LIPIDY
Lipidy - složení vyšší mastné kyseliny + alkohol
fyz. chem. vlastnosti nepolární sloučeniny nerozpustnost ve vodě ve vodném prostředí nutná aktivace
Mastné kyseliny nasycené
polynenasycené
• palmitová 16 • stearová 18 • arachová 20 • lignocerová 24
• linolová 18:2, D 9 ,12
mononenasycené
ω3
ω6
α-linolenová
linolová
C18:3 cis-Δ9, 12, 15
C18:2 cis-Δ9, 12
• palmitoolejová 16:1, ∆ 9 eikosapentaenová EPA γ-linolenová C20:5 cis-Δ5,8,11,14,17 C18:3 cis-Δ6, 9, 12 • olejová 18:1, ∆ 9 docosahexaenová DHA arachidonová trans MK C22:6 aterosklerosa srdeční onemocnění zvýšení LDL cholesterol a snížení HDL cholestrol prozánětlivé
C20:4 cis-Δ5,8,11,14
Trávení lipidů ústní dutina lingvální (slinná) lipasa odštěpuje krátké a středně dlouhé MK
žaludek žaludeční lipasa odštěpuje krátké, středně dlouhé a nenasycené MK význam hlavně u kojenců (vyšší pH a již emulgovaný mléčný tuk)
mateřské mléko lipasa aktivovaná žlučovými kyselina
pankreatická šťáva pankreatická lipasa (α-lipasa) kolipasa
Trávení lipidů
aktivace až v lumen v přít. Ca2+
cholesterolesterasa štěpí estery cholesterolu
ceramidasa štěpí ceramidy
fosfolipasy A2 a A1 štěpí fosfolipidy
epitel tenkého střeva β-lipasa
B fosfolipasa = lysofosfolipasa odstraňuje acyl z 1. uhlíku po odštěpení acylu z 2. uhlíku
Žluč - složení voda žlučové kyseliny
k. cholová k. chenodeoxycholová
mucin a pigmenty
O-glykoproteiny bilirubindiglukosiduronát
fosfolipidy cholesterol mastné kyseliny a tuky anorganické soli léčiva, toxiny, kovy (Cu, Hg, Zn)
Vstřebávání lipidů Natrávená směs v tenkém střevě obsahuje Monoacylglyceroly (MAG) Volné mastné kyseliny (VMK) Cholesterol (CH) Částečně odbourané fosfolipidy (FL)
žk
žk žk žk
žk CH MAGCH
žk žk TAG G žk MAG FL VMK žk VMK vit G žk žk TAG FL žk žk CH TAG CH žk žk MAG VMK MAG žk žk žk žk žk žk žk
Za pomoci žlučových kyselin se vytvoří směsná micela Směsné micely při styku s kartáčovým lemem předávají svůj obsah buňkám střevní sliznice Volné MK se v enterocytech reesterifikují a s ostatními složkami tvoří chylomikrony, které enterocyt předává do lymfy.
