1 METABOLISMUS LIPIDŮ Trávení lipidů Neutrální tuky (triacylglyceroly) patří mezi základní živiny a jsou běžnou složkou potravy. Jejich trávení začíná u savců v žaludku působením žaludeční lipázy. Intenzívní štěpení lipidů však nastává až v duodenu. Zde jsou tuky emulgovány účinkem žlučových kyselin a tím je usnadněno jejich hydrolytické štěpení působením pankreatické lipázy. Dochází k hydrolýze esterových vazeb mezi glycerolem a mastnými kyselinami v pozicích 1a 3, produktem štěpení jsou převážně volné mastné kyseliny a 2-monoacylglyceroly (viz schéma). CH2 CH CH2 O O O C C C O O O CH2 CH CH2 O O O C O H H V tenkém střevě dochází rovněž ke štěpení fosfolipidů na lysofosfolipidy a mastné kyseliny. Také estery cholesterolu přijaté v tucích potravy jsou rozloženy na volný cholesterol a mastné kyseliny. Všechny lipidové složky vstupují difuzí do buněk střevní sliznice. Jejich prostupu do buněk napomáhá tvorba tzv. směsných micel na rozhraní mezi cytoplazmatickou membránou buněk střevní sliznice a střevním lumen. Pro jejich tvorbu jsou nezbytné žlučové kyseliny. Společně s lipidy jsou resorbovány i lipofilní vitamíny. Mastné kyseliny s kratším řetězcem (10-12 C) pak přecházejí z buněk střevní sliznice přímo do portálního oběhu. Mastné kyseliny s delším řetězcem jsou v buňkách střevní sliznice znovu navázány na glycerol za vzniku triacylglycerolů. Dochází zde rovněž k resyntéze cholesterolesterů a glycerofosfolipidů. + COOH COOH pankreatická lipasa 2-monoacylglycerol triacylglycerol mastné kyseliny 2 CH2 CH2 CH2 CH2 COOH αβ Většina resorbovaných lipidů je po té zabudována do komplexních částic (lipoproteinů) označovaných jako chylomikrony. Důležitou složkou chylomikronů je bílkovinná složka - apoprotein B-48, syntetizovaný v buňkách střevní sliznice. Do chylomikronů jsou vestavěny i lipofilní vitamíny. Chylomikrony jsou transportovány do lymfy a odtud se přes hrudní dučej dostávají do krve. Jejich další přeměny jsou popsány v části "Lipoproteiny". β-Oxidace mastných kyselin Názvem β-oxidace je označováno oxidační odbourávání mastných kyselin na acetyl-CoA. Označení β-oxidace proto, že po oxidaci na uhlíku β (třetí uhlík) nastává štěpení mezi uhlíky α a β (mezi druhým a třetím uhlíkem mastné kyseliny). Směsná micela a resorpce lipidů do buněk střevní sliznice Tenzid Typ Původ Žlučové kyseliny 2-Acylglycerol Anionty MK Fosfolipidy aniontový neiontový aniontový amfoterní z cholesterolu v játrech hydrolýza TAG ve střevu hydrolýza TAG ve střevu potrava Přirozené tenzidy při resorpci tuků 3 R CH2 CH2 COOH CoA SH ATP R CH2 CH2 C S O CoA αβ FAD FADH2 R CH CH C S O CoA αβ H2O R CH CH2 C S O CoA OH β NAD + NADH H ++ R C CH2 C S O CoA O β C S O CoA H3C C S O CoA R opakování cyklu acyl-CoA (n C) mastná kyselina (n C) α,β-nenasycený acyl-CoA β-hydroxyacyl-CoA β-oxoacyl-CoA acetyl-CoA acyl-CoA (n-2 C) Je to opakující se série reakcí, při nichž se řetězec mastné kyseliny postupně zkracuje o dva atomy uhlíku. Proces probíhá v mitochondriích prakticky všech buněk, do nichž mastné kyseliny mohou vstupovat (ne však však v mozku, poněvadž mastné kyseliny nemohou procházet přes hematoencefalickou bariéru). Mastné kyseliny musí být před zahájením oxidace aktivovány navázáním na koenzym A (potřebná energie je získána hydrolýzou 2 ATP). Transport mastných kyselin do mitochondrií probíhá ve vazbě na nízkomolekulární látku karnitin. Pochod β-oxidace pak zahrnuje čtyři na sebe navazující reakce: 1. dehydrogenace na α, β-nenasycený acyl-CoA (tvorba FADH2) 2. adice vody za vzniku β-hydroxyacyl-CoA 3. dehydrogenace na β-oxoacyl-CoA (tvorba NADH) 4. štěpení vazby mezi α a β uhlíkem provázené připojením koenzymu A. Z původní