Обмен липидов

Лекция 11
Липогенез

Актуальность темы
Липогенез – совокупность метаболических путей обмена липидов, связанных с синтезом высших жирных кислот (ВЖК) и триацилглицеридов (ТАГ)
ВЖК – компонент биологически важных липидов
ТАГ - депонированное «топливо» организма
Масса жира ~10 кг (~ 40 дней голодания)
Сравните! Запас гликогена в организме ~ 400 г (~ 24 ч голодания)
Преимущества жира как энергетического резерва:
гидрофобность, обеспечивающая компактность запасов
большая энергетическая емкость (1 г жира – 9,3 ккал)
Активация липогенеза – основа ожирения и развития «метаболического синдрома» (сахарный диабет, атеросклероз, гипертоническая болезнь)

План лекции
Синтез ТАГ в тканях
Транспорт эндогенных ТАГ из печени в ткани
Нарушения транспорта эндогенных ТАГ: жировое перерождение печени
Синтез ВЖК
Взаимосвязь обмена глюкозы и липогенеза
Регуляция липогенеза
Нарушения липогенеза: ожирение

Цель лекции
Знать: химико-биологическую сущность процессов липогенеза, протекающих в организме человека
Использовать знания о липогенезе для понимания патогенетических основ жирового перерождения печени, ожирения и заболеваний, объединенных в понятие «метаболический синдром» (сахарный диабет 2 типа, атеросклероз, гипертоническая болезнь)

План основной характеристики метаболических процессов
Когда преимущественно идет процесс в норме (абсорбтивный, постабсорбтивный период, голодание, физическая активность, покой)
Где преимущественно идет процесс (ткани, органы)
Для чего идет процесс (значение процесса)
Ход реакций процесса (характеристика каждой реакции: субстраты, ферменты, продукты; или характеристика основных этапов процесса)
Регуляция процесса (гормональная, аллостерическая); для характеристики гормональной регуляции использовать план (см. след. слайд)

План характеристики гормонов-регуляторов метаболических процессов
Химическая природа гормона (белково-пептидный, стероидный, производное аминокислоты)
Место синтеза (органы, ткани)
Особенности синтеза (для стероидных и тиреоидных гормонов, адреналина)
Сигнал для секреции гормона
Транспортная форма гормона в крови (для стероидных и тиреоидных гормонов)
Мишени гормона (органы, ткани)
Механизм действия гормона (аденилатциклазный, фосфолипазный, геномный; ключевые ферменты, активность которых гормон повышает и запускает таким образом соответствующие метаболические процессы)
Конечный биологический эффект

СИНТЕЗ ТАГ В ТКАНЯХ
Происходит в абсорбтивный период (после приема пищи, содержащей углеводы и липиды)
Основное место синтеза: печень, жировая ткань, лактирующая молочная железа
Субстраты: активные формы ВЖК и глицерола
Источник образования субстратов: продукты гидролиза экзогенных жиров, глюкоза пищи
2 этапа: 1) образование активных форм субстратов
2) перенос ацильных остатков на глицерол-3-Р
ТАГ, синтезированные в жировой ткани, депонируются в адипоцитах
ТАГ, синтезированные в печени, в составе ЛПОНП транспортируются в кровь

Синтез ТАГ: этап 1
Образование активных форм субстратов
Образование активной формы ВЖК
RCOOH + HS-КoA + АТФ → RCO~SKoA (ацил-КоА) + АМФ + Н4Р2О7
фермент: ацил-КоА синтетаза (лигаза)
HS-КoA – кофермент А, производное пантотеновой кислоты (витамина В5)

Синтез ТАГ: этап 1
Образование активных форм субстратов
Образование активной формы глицерола
глицерол + АТФ → глицерол-3-Р + АДФ
фермент: глицеролкиназа (печень)
дигидроксиацетонфосфат (метаболит гликолиза) + NADН+Н+ → глицерол-3-Р + NAD+
фермент: глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (печень, жировая ткань)