Vstřebávání lipidů žk
žk
žk
G
žk
MAG
žk žk žkžk žk CHMAG žk žk TAG VMK žk žk MAG žk žk TAG VMK vit žk žk CH TAG žk MAG VMK MAGCH žk žk žk žk žk žk žk žk TAG FABP = Z
VMK VMK
CH
VMK ~CoA
G ~P
FL
VMK ~CoA
VMK ~CoA
MAG
VMK ~CoA
VMK ~CoA VMK ~CoA VMK CH
chylomikron
TAG
TAG
FL
TAG enterocyt
Transport lipidů Plasma je vodné prostředí Lipidy se transportují v krvi ve formě lipoproteinů Nepolární částice obklopeny částicemi amfifilními, navenek směřují hydrofilní části amfifilních molekul
Hydrofobní nepolární jádro estery cholesterolu TAG
apoB48 fosfolipidy apoproteiny volný cholesterol Hydrofilní polární obal
• apoB48 •
Apoproteiny
typický pro chylomikrony
• apoB100
• typický pro VLDL, LDL
• apoC-II
• nutný pro aktivaci lipoproteinové lipasy • typický pro VLDL, HDL
• apoE
• nutný pro rozpoznání na receptoru jater • typický pro VLDL, HDL
Třídy lipoproteinů • •
podle hustoty nebo podle elektroforetické pohyblivosti Chylomikrony
•
Největší, tvoří se v enterocytech
VLDL (Velmi nízká hustota)
• •
• •
Vznik v játrech, střevě Pre-β-lipoproteiny
IDL (Prostřední hustota)
• •
Vznikají z VLDL působením lipas β-lipoproteiny
LDL 20 chylomikron 500
LDL (Nízká hustota)
•
•
Vznikají z IDL působením lipas a výměnami apoproteinů β-lipoproteiny
HDL (Vysoká hustota)
• •
Vznik v játrech, střevě α-lipoproteiny
VLDL 50 HDL 10 Relativní velikost chylomikronů a lipoproteinů v nm (průměrné hodnoty)
Přehled osudů chylomikromů střevo
AC DE HDL
E, C chylo- E mikron CII
játra
C
ECH
B 48
B/E receptor
TAG CH
E B48
zbytek
E C
LPL
NEMK
B48
LPL
NEMK
Vznikají v enterocytech. V kapilárách periferních tkání na ně působí lipoproteinová lipasa (LPL), která odštěpí z TAG volné mastné kyseliny (NEMK). Chylomikron se zmenšuje, obsah TAG klesá a zbývající chylomikronové zbytky se vychytávají v játrech. Chylomikrony si vyměňují některé složky s částicemi HDL.
Přehled osudů VLDL, IDL a LDL játra
LDL - receptor
E VLDL C B100 tkáně
HDL TAG C TAG LPL
E IDL C B 100 NEMK
estery cholesterolu
LPL
LD L B100
NEMK
VLDL částice vznikají v hepatocytech. V kapilárách periferních tkání na ně působí lipoproteinová lipasa (LPL), která odštěpí z TAG volné mastné kyseliny (NEMK). VLDL se zmenšuje, obsah TAG klesá a vzniká částice IDL. IDL se vychytávají v játrech, nebo jsou dále okusovány LPL. Vznikají LDL, částice s relativně vysokým obsahem cholesterolu, který LDL transportují do periferních tkání. IDL a LDL si vyměňují některé složky s částicemi HDL.
Přehled osudů HDL játra
střevo
HDL receptor HDL-nascentní A, C, E
LCAT A C FL, ECH E CH, TAG HDL2
A FL, ECH C E HDL3
CETP TAG, CH
CH tkání
ECH chylomikrony VLDL, IDL LDL
HDL se syntetizují v játrech a v enterocytech jako diskovité nascentni HDL. Působením lecitin-cholesterol-acyltransferasy (LCAT) dochází k esterifikaci volného choleserolu, který migruje do středu částice, HDL se zakulacují, vyměňují si složky s ostatními lipoproteiny a nakonec se vychytávají zpět do jater. HDL je jediná částice schopná transportovat cholesterol z periferie do jater.
JÁTRA
B
nCH
B
C
A
C
CH
CHr E
A
ChE
CETP apo C,E
A
apo A,C
C
nHDL
HDL3 E
HDL2
LCAT
A
CETP ChE apo C,E
lysolecithin ChE
Ch
apo C
B B
C
nVLDL
PERIFERNÍ
B
VLDL E
B C
IDL
E
E
LPL B
LDL
Ch
ChE
Syntéza triacylglycerolů (TAG) lokalizace: tuková tkáň, játra zdroje: MK + glycerol-3-fosfát
glycerol z glykolýzy (redukcí dihydroxyacetonfosfátu) glycerol z degradovaných tuků (4 %)
průběh: Ke glycerol-3-fosfátu se připojí 2 acylCoA, vznikne kyselina fosfatidová, odštěpí se fosfát a naváže se třetí MK.