molekuly acyl-CoA se odštěpuje acetyl-CoA a zůstává acyl-CoA o dva uhlíky kratší. (1) (2) (3) N CH3 CH3 CH2H3C CH CH2 OH COOHN CH3 CH3 CH2H3C CH CH2 OH COOH karnitin N CH3 CH3 CH2H3C CH CH2 O COOH O C N CH3 CH3 CH2H3C CH CH2 O COOH O C acylkarnitin 4 Cyklus se opakuje, dokud celá mastná kyselina není odbourána na acetyl-CoA. Postupně odštěpované molekuly acetyl-CoA vstupují do citrátového cyklu, který rovněž probíhá v mitochodriích. Oxidací jedné molekuly acetyl-CoA se v citrátovém cyklu získá 12 ATP (→ Citrátový cyklus). Redukované kofaktory FADH2 a NADH vznikající při β-oxidaci jsou reoxidovány v dýchacím řetězci za vzniku ATP (5 ATP na jeden cyklus reakcí). Uvažujeme-li např. energetický zisk při β-oxidaci palmitové kyseliny, která má celkem 16 uhlíků, zahrnujeme do bilance 7× opakující se cyklus reakcí, při nichž vzniká 7×5 ATP a dále vznik 8 molekul acetyl-CoA poskytujících v citrátovém cyklu 8×12 ATP. 2 ATP se spotřebovaly při aktivaci mastné kyseliny při zahájení β-oxidace. Pak celková bilance je 7×5 + 8×12 –2 = 129 ATP. β-oxidace je tak velmi vydatným zdrojem ATP. Toto číslo naznačuje, jak významným dodavatelem energie jsou lipidy. Ketolátky Termín ketolátky se vztahuje na tři sloučeniny: acetoacetát, 3-hydroxybutyrát a aceton. Jejich syntéza probíhá v játrech. Vznik ketolátek popisujeme v návaznosti na proces β-oxidace, protože k jejich zvýšené tvorbě dochází právě při zvýšené β-oxidaci v játrech. Acetoacetát vzniká v serii reakcí z acetyl- koenzymu A, jeho redukcí vzniká 3-hydroxybutyrát a dekarboxylací aceton. acetoacetát 3-hydroxybutyrát aceton Z jater přecházejí ketonové látky do krevního oběhu a jsou přenášeny do jiných tkání, kde mohou být odbourány za uvolnění energie. Tvorba acetoacetátu umožňuje zásobovat z jater extrahepatální tkáně pohotovým, ve vodě snadno rozpustným palivem, které vzniká při odbourání mastných kyselin. Je to především mozek, který neumí využívat mastné kyseliny transportované krví, avšak je schopen po určitém adaptačním čase pokrýt velký podíl metabolické energie právě oxidací acetoacetátu a hydroxybutyrátu. Za normálních podmínek uvolňují játra pouze tolik ketolátek, kolik se jich využije v periferních tkáních. Hladina obou látek v krvi je proto za normálních podmínek velmi nízká, jejich produkce stoupá při zvýšené akumulaci acetyl-CoA v játrech. Ve větší míře k tomu dochází při nedostatku glukosy za hladovění, při příjmu potravy s vysokým obsahem tuků a nízkým obsahem sacharidů nebo při nekompensovaném diabetu. Za těchto podmínek se zvyšuje rychlost oxidace mastných kyselin, vznikající acetyl-CoA však nevstupuje do citrátového cyklu, poněvadž produkty metabolismu glukosy potřebné pro vznik citrátu (pyruvát, oxalacetát) nejsou dostupné v dostatečném množství. Zvyšuje-li se tvorba ketolátek, stoupá jejich koncentrace v krvi, a poněvadž dvě ze tří ketolátek jsou středně silné kyseliny, může docházet ke značnému okyselení vnitřního prostředí (diabetická ketoacidóza). Ketonové látky je pak možno prokázat i v moči a aceton je detekovatelný v dechu. CH3 C O CH2 COO CH3 CH OH CH2 COO - CH3 C O CH3 5 Biosyntéza mastných kyselin Mastné kyseliny, kromě toho, že jsou přijímány potravou, mohou být v organismu i syntetizovány. Výchozí látkou pro syntézu je acetyl-CoA, hlavním místem syntézy jsou tukové buňky a játra. Syntéza je iniciována, jestliže glykolýzou a dalšími pochody (ne však β-oxidací) vzniká v buňkách velké množství acetyl-CoA a jejich energetická potřeba je malá. Syntéza mastných kyselin tedy typicky probíhá po jídle. Pochody syntézy vyšších mastných kyselin mají řadu podobných rysů jako zvrat β-oxidace, probíhají však v cytoplazmě a jsou