Lipidmetabolism , eller lipidmetabolism, är en komplex biokemisk och fysiologisk process som sker i vissa celler hos levande organismer. Med andra ord ämnen som är olösliga i vatten, men lösliga i opolära organiska lösningsmedel [1] .
Lipidmetabolism inkluderar följande processer:
Termen " lipider " kombinerar ämnen som har en gemensam fysisk egenskap - hydrofobicitet, det vill säga olöslighet i vatten. En sådan definition är dock för närvarande inte helt korrekt på grund av att vissa grupper (triacylglyceroler, fosfolipider, sfingolipider etc.) visar sig som amfifila eller amfifila föreningar, det vill säga de kan lösas upp både i polära ämnen (hydrofilicitet) och i icke-polär (hydrofobicitet). Lipidernas struktur är så varierande att de inte har ett gemensamt drag av den kemiska strukturen. Lipider delas in i klasser, som kombinerar molekyler som har en liknande kemisk struktur och gemensamma biologiska egenskaper.
Huvuddelen av lipider i kroppen är fetter - triacylglyceroler , som fungerar som en form av energilagring. Fetter finns huvudsakligen i den subkutana fettvävnaden och utför även funktionerna värmeisolering och mekaniskt skydd.
Fosfolipider är en stor klass av lipider som får sitt namn från fosforsyraresterna som ger dem deras amfifila egenskaper. På grund av denna egenskap bildar fosfolipider en dubbelskiktsmembranstruktur i vilken proteiner är nedsänkta. Celler eller celldelningar omgivna av membran skiljer sig i sammansättning och uppsättning av molekyler från miljön, så de kemiska processerna i cellen separeras och orienteras i rymden, vilket är nödvändigt för regleringen av ämnesomsättningen.
Steroider , representerade i djurriket av kolesterol och dess derivat, utför en mängd olika funktioner. Kolesterol är en viktig komponent i membran och en regulator av egenskaperna hos det hydrofoba lagret. Kolesterolderivat ( gallsyror ) är viktiga för matsmältningen av fetter. Steroidhormoner som syntetiseras från kolesterol är involverade i regleringen av energi, vatten-saltmetabolism och sexuella funktioner. Förutom steroidhormoner utför många lipidderivat reglerande funktioner och verkar, som hormoner, i mycket låga koncentrationer. Till exempel har en trombocytaktiverande faktor - en fosfolipid med en speciell struktur - en stark effekt på trombocytaggregation vid en koncentration av 10-12 M; eikosanoider , derivat av polyenfettsyror, producerade av nästan alla typer av celler, orsakar en mängd olika biologiska effekter vid koncentrationer av högst 10-9 M. Av ovanstående exempel följer att lipider har ett brett utbud av biologiska funktioner.
I mänskliga vävnader varierar mängden olika klasser av lipider avsevärt. I fettvävnad utgör fetter upp till 75 % av torrvikten. Nervvävnad innehåller lipider upp till 50 % av torrvikten, de viktigaste är fosfolipider och sfingomyeliner (30 %), kolesterol (10 %), gangliosider och cerebrosider (7 %). I levern överstiger den totala mängden lipider normalt inte 10-13%.
Störningar i lipidmetabolismen leder till utvecklingen av många sjukdomar, men två av dem är vanligast bland människor - fetma och åderförkalkning .
Människans dagliga behov av fett är 70-80 g, även om deras innehåll i kosten kan variera från 80 till 130 g.
Magen innehåller enzymet lipas , som kan katalysera nedbrytningen av triacylglyceroler. Den optimala miljön för dess handling är dock en miljö nära neutral. Därför är lipas i magen hos vuxna praktiskt taget inaktivt på grund av låga pH-värden.
Men hos barn är situationen något annorlunda: magen hos barn vid födseln har en miljö nära neutral (pH (medelvärde) = 5,5). Detta fenomen beror på barnens huvudföda - mjölk (innehåller proteiner och fettsyror (mängden kol är mindre än 14)). Således spelar lipasenzymet en nyckelroll i lipidmetabolismen hos barn. .
I tolvfingertarmen utsätts maten för galla och bukspottkörteljuice. I det första skedet sker emulgeringen av fetter där.
Fetter utgör upp till 90% av kostens lipider . Matsmältning av fetter sker i tunntarmen, men redan i magen hydrolyseras en liten del av fetterna genom verkan av " tunglipas " (lingualt (latin lingua - tunga) lipas). Detta enzym syntetiseras av körtlar på den dorsala ytan av tungan och är relativt stabilt vid surt pH i magen . Därför verkar det inom 1-2 timmar på fettet i maten i magen. Bidraget från detta lipas till fettsmältningen hos vuxna människor är dock försumbart. Huvudprocessen för matsmältningen sker i tunntarmen .