Синтез ТАГ: этап 2
Перенос ацильных остатков
1) глицерол-3-Р + 2 ацил-КоА → 1,2-ДАГ-3-Р (фосфатидная кислота) + 2 HS-КoA
фермент: глицеролфосфат-ацилтрансфераза (митохондрии)
2) фосфатидная кислота + Н2О → 1,2-ДАГ + Н3РО4
фермент: фосфатидатфосфогидролаза
3) 1,2-ДАГ + ацил-КоА → ТАГ + HS-КoA
фермент: ДАГ-ацилтрансфераза
Схему реакций см. на следующем слайде

Метаболизм ЛПОНП, сформированных в печени и транспортирующих ТАГ в ткани
ЛПОНП формируются в печени, в кровотоке «созревают» подобно хиломикронам, по мере гидролиза ТАГ под действием ЛП-липазы превращаются в ЛПНП

Нарушение транспорта эндогенных ТАГ:
жировое перерождение печени
Избыточное накопление жира (ТАГ) в печени при нарушении транспорта эндогенных ТАГ – патологическое состояние, приводящее к жировому перерождению печени и циррозу
Типы жирового перерождения печени
возникает в результате повышения содержания ВЖК в крови, которые захватываются печенью и, не успевая выводиться в составе ЛПОНП, накапливаются в виде ТАГ. Так происходит при потреблении богатой жирами пищи, при неконтролируемом сахарном диабете, голодании и хроническом стрессе в результате активации липолиза (эффект глюкагона и кортизола), злоупотреблении этанолом (конечный продукт метаболизма этанола в печени ацетил-КоА используется в синтезе ВЖК).
возникает в результате метаболической блокады образования липопротеинов вследствие нарушения синтеза аполипопротеинов, недостатка фосфолипидов, нарушения процесса «сборки» частиц или нарушения секреторного механизма.

СИНТЕЗ ВЖК В ТКАНЯХ
Происходит в абсорбтивный период
Значение: трансформация избытка углеводов и аккумулирование их энергии в виде ТАГ
Основное место синтеза: печень, жировая ткань, лактирующая молочная железа (в цитоплазме клеток)
Субстрат: ацетил-КоА, образующийся из пирувата в митохондриях при аэробном окислении глюкозы
Кофакторы, косубстраты: NADPН, АТФ, СО2
Основной продукт: пальмитиновая кислота С15Н31СООН (С16:0)
Другие ВЖК синтезируются из пальмитиновой кислоты
Ацетил-КоА образуется в митохондриях. Мембрана митохондрий непроницаема для ацетил-КоА. Переносчик ацетильных групп из митохондрий – цитрат, который образуется из ацетил-КоА в 1-ой реакции цикла Кребса

Синтез ВЖК в тканях (ПРОДОЛЖЕНИЕ)
Источники NADPН:
ПФП окисления глюкозы (глюкозо-6-фосфат дегидрогеназа, 6-фосфоглюконатдегидрогеназа)
Окислительное декарбоксилирование малата до пирувата в цитоплазме (NADP-малатдегидрогеназа, малик-фермент, или яблочный фермент)
Источник АТФ: гликолиз
Источник СО2: реакции ОПК, реакция малик-фермента
Таким образом, обязательным условием для синтеза ВЖК является поступление в организм глюкозы как источника субстратов и косубстратов

Синтез ВЖК в тканях
Основные этапы:
перенос ацетильных групп ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в составе цитрата с последующим образованием ацетил-КоА;
перенос цитрата в цитозоль происходит при увеличении его концентрации в митохондриях, когда изоцитратдегидрогеназа цикла Кребса ингибирована высокими концентрациями АТФ и NADH (такая ситуация создается в абсорбтивный период, когда гепатоциты и адипоциты получают достаточное количество источников энергии)
образование малонил-КоА в цитоплазме из ацетил-КоА
удлинение углеродной цепи за счет ацетил-КоА и малонил-КоА

Синтез ВЖК: этап 1. Перенос ацетильных групп из митохондрий в цитоплазму
Митохондрии
ацетил-КоА + ЩУК + Н2О → цитрат + НS-КоА фермент: цитратсинтаза (ранее относили к лиазам, в настоящее время к трансферазам)
Цитозоль
цитрат + НS-КоА + АТФ → ацетил-КоА + ЩУК + АДФ + Н3РО4
фермент: цитратлиаза
Ацетил-КоА → синтез ВЖК
ЩУК → источник образования NADPH