Syntéza mastných kyselin lokalizace: cytosol (játra, tuk. tkáň, ledviny, mozek, plíce, laktující mléčná žláza) průběh: opačný sled β- oxidace, jiné enzymy a kofaktory intermediáty vázány na ACP přes skupinu –SH enzymy sdružené do multifunkčního enzymu
– synthasa
MK
ACP – acyl carrier protein (protein nesoucí acyly)
Syntéza mastných kyselin Transport acetyl-CoA z mitochondrií do cytosolu citrát
obrácený citrátový cyklus
citrát oxalacetát
acetyl-CoA
oxalacetát malát
acetyl-CoA
pyruvát
pyruvát
CO2 cytosol
mitochondrie
Syntéza mastných kyselin Vlastní syntéza v cytosolu acetyl-CoA (2) CO2
palmitát (16)
- ATP
malonyl-CoA (3)
β-oxoacyl-ACP (6) CO2 malonyl-ACP (3)
malonyl-ACP (3)
butyryl-ACP (4) acetyl-CoA (2)
CO2
opak β-oxidace
acetoacetyl-ACP (4)
Syntéza dlouhých MK Mitochondrie průběh: opačný sled β- oxidace (navazování acetyl-CoA na 16C acyl-CoA) ale: hydrogenace pomocí NADH+H+ (ne FADH2) elongasy Endoplazmatické retikulum průběh: navazování malonyl-CoA na 16C acyl-CoA bez proteinu ACP na derivátu CoA
Syntéza nenasycených MK lokalizace: játra, endoplasmatické retikulum desaturasy (nehemové enzymy obsahující Fe) modifikací nasycených MK přes acyl-CoA k. palmitová (16)
k. palmitoyl-CoA
k. palmitoolejová (16:1) k. stearová (18)
k. stearoyl-CoA
k. olejová (18:1)
esenciální MK: linolová a α-linolenová
Ketogeneze k. acetooctová
CH3COCH2COO-
k. β-hydroxymáselná
CH3CHCH2COOOH
aceton
CH3COCH3
lokalizace: játra význam: živiny pro periferie (srdeční a kosterní svaly, ledviny) rozsah: podle množství VMK
Ketogeneze acetyl-CoA + acetyl-CoA CH3 -OOC-CH -C-CH -CO-S-CoA 2 2 acetyl-CoA OH β-hydroxy-β-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) acetoacetyl-CoA
lyasa acetoacetát
acetyl-CoA
NADH+H+
β-hydroxybutyrát
CO2
aceton
cholesterol dýchání (moč)
Ketóza příčina: vysoká hladina ketolátek v krvi U zdravých jedinců: po dlouhém hladovění strava s přemírou tuků s minimem sacharidů velmi namáhavá práce
U nemocných jedinců: diabetes mellitus – ketonémie a ketoacidóza
Využití ketolátek acetoacetát
β-hydroxybutyrát NADH+H+
acetoacetyl-CoA
acetyl-CoA + acetyl-CoA
citrátový cyklus
dýchací řetězec
Složené lipidy FOSFOLIPIDY = fosfatidy H3PO4 + dusíkatá hydroxysloučenina glycerofosfolipidy - nejčastější
funkce: emulgátory umožňují transport tuků v organismu součást buněčných membrán GLYKOLIPIDY cerebrosidy gangliosidy místo fosfátu je sacharid funkce: myelinové pochvy v nervové tkáni antigenní struktury na povrchu buněk
Glykolipidy
ceramid-OH
cerebrosidy v podstatě mezistupeň gangliosidů
gangliosidy
UDP-gal UDP-glc
CDP-N-acetyl neuraminát
významná role v imunitních pochodech
sulfatidy = sulfáty glykosylceramidů 15 % lipidů bílé hmoty mozku
globosidy
UDP-deriváty monosacharidů
cerebrosid UDP-deriváty
např. laktosylceramid
gangliosid
PAPS
sulfatid
Mobilizace tuků z tukových zásob Hydrolýza TG nebo lipolýza - akcentovaná při tělesné práci, hladovění nebo v chladu. Lipolýza zahrnuje 3 hydrolytické reakce (vzniknou 3 MK + glycerol), z nichž každá je katalyzovaná hormon senzitivní lipázou. Lipolýza i tvorba TG probíhají v cytoplazmě tukových buněk (adipocyty). MK uvolněné z TG jsou hydrolyzovány a dále se buď reesterifikují na TG opouštějí adipocyt
Mobilizace tuků z tukových zásob MK uvolněné z adipocytů, jsou transportovány v krvi pomocí plazmatických bílkovin - albuminů = volné mastné kyseliny (VMK) free fatty acids (FFA). VMK (většinou 16 - 18 uhlíků) musí být transportovány albuminem, neboť nejsou rozpustné ve vodě. Glycerol nemůže být znovu využit tukovými buňkami a protože je rozpustný ve vodě, cirkuluje krví - index lipolýzy.
