsledku porušení metabolismu lipidů a je doprovázeno ukládáním cholesterolu a některých frakcí lipoproteinů v intimě cév. Usazeniny se tvoří ve formě ateromatózních plátů. Následná proliferace pojivové tkáně v nich ( skleróza ) a kalcifikace cévní stěny vedou k deformaci a zúžení průsvitu až k obliteraci (ucpání). Je důležité odlišit aterosklerózu od Menckebergovy arteriosklerózy, další formy sklerotických lézí tepen, která je charakterizována ukládáním vápenatých solí ve střední membráně tepen, difuzí léze (absence plátů ) , rozvojem aneuryzmata (spíše než ucpání) cév. Ateroskleróza cév vede k rozvoji ischemické choroby srdeční .
Molekulární mechanismy patogeneze aterosklerózyTaganovich aj. Biologická chemie. - Minsk: Higher School, 2013. - ISBN 978-985-06-2321-8 .