katalyzovány odlišnými enzymy. Při syntéze dochází k postupnému spojování a redukci dvojuhlíkatých zbytků kyseliny octové. Podobně jako při β-oxidaci se jedná se o spirálovitě se opakující sled čtyř reakcí, v nichž figurují stejné meziprodukty jako při β-oxidaci. Na připojení jedné molekuly acetyl-CoA se spotřebovávají 2 NADPH a 1 ATP. Syntézou „de novo“ vznikají v cytoplazmě nasycené mastné kyseliny až po kyselinu palmitovou. Mastné kyseliny s vyšším počtem uhlíků se vytvářejí při procesu prodlužování (elongace) v endoplazmatickém retikulu nebo mitochondriích. Nenasycené mastné kyseliny vznikají v endoplazmatickém retikulu působením desaturas na nasycené mastné kyseliny. Vzhledem ke specifitě těchto enzymů, nemohou být některé z nenasycených mastných kyselin u člověka syntetizovány a musí být dodávány z vnějšího prostředí. Prvním krokem při desaturaci je vytvoření dvojné vazby na devátém uhlíku kys. stearové nebo palmitové. Většina organismů má ∆9 desaturasu. Živočichové tvoří další dvojné vazby jen v oblasti mezi již vytvořenou dvojnou vazbou a karboxylovým koncem (∆6, ∆5 desaturasy) Rostliny mají i ∆12 a ∆15 desaturasu, (v rostlinných olejích nalezneme n-6 a v menším množství i n-3 nenasycené MK). ∆15 desaturasa se nachází zejména u rostlin vegetujících ve studené vodě (řasy, plankton). Vysoký obsah n-3 nenasycených MK je v tuku z rybího masa (ryby se živí planktonem, který má schopnost syntetizovat n-3 MK ve větší míře). Syntéza triacylglycerolů Triacylglyceroly jsou syntetizovány postupnou esterifikací glycerol-3-fosfátu mastnými kyselinami. Mastné kyseliny vstupují do esterifikačních reakcí v aktivované formě, vázané na koenzym A. Syntéza triacylglycerolů probíhá hlavně v buňkách tukové tkáně, v játrech a v buňkách střevní sliznice. Mastné kyseliny mohou pocházet buď z tuků přijatých potravou, pak se do buněk dostávají CH2 CH CH2 O O O H H P CO SCoA- glycerol-3-fosfát acylCoA 6 z krve (viz metabolismus chylomikronů) nebo mohou být v buňkách syntetizovány. Glycerol-3-fosfát se získává převážně redukcí dihydroxyacetonfosfátu, který je meziproduktem glykolýzy. Triacylglyceroly se tedy mohou tvořit kompletně z produktů odbourávání sacharidů. Triacylglyceroly vzniklé v játrech jsou zabudovány do VLDL (→Plazmatické lipoproteiny), transportovány do krve a odtud se jejich mastné kyseliny mohou dostávat do tukových buněk. Triacylglyceroly vzniklé v tukové tkáni se ukládají jako zásobní tuk. Výše uvedený odstavec tak vysvětluje, proč při nadměrném příjmů lipidů nebo sacharidů v potravě vzniká v buňkách tukové tkáně zásobní tuk. Lipidy jsou „koncentrovanější“ formou chemické energie ve srovnání se sacharidy. Např. oxidací 1 g tuku se uvolní asi 38 kJ energie, zatímco z 1 g sacharidů jen 17 kJ. Odbourání triacylglycerolů Štěpení triacylglycerolů ve střevě bylo již popsáno. Ke štěpení zásobních triacylglycerolů v tukové tkáni dochází při poklesu hladiny glukosy v krvi účinkem hormonů glukagonu, adrenalinu a noradrenalinu. Těmito hormony je aktivována tzv. hormon-sensitivní lipasa, která ze zásobních triacylglycerolů odštepuje mastné kyseliny a uvolňuje je do krevního oběhu. Mastné kyseliny vstupují do buněk, podléhají zde β-oxidaci a produkují tím energii. Plazmatické lipoproteiny Lipoproteiny jsou komplexní částice v krvi, jejichž hlavními složkami jsou triacylglyceroly, fosfolipidy, volný a esterifikovaný cholesterol a bílkoviny. Obecnou funkcí lipoproteinů je zajištovat transport hydrofobních lipidů krví. Schéma lipoproteinové částice Jsou to sferické útvary skládající se z hydrofobního jádra a polárnějšího obalu. V jádře se nacházejí nepolární triacylglyceroly a estery cholesterolu, v obalu