Mobilizace tuků z tukových zásob Ve tkáních, které obsahují glycerol-kinázu (zejména játra), se glycerol fosforyluje na glycerol 3-P a může být použit na tvorbu glykogenu nebo GL glukoneogeneze. Lipolýza probíhá nejen v játrech, ale např. i v tenkém střevě (katalyzováno pankreatickou lipázou), nebo v plazmatických lipoproteinech (katalyzováno lipoproteinovou lipázou na endotelu kapilár).
Mobilizace tuků z tukových zásob Po jídle převažuje v adipocytech lipogeneze (tvorba TG) - dostatek prekrusorů - MK + glycerol. Při zátěži převažuje lipolýza. adipocyt Po jídle
VMK + glycerol
TG
Při zátěži, hladovění VMK + glycerol
Regulace metabolismu TG Zásobárny TG = zejména adipocyty + svalové buňky. Využívání tuků (zejména kosterní svaly + myokard) = šetření glykogenu. Během tělesné zátěže velmi důležité, neboť se výrazně zvyšuje potřeba energie. V adipocytech probíhá ve stejné době lipolýza i lipogeneze, něco musí převažovat. Regulace pomocí hormon senzitivní lipázy (TGlipáza), která je aktivovaná hormony (zejména adrenalinem).
Intracelulární transport MK MK buď vstupují do cytoplazmy buněk pomocí transportéru (vazební protein MK VPMK, FA binding protein - FABP) nebo prostou difúzí napříč buněčnou membránou. Aby mohla být využitá jejich energie (9,2 kcal/g), musí se dostat cytoplazmou do mitochondrií.
Tvorba acyl-CoA Aby MK mohly prostoupit mitochondriální membránou, musí být připojeny k CoA =
= acyl-CoA. Acyl-CoA je vytvořen s použitím energie, získané hydrolýzou ATP. acyl CoA syntetáza
MK + ATP + CoA
Mg2+
Acyl-CoA + AMP + Pi
Tvorba acyl-CoA Reakce je esenciálně ireverzibilní. Acyl-CoA je na energii bohatá sloučenina, neboť na svou tvorbu spotřebuje energii vzniklou rozkladem ATP na AMP. energie
acyl CoA syntetáza
MK + ATP + CoA
Mg2+
Acyl-CoA + AMP + PPi
Transport acyl-karnitinu Tvorba acyl-CoA probíhá v cytoplazmě, zatímco oxidace acyl-CoA probíhá v mitochondriích. Avšak vnitřní mitochondriální membrána je nepropustná pro acyl-CoA. Proto se k transportu acyl-CoA používá 3 různých transportních proteinů a malé molekuly karnitinu. Acyl-CoA sloučený s karnitinem může být transportován přes mitochondriální membránu!!! Karnitin prostupuje napříč mitochondriální membránou ven (z mitochondie do cytoplazmy) a sloučený s acyl-CoA dovnitř.