Eftersom fetter är vattenolösliga föreningar, kan de utsättas för verkan av enzymer lösta i vatten endast vid gränsytan mellan vatten och fett. Därför föregås verkan av bukspottkörtellipas , som hydrolyserar fetter, av fettemulgering . Emulgering (blandning av fett med vatten) sker i tunntarmen under inverkan av gallsalter . Gallsyror är huvudsakligen konjugerade: taurocholsyra , glykokolsyra och andra syror.
När mat kommer in i magen och sedan in i tarmarna börjar cellerna i tunntarmens slemhinna att utsöndra peptidhormonet kolecystokinin (pankreozymin) i blodet . Detta hormon verkar på gallblåsan och stimulerar dess sammandragning och på de exokrina cellerna i bukspottkörteln och stimulerar utsöndringen av matsmältningsenzymer , inklusive bukspottkörtellipas . Andra celler i tunntarmens slemhinna utsöndrar hormonet sekretin som svar på intaget av surt innehåll från magen. Sekretin är ett peptidhormon som stimulerar utsöndringen av bikarbonat (HCO 3 - ) i bukspottkörteln .
Onormal matsmältning av fetter kan bero på flera orsaker. En av dem är en kränkning av utsöndringen av galla från gallblåsan med ett mekaniskt hinder för utflödet av galla. Detta tillstånd kan vara resultatet av förträngning av gallgången av stenar som bildas i gallblåsan, eller kompression av gallgången av en tumör som utvecklas i omgivande vävnader. En minskning av gallsekretionen leder till en kränkning av emulgeringen av dietfetter och följaktligen till en minskning av förmågan hos bukspottkörtellipas att hydrolysera fetter.
Brott mot utsöndringen av pankreasjuice och följaktligen otillräcklig utsöndring av pankreatisk lipas leder också till en minskning av hydrolyshastigheten av fetter. I båda fallen leder en kränkning av matsmältningen och absorptionen av fetter till en ökning av mängden fett i avföringen - steatorré (fet avföring) uppstår. Normalt är fetthalten i avföring inte mer än 5%. Med steatorré försämras absorptionen av fettlösliga vitaminer (A, D, E, K) och essentiella fettsyror , därför utvecklas vid långvarig steatorré en brist på dessa väsentliga näringsfaktorer med motsvarande kliniska symtom. Vid kränkning av matsmältningen av fetter smälts ämnen av icke-lipid natur också dåligt, eftersom fett omsluter matpartiklar och förhindrar verkan av enzymer på dem .
Huvuddelen av lipiderna som absorberas i tunntarmen deltar i återsyntesen av triacylglyceroler. För detta arbetar speciella enzymer i enterocyternas endoplasmatiska retikulum.
Faktorer som påverkar lipidabsorptionenLipidkatabolism är helheten av alla lipidkataboliska processer , inklusive flera stadier:
Lipolys är en katabolisk process, vars resultat är nedbrytningen av fetter , som sker under verkan av enzymet lipas .
Processen för β-oxidation av högre fettsyror (HFA) består av följande steg:
Även om β-oxidation är mest karakteristisk för fettsyror, förekommer även två andra typer av oxidation: α- och ω-oxidation. Oxidationen av långkedjiga fettsyror till 2-hydroxisyror och sedan till fettsyror med en mindre kolatom än i det ursprungliga substratet har visats i hjärnmikrosomer och andra vävnader, såväl som i växter. Långkedjiga 2-hydroxisyror är komponenter i hjärnans lipider .
Ungefär hälften av fettsyrorna i människokroppen är omättade. β-oxidationen av dessa syror fortskrider på vanligt sätt tills dubbelbindningen är mellan den tredje och fjärde kolatomen. Enzymet enoyl-CoA-isomeras flyttar sedan dubbelbindningen från position 3-4 till position 2-3 och ändrar dubbelbindningen från cis till trans, vilket krävs för β-oxidation. I denna β-oxidationscykel inträffar inte den första dehydreringsreaktionen, eftersom dubbelbindningen i fettsyraradikalen redan är närvarande. Vidare fortsätter β-oxidationscyklerna, utan att skilja sig från den vanliga vägen.
Brott mot överföringen av fettsyror till mitokondrier.