polární fosfolipidy, neesterifikovaný cholesterol a proteiny. Proteinové složky lipoproteinů se nazývají apoproteiny a kromě toho, že jsou významnou strukturní složkou lipoproteinů, slouží též jako kofaktory enzymů podílejících se na fosfolipidy (PL) volný cholesterol (CH) triacylglyceroly (TG) apoproteiny apoproteiny esterifikovaný cholesterol (CHE) jádro obal 7 metabolismu lipoproteinů, jako ligandy pro specifické receptory a umožňují i přenos lipidů mezi jednotlivými typy lipoproteinů. Hlavní typy lipoproteinů,jejich základní charakteristiku a funkci shrnuje tabulka. Typ* Vznik Hlavní lipidy (%) Funkce Chylomikrony enterocyt TG (80-90) transport exogenních lipidů ze střeva do tkání VLDL játra TG (60) transport endogenních lipidů z jater do tkání IDL plazma TG / CHE (40 / 25) meziprodukt katabolismu VLDL LDL plazma CHE (45) transport cholesterolu z jater do tkání HDL játra PL / CHE (25 / 16) zpětný transport cholesterolu ze tkání do jater *K pojmenování lipoproteinů se používají zkratky anglických názvů odvozených z chování jednotlivých lipoproteinů při gradientové ultracentrifugaci, které je dáno jejich hustotou (VLDL very low density lipoproteins, LDL low density lipoproteins, IDL intermediate density lipoproteins, HDL high density lipoproteins). Chylomikrony vznikají v buńkách střevní sliznice po jídle obsahujícím lipidy. Do jádra chylomikronů se zabudovávají triacylglyceroly (resyntetizované v enterocytu z lipidů potravy) a esterifikovaný cholesterol (z cholesterolu přijatého potravou), v obalu jsou fosfolipidy a neesterifikovaný cholesterol. Kompletní struktura chylomikronů dále vyžaduje zabudování speciálního proteinu Apo B48. Chylomikrony jsou nejprve transportovány do lymfy a do krve se dostávají až přes hrudní dučej (duktus thoracicus). Jejich zastoupení v plazmě se výrazně zvyšuje po jídle, plazma odebraná bezprostředně po jídle má v důsledku jejich přítomnosti mléčný vzhled. Lipoproteiny o velmi nízké hustotě (VLDL) vznikají v játrech a jejich úkolem je transportovat triacylglyceroly syntetizované jaterními buňkami. Nesou v sobě také značný podíl cholesterolu, který po své přeměně na LDL předávají periferním tkáním. Do jejich struktury je zabudován apoB100, který pochází ze stejného genu jako apoB48. Metabolismus chylomikronů i VLDL je v krvi zahájen působením lipoproteinové lipasy (LPL), která katalyticky štěpí triacylglyceroly na mastné kyseliny a glycerol. Mastné kyseliny vstupují do buněk a zde podléhají oxidačnímu odbourání na acetyl-CoA (β-oxidace). Buňky tímto pochodem pokrývají svou potřebu energie. TG chylomikron PL AK → → → apoprotein B-48 (apoprotein A-I) MK s krátkým řetězcem glycerol CHE Transport lipidů z buněk střevní sliznice 8 Část mastných kyselin vstupuje rovněž do tukových buněk, kde dochází k jejich reesterifikaci na triacylglyceroly, které se ukládají ve formě zásobního tuku. Chylomikrony se po odstranění převážné části triacylglycerolů přeměňují na tzv. chylomikronové zbytky (remnanty) a jsou vychytávány játry. Do jater se tímto způsobem dostává převážná část cholesterolu přijatého potravou. Podobně se z VLDL po odbourání triacylglycerolů stávají IDL. Část IDL je zachycována játry, zbytek se obohacuje esterifikovaným cholesterolem, předává část fosfolipidů na HDL a přeměňuje se na LDL. Úloha LDL je zásobovat tkáně cholesterolem. Jsou vychytávány v játrech i mimojaterních tkáních pomocí specifických receptorů. HDL částice vznikají primárně v játrech, odkud jsou transportovány do krve. Jejich hlavním úkolem je odstraňovat cholesterol z periferních tkání a přenášet jej do jater. játra Mastné kyseliny LPL ApoCII ApoE ApoCII Glycerol chylomikronový zbytek