Vnitřní membrána
Cytoplazma
acyl-CoA
Karnitin
I
CoA
Karnitin
Acyl karnitin translokáza
acylkarnitin
Matrix
acylkarnitin
acyl-CoA
II
CoA
Nedostatek karnitinu, způsobený neschopností karnitin vytvořit, není vzácné metabolické onemocnění. Karnitin se ztrácí při dialyzační filtraci krve („umělá ledvina“)- nutnost doplňovat. Nedostatek karnitinu = svalová únava, špatná tolerance fyzického zatížení (způsobené akumulací TG ve svalech a neschopností oxidovat MK). Tělesná zátěž zvyšuje močovou exkreci karnitinu proto sportovci doplňují karnitin (zvýšení lipidové oxidace a šetření zásob glykogenu) - módní hit - málo účinné.
Oxidace MK (beta-oxidace) Nastává po vstupu acyl-CoA MK do matrix mitochondrií - cyklická reakce. V každém cyklu se acyl-CoA MK rozkládá vytváří 2uhlíkový acetyl-CoA a nový acyl-CoA zkrácený o 2 atomy uhlíku.
Acyl-CoA (C(C= =n n) - 2) FAD+
FADH2
dehydrogenace NAD+
NADH + H+
Acetyl-CoA C=2
Acyl-CoA (C = n-2)
Pyruvát (3C)
NAD+
CO2
NADH + H+ Acetyl-CoA (2C) Acyl-CoA Oxalacetát (4C)
Citrát (6C)
NAD+ Malát (4C)
NADH + H+
Izocitrát (6C) NAD+
Fumarát (4C)
CO2
NADH + H+
FADH2 Sukcinát (4C)
FAD
GTP GDP
Alfa-ketoglutarát (5C)
P Sukcinyl-CoA (4C)
NAD+ NADH + H+
CO2
Acyl-CoA (C = n)
Sudý počet C
FAD+
FADH2
dehydrogenace NAD+
NADH + H+
Acetyl-CoA C=2
Acyl-CoA (C = n-2)
Kolik cyklů?
Např. kyselina stearová [18:0] vytvoří s CoA stearyl-CoA, který má rovněž 18C. Odštěpením CoA (2C) vznikne 16-uhlíkový acyl-CoA.
1. cyklus
Odštěpením dalšího CoA (2C) vznikne 14-uhlíkový acyl-CoA.
2. cyklus
1. n = 18
+2
2. n = 16
+2
3. n = 14
+2
4. n = 12
+2
5. n = 10
+2
6. n = 8
+2
7. n = 6
+2
8. n = 4
+2
Počet cyklů (n : 2) - 1 = n-2 2
9. cyklus nemusí proběhnout, protože po 8. cyklu zůstanou 2 acetyl-CoA
Např. kyselina stearová [18:0] vytvoří s CoA stearyl-CoA, který má rovněž 18C. Odštěpením CoA (2C) vznikne 16-uhlíkový acyl-CoA.
1. cyklus
Odštěpením dalšího CoA (2C) vznikne 14-uhlíkový acyl-CoA.
2. cyklus
. . .
8. cyklus Během 8 cyklů [(18 : 2) - 1] se stearyl-CoA rozloží na 9 molekul acetyl-CoA
Energetický zisk z beta-oxidace kyseliny stearové Vytvoření stearylu-CoA ze stearové kyseliny
-2 ATP
Tvorba acyl-CoA Při rozložení ATP na AMP vzniknou 2 atomy fosfátu podobně jako při rozkladu 2 molekul ATP na 2 molekuly ADP
acyl CoA syntetáza
MK + ATP + CoA
Mg2+
Acyl-CoA + AMP + PPi
Ztráta energie při rozložení ATP na AMP je stejná jako při ztráta při rozložení 2 ATP na 2 ADP.