Hastigheten för överföring av fettsyror till mitokondrier , och därmed hastigheten för β-oxidationsprocessen, beror på tillgängligheten av karnitin och hastigheten för enzymet karnitinacyltransferas I.
β-oxidation kan störas av följande faktorer:
Under långvarig fasta blir ketonkroppar den huvudsakliga energikällan för skelettmuskler , hjärta och njurar . Således lagras glukos för oxidation i hjärnan och röda blodkroppar . Redan 2-3 dagar efter början av fastan är koncentrationen av ketonkroppar i blodet tillräcklig för att de ska passera in i hjärncellerna och oxideras, vilket minskar behovet av glukos.
Syre, nödvändigt för kroppen för att CPE och många andra reaktioner ska fungera, är också ett giftigt ämne om så kallade aktiva former bildas från det.
Reaktiva syrearter inkluderar:
Lipogenes är processen för syntes av fettsyror , vars huvudsakliga källa är kolhydrater .
Med mat kommer en mängd olika fettsyror, inklusive essentiella sådana, in i kroppen. En betydande del av de essentiella fettsyrorna syntetiseras i levern , i mindre utsträckning - i fettvävnad och ammande bröstkörteln . Kolkällan för syntes av fettsyror är acetyl-CoA , som bildas under nedbrytningen av glukos under absorptionsperioden. Således omvandlas överskott av kolhydrater som kommer in i kroppen till fettsyror och sedan till fetter .
Alla ketonkroppar härstammar från acetoacetyl-CoA, som bildas genom kondensation av 2 molekyler av acetyl-CoA i ett head-to-tail-sätt. Kondensationsreaktionen sker i mitokondrierna. I levern interagerar acetoacetyl-CoA med en annan molekyl av acetyl-CoA och omvandlas till HOMG-CoA, en viktig mellanprodukt för syntesen av kolesterol och steroider.
Kroppen får fettsyror från maten och genom lipogenes från acetyl-CoA , som bildas av kolhydrater och vissa aminosyror . Sammansättningen av fettsyrablandningen i kosten varierar mycket vad gäller grad av omättnad och kedjelängd. Lipogenes hos högre djur innefattar endast bildningen av palmitat, från vilket andra mättade och enkelomättade syror bildas. Från blandningen av tillgängliga fettsyror i djurets lever bildas en uppsättning fettsyror som är karakteristiska för denna art; men de syntetiserade fettsyrornas natur påverkas också av kosten. Processerna för användning av fettsyror i kosten inkluderar förkortning och förlängning av kolskelettet, såväl som införandet av en dubbelbindning .
Fosfolipider utför ett antal viktiga biologiska funktioner. Liksom de flesta polära lipider är de amfifila föreningar som bär hydrofoba och hydrofila grupper. Vissa fosfolipider , såsom fosfatidylkolin, är dipolära joner med katjoniska och anjoniska grupper och är huvudkomponenter i cellmembransystem. Till exempel, i en myeliniserad nervfiber utgör fosfolipider och cerebrosider ungefär 60 % av torrvikten.
Bland kroppslipider är fosfolipider ojämnt fördelade. Rika källor till fosfolipider är vävnadslipider från olika körtlar, särskilt levern , samt blodplasma, där de kan stå för upp till hälften av alla lipider. Fosfolipider är också de dominerande lipiderna i fågeläggulor och baljväxtfrön. Metabolismen av olika fosfolipider på vissa ställen i djurkroppen studerades med olika isotoper, oftast 32R . Halveringstiden för dessa lipider sträcker sig från mindre än en dag för leverfosfatidylkolin till mer än 200 dagar för fosfatidyletanolamin i hjärnan .
Kolesterol är den viktigaste steroiden i djurkroppen. Hos en vuxen är kolesterolhalten 140-150 g. Cirka 93 % av steroiden är en del av hinnorna och 7 % finns i kroppsvätskor. Kolesterol ökar membranens mikroviskositet och minskar deras permeabilitet för H 2 O och vattenlösliga ämnen. I blodet presenteras det i form av fritt kolesterol, som ingår i skalet av lipoproteiner , och dess estrar, som tillsammans med TAG utgör det inre innehållet i dessa partiklar. Halten av kolesterol och dess estrar i chylomikroner är ~ 5%, i VLDL ~ 10%, i LDL ~ 50-60% och i HDL ~ 20-30%. Koncentrationen av kolesterol i blodserumet hos en vuxen är normalt ~ 200 mg / dl eller 5,2 mmol / l, vilket motsvarar kolesteroljämvikt, när mängden kolesterol som kommer in i kroppen är lika med mängden kolesterol som utsöndras från kroppen. Om koncentrationen av kolesterol i blodet är högre än normalt, indikerar detta dess retention i kroppen och är en riskfaktor för utvecklingen av ateroskleros .