Tuková, svalová tkáň apoE, apoB/E, apoE Metabolismus chylomikronů IDL LDL VLDL HDL Apo-C,E Apo C MK G Přeměny VLDL-přehled játra LPA HDL CHE Tkáně apoB/E 9 Metabolismus cholesterolu Cholesterol je amfipatická sloučenina nezbytná pro stavbu biomembrán a obalových vrstev lipoproteinů. Je prekurzorem syntézy žlučových kyselin, steroidních hormonů a vitaminu D. Přibližně polovina cholesterolu je přijímána potravou (asi 300-500 mg/den), zbytek je syntetizován ve tkáních. Hlavním zdrojem cholesterolu v potravě jsou živočišné tuky, dále vaječný žloutek, maso, játra a mozek. Syntéza cholesterolu probíhá prakticky ve všech tkáních, nejvíce v játrech, ve střevních buňkách a v kůži. Zdrojem pro syntézu je acetyl-CoA. Syntéza v buňkách je za normálních okolností zpětně regulována množstvím cholesterolu již v buňce přítomného. Za ustáleného stavu je množství cholesterolu vstupujícího do buněk pomocí LDL vyváženo množstvím cholesterolu, který buňku opouští a váže se na HDL. Zvýšené hladiny cholesterolu v plazmě jsou spojeny s rizikem vzniku srdečních chorob, mozkových trombóz a jiných onemocnění. Často k nim dochází v důsledku genetických abnormalit v LDL-receptorech. U jedinců s touto dispozicí je možno rozvoji choroby zabránit snížením příjmu cholesterolu v potravě nebo podáváním léků, které blokují tvorbu cholesterolu na různých úrovních jeho biosyntetické dráhy. Hodnoty koncentrace cholesterolu v plazmě jsou v našich oblastech v rozpětí 3,8-5,2 mmol/l. Zjištěné vyšší hodnoty cholesterolu jsou důvodem k dalšímu vyšetření metabolismu lipidů, zejména rozložení cholesterolu v lipoproteinových frakcích. Vysoký podíl cholesterolu séra vázaný v HDL se pokládá za známku dobré schopnosti vyloučit nežádoucí nadbytek cholesterolu z organismu. Naopak, hodnoty LDL-cholesterolu jsou mírou aterogenní hypercholesterolemie. Jediným orgánem schopným eliminovat a vyloučit cholesterol jsou játra. Játra mají schopnost přeměnit cholesterol na žlučové kyseliny a rovněž transportují část nezměněného cholesterolu žlučí do střev. Ve střevech se cholesterol pomocí bakterií hydrogenuje na koprostanol, který je vylučován stolicí. Denně je z těla odstraňován asi 1 g cholesterolu, z toho přibližně polovina ve formě žlučových kyselin a polovina ve formě koprostanolu. Metabolismus žlučových kyselin Při vzniku žlučových kyselin z cholesterolu v játrech dochází ke zkrácení postranního řetězce cholesterolu na 24 uhlíků, přičemž koncový uhlík postranního řetězce je oxidován na karboxyl. Dále dochází k hydrogenaci dvojné vazby a k hydroxylacím. Vznikají tak tzv. primární žlučové kyseliny kyselina cholová a kyselina deoxycholová. deoxycholová kyselina cholová kyselina Tyto produkty jsou dále upravovány konjugací s glycinem nebo taurinem (NH2-skupiny těchto látek vytváří peptidovou vazbu s karboxylem). Žlučové kyseliny se spolu se žlučí transportují do střev a v nich působí jako emulgační činidlo při trávení a vstřebávání lipidů. Značná část žlučových kyselin OH COOH HO OH OH COOH HO 10 se pak resorbuje zpět do portální žíly a vrací se zpět do jater (enterohepatální oběh). Denně je stolicí vyloučeno přibližně 500 mg žlučových kyselin. Hormonální regulace metabolismu lipidů Metabolismus lipidů je regulován několika hormony, především inzulinem, glukagonem, adrenalinem a noradrenalinem. Inzulin podporuje syntézu mastných kyselin v játrech, vstup mastných kyselin do tukových buněk a dále syntézu a ukládání triacylglycerolů v tukových buňkách. Naproti tomu glukagon, adrenalin a noradrenalin aktivují v tukových buňkách intracelulární lipasu sensitivní vůči účinkům hormonů a tím stimulují lipolýzu a následné uvolňování mastných kyselin do krve.