Energetický zisk z beta-oxidace kyseliny stearové Vytvoření stearylu-CoA ze stearové kyseliny •
-2 ATP
Při tvorbě 9 acetyl-CoA vznikne 8 FADH2 a 8 NADH + H+. V respiračním řetězci vzniknou v přítomnosti FADH2 dvě molekuly ATP, v přítomnosti NADH + H+ tři molekuly ATP - v každém cyklu 5 molekul ATP počet cyklů 8, počet ATP
+40 ATP
NAD+ + H2+ + 3 ADP = NADH + H+ + 3 ATP
FAD+ + H2+ + 2 ADP = FADH + H+ + 2 ATP
1 cyklus = 3 ATP + 2 ATP = 5 ATP 8 cyklů = 8 . 5 ATP = 40 ATP
Energetický zisk z beta-oxidace kyseliny stearové Vytvoření stearylu-CoA ze stearové kyseliny •
-2 ATP
Při tvorbě 9 acetyl-CoA vznikne 8 FADH2 a 8 NADH + H+. V respiračním řetězci vzniknou v přítomnosti FADH2 dvě molekuly ATP, v přítomnosti NADH + H+ tři molekuly ATP - v každém cyklu 5 molekul ATP počet cyklů 8, počet ATP
+40 ATP •
Z jedné molekuly acetyl-CoA vznik v Krebsově cyklu 12 molekul ATP. Počet acetyl-CoA = 9, počet ATP = 9 . 12 = +108 ATP
Pyruvát (3C)
NAD+
CO2
NADH + H+ Acetyl-CoA (2C)
Oxalacetát (4C)
Citrát (6C)
NAD+ Malát (4C)
NADH + H+
Izocitrát (6C) NAD+
Fumarát (4C)
CO2
NADH + H+
FADH2 Sukcinát (4C)
FAD
GTP GDP
Alfa-ketoglutarát (5C)
P Sukcinyl-CoA (4C)
NAD+ NADH + H+
CO2
Energetický zisk z beta-oxidace kyseliny stearové Vytvoření stearylu-CoA ze stearové kyseliny •
-2 ATP
Při tvorbě 9 acetyl-CoA vznikne 8 FADH2 a 8 NADH + H+. V respiračním řetězci vzniknou v přítomnosti FADH2 dvě molekuly ATP, v přítomnosti NADH + H+ tři molekuly ATP - v každém cyklu 5 molekul ATP počet cyklů 8, počet ATP
+40 ATP •
Z jedné molekuly acetyl-CoA vznik v Krebsově cyklu 12 molekul ATP. Počet acetyl-CoA = 9, počet ATP = 9 . 12 = +108 ATP
CELKEM
+146 ATP
Energetický zisk z
Acyl-CoA
beta-oxidace MK [(n - 2) / 2] FADH2
Počet cyklů (n - 2) / 2 n-2+3n 2
4n-2 = 2 +
n-2+n 2
2n-2 = 2
[(n - 2) / 2] NADH
= 2n-1
(n / 2 ) acetyl-CoA = n-1
= 2n-1+n-1 = 3n-2
n CO2
3n / 2 NADH
1
2n - 1 ATP
n / 2 FADH2
2
3n - 2 ATP
n / 2 GTP
3
3n - 2 ATP
MK
Acyl-CoA
-2 ATP [(n - 2) / 2] FADH2
Počet cyklů (n - 2) : 2
[(n - 2) / 2] NADH (n / 2 ) acetyl-CoA
3n / 2 NADH
1
2n - 1 ATP
n / 2 FADH2
2
3n - 2 ATP
n / 2 GTP
3
3n - 2 ATP
n : 2 ATP
n CO2
8,5 n - 7 5 ATP
MK
Energetický zisk z beta-oxidace MK Acyl-CoA
-2 ATP
[(n - 2) / 2] FADH2
Počet cyklů (n - 2) : 2
[(n - 2) / 2] NADH (n / 2 ) acetyl-CoA
8,5 n - 7 ATP 3n / 2 NADH
1
2n - 1 ATP
n / 2 FADH2
2
3n - 2 ATP
n / 2 GTP
3
3n - 2 ATP
n = počet atomů C
n : 2 ATP
n CO2
8,5 n - 7 ATP