Kolesterol är föregångaren till alla animaliska steroider:
Kolesterolbalansen upprätthålls på grund av att kolesterol å ena sidan kommer från maten (~ 0,3–0,5 g/s) och syntetiseras i levern eller andra vävnader (~ 0,5 g/s), och å andra sidan , det utsöndras från avföring i form av gallsyror , gallkolesterol , produkter av katabolism av steroidhormoner , med talg, som en del av membranen av desquamered epitel (~ 1,0 g/s)
Eikosanoider, inklusive prostaglandiner , tromboxaner , leukotriener och ett antal andra substanser, är mycket aktiva regulatorer av cellulära funktioner. De har en mycket kort T 1/2 , därför fungerar de som "hormoner av lokal verkan", som påverkar metabolismen av cellen som producerar dem av den autokrina mekanismen och på de omgivande cellerna - av den parakrina mekanismen. Eikosanoider är involverade i många processer: de reglerar tonen i glatta muskelceller och som ett resultat påverkar blodtrycket , tillståndet i bronkerna , tarmarna och livmodern. Eikosanoider reglerar utsöndringen av vatten och natrium från njurarna, påverkar bildandet av blodproppar. Olika typer av eikosanoider är involverade i utvecklingen av den inflammatoriska process som uppstår efter vävnadsskada eller infektion. Sådana tecken på inflammation som smärta, svullnad, feber beror till stor del på verkan av eikosanoider. Överdriven utsöndring av eikosanoider leder till ett antal sjukdomar, såsom bronkialastma och allergiska reaktioner .
Huvudsubstratet för syntesen av eikosanoider är arakidonsyra (ω-6-eikosatetraensyra) som innehåller 4 dubbelbindningar vid kolatomer (5, 8, 11, 14). Det kan intas eller syntetiseras från linolsyra . I små mängder kan ω-6-eikosatriensyra med tre dubbelbindningar (5, 8, 11) och ω-3-eikosapentaensyra, som har 5 dubbelbindningar i positionerna 5, 8, 11, 14, användas i små mängder för syntesen av eikosanoider, 17. Båda mindre eikosansyror kommer antingen från mat eller syntetiseras från olje- respektive linolensyra.
Syntesen av leukotriener följer en väg som skiljer sig från prostaglandinsyntesen och börjar med bildningen av hydroxiperoxider - hydroperoxiddeikosatetraenoater (HPETE). Dessa ämnen reduceras antingen för att bilda hydroxieikosatetroenoater (HETE) eller omvandlas till leukotriener eller lipoxiner. GETE skiljer sig i positionen för hydroxylgruppen vid den 5:e, 12:e eller 15:e kolatomen, till exempel: 5-GETE, 12-GETE.
Lipoxiner (till exempel basiskt lipoxin A4 ) inkluderar 4 konjugerade dubbelbindningar och 3 hydroxylgrupper.
Syntesen av lipoxiner börjar med verkan av 15-lipoxygenas på arakidonsyra , sedan inträffar en serie reaktioner, vilket leder till bildandet av lipoxin A 4
Långsamt reagerande substans vid anafylaxi (MPR-A) är en blandning av leukotriener C 4 , D 4 och E 4 . Denna blandning är 100-1000 gånger mer effektiv än histamin eller prostaglandiner för att orsaka sammandragning av glatt muskulatur i bronkierna. Dessa leukotriener, tillsammans med leukotrin B 4 , ökar permeabiliteten av blodkärlen och orsakar inflöde och aktivering av leukocyter, och är också viktiga regulatorer vid många sjukdomar som involverar inflammatoriska processer eller snabba allergiska reaktioner (till exempel vid bronkial astma ).
Även om verkan av alla typer av eikosanoider inte är helt förstådd, finns det exempel på framgångsrik användning av läkemedel - analoger av eikosanoider för behandling av olika sjukdomar. Till exempel undertrycker analoger av PG E 1 och PG E 2 utsöndringen av saltsyra i magen genom att blockera histaminreceptorer av typ II i cellerna i magslemhinnan . Dessa läkemedel, kända som H2- blockerare, påskyndar läkningen av mag- och duodenalsår . Förmågan hos PG E 2 och PG F 2 α att stimulera livmodermuskelkontraktion används för att inducera förlossning .
Sfingolipider är derivat av ceramid som härrör från kombinationen av aminoalkoholen sfingosin och en fettsyra . Sfingolipidgruppen inkluderar sfingomyeliner och glykosfingolipider .