Использование ЩУК в цитоплазме
ЩУК + NADН+Н+ → малат + NAD+
фермент: NAD-малатдегидрогеназа
Малат + NADP+ → пируват + NADPH + Н+ + СО2
фермент: NADP-малатдегидрогеназа, малик-фермент, или яблочный фермент

Синтез ЖК: этап 2
Образование малонил-КоА
Ключевая реакция синтеза ВЖК
ацетил-КоА + СО2 + АТФ → малонил-КоА +АДФ+Н3РО4
фермент: ацетил-КоА карбоксилаза (лигаза)
кофермент: биотин (витамин Н)

Синтез ВЖК: этап 3
Удлинение углеродной цепи
Ацетил-КоА – источник С15 и С16 атомов пальмитиновой кислоты
Малонил-КоА – источник остальных двухуглеродных фрагментов
Синтез ВЖК – циклический процесс
Первый цикл – образование бутирила (4С)
Каждый последующий цикл – удлинение на 2С
Общее количество циклов в синтезе пальмитиновой кислоты - 7

Удлинение углеродной цепи
Мультиферментный комплекс - пальмитоилсинтаза
Структура комплекса: димер, состоящий из 2-х идентичных полипептидных мономеров
Синтазный комплекс активен только в виде димера
Комплекс одновременно синтезирует 2 молекулы ВЖК
Реакции восстановления с участием NADPН обеспечивают образование насыщенного алифатического радикала

Структура мономеров пальмитоилсинтазного комплекса
7 доменов
ацилпереносящий белок (АПБ), содержащий витамин В5 - пантотеновую кислоту в виде 4´-фосфопантетеина
6 ферментов: трансацилаза, кетоацил-синтаза, кетоацил-редуктаза, гидратаза, еноил-редуктаза, тиоэстераза
активные центры каждого мономера содержат 2 SH-группы:
SH-группа 4´-фосфопантетеина АПБ
SH-группа цистеина кетоацил-синтазы
мономеры расположены по типу «голова к хвосту»: SH-группа АПБ одного мономера расположена в непосредственной близости от SH-группа кетоацил-синтазы другого мономера
Схему строения комплекса см. на след. слайде

кетоацил - синтаза
трансацилаза
Граница между функциональными единицами
Граница между мономерами
Еноилт- редуктаза
гидратаза
кетоацил-редуктаза
ацил-переносящий белок
тиоэстеpaзa
кетоацил - синтаза
трансацилаза
еноил- редуктаза
гидратаза
гидратаза
еноилт- редуктаза
Кетоацил-редуктаза
ацил-переносящий белок
тиоэстеpaзa
1
2
Фосфопантетеин (vit B5)
SH
SH
Cys
Фосфопантетеин (vit B5)
SH
SH
Cys

Этапы синтеза пальмитиновой кислоты
Перенос ацетильного и малонильного остатков на активные центры пальмитоилсинтазы (реакции 1,2) (трансацилаза)
Декарбоксилирование малонила и присоединение ацетила (реакция 3) (кетоацил синтаза)
Восстановление с участием NADPH (реакция 4) (кетоацил редуктаза)
Дегидратация (реакция 5) (гидратаза)
Восстановление с участием NADPH с образованием бутирила и перенос бутирила с мономера 2 на мономер 1 пальмитоилсинтазы (реакция 6, 7) (еноил редуктаза)
Повторение реакций 7 раз
Отщепление пальмитиновой кислоты от комплекса при участии воды (тиоэстераза)
Схему реакций см. на след. слайде

Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты на пальмитоилсинтазном комплексе
ацетил-КоА + 7 малонил-КоА + 14 NADPН + Н+ →
С15Н31СООН + 7 СО2 + 8 HS-КoA + 14 NADP+ + 6 Н2О
Судьба пальмитиновой кислоты
1) образование ТАГ, ФЛ, ЭХ