Sfingomyeliner finns i cellmembranen i olika vävnader, men deras största mängd finns i nervvävnaden. Myelinslidornas sfingomyeliner innehåller huvudsakligen långkedjiga fettsyror: lignocerinsyra och nervonsyra, medan sfingomyelinet i hjärnans grå substans innehåller övervägande stearinsyra .
Lysosomer innehåller enzymer som kan hydrolysera alla cellkomponenter. Dessa enzymer kallas sura hydrolaser eftersom de är aktiva i en sur miljö.
Under förhållanden med en positiv kaloribalans lagras en betydande del av den potentiella energin i livsmedel i form av glykogen eller fettenergi . I många vävnader, även med normal näring, för att inte tala om tillstånd av kaloriunderskott eller svält, oxideras fettsyror övervägande, och inte glukos . Anledningen till detta är behovet av att lagra glukos för de vävnader (till exempel för hjärnan eller röda blodkroppar ) som ständigt behöver det. Därför måste regleringsmekanismer, som ofta involverar hormoner, säkerställa att alla vävnader ständigt förses med lämpligt bränsle under både normala närings- och svältförhållanden. Ett misslyckande i dessa mekanismer uppstår när det finns en hormonell obalans (till exempel vid tillstånd med brist på insulin vid diabetes ), när metabolismen störs under en period av intensiv laktation (till exempel under ketos hos nötkreatur) eller på grund av en ökning i metaboliska processer under dräktighet (till exempel under dräktighetstoxicos hos får). Sådana tillstånd är patologiska abnormiteter vid fastasyndrom; det observeras i många sjukdomar åtföljd av en minskning av aptiten.
Denna relativt sällsynta genetiska sjukdom kännetecknas av frånvaron av plasma-β-lipoproteindensitet mindre än 1,063 och är associerad med intensiv demyelinisering av nervfibrer. Apo-B saknas i plasma, liksom chylomikron , VLDL och LDL . Nivån av triacylglyceroler och plasmakolesterol är mycket låg. Detta indikerar behovet av apo-B för normal absorption, syntes och transport av triacylglyceroler och kolesterol från tarmen och levern . Lipider ackumuleras i cellerna i slemhinnan i tarmvilli , medan akantocytos observeras - en sfärisk deformation av röda blodkroppar. Mer än 80 % av erytrocyterna är akantocyter, eller, som de annars kallas, tandade erytrocyter (från grekiskan akantha - tand, spik).
Otillräckligt kaloriintag kan också leda till att fettvävnaden helt försvinner från de subkutana och omentala depåerna. Detta kan inträffa med tumörer eller en kronisk infektionssjukdom, med undernäring eller med metabola störningar som diabetes eller en förstorad sköldkörtel . I experiment har det visat sig att skador på vissa områden av hypotalamus orsakar anorexi även hos ett tidigare svalt djur. För anorexia, vars ursprung den psykogena komponenten spelar roll, används termen " anorexia nervosa " ( anorexia nervosa ).
Medan förlusten av kroppsfetter vid sköldkörtelsjukdom delvis beror på överdriven mobilisering av reservlipider, är en betydande orsak till kakexi vid svält, tiaminbrist eller diabetes den minskade förmågan hos kroppen att syntetisera fettsyror från kolhydratprekursorer.
Åderförkalkning (från grekiskan ἀθέρος - agnar, välling + σκληρός - hård, tät) är en kronisk sjukdom i artärerna av den elastiska och muskelelastiska typen, som uppstår som ett resultat av en kränkning av lipidmetabolismen genom nedbrytningen och är av kolesterol och några fraktioner av lipoproteiner i kärlens intima. Avlagringar bildas i form av ateromatösa plack. Den efterföljande spridningen av bindväv i dem ( skleros ), och förkalkning av kärlväggen leder till deformation och förträngning av lumen upp till obliteration (blockering). Det är viktigt att skilja åderförkalkning från Menckebergs åderförkalkning, en annan form av sklerotiska lesioner i artärerna, som kännetecknas av avsättning av kalciumsalter i artärernas mellersta membran, lesionens diffusitet (frånvaro av plack ), utveckling av aneurysm (snarare än blockering) av kärlen. Åderförkalkning av kärlen leder till utvecklingen av kranskärlssjukdom .
Molekylära mekanismer för patogenesen av aterosklerosTaganovich och andra Biologisk kemi. - Minsk: Higher School, 2013. - ISBN 978-985-06-2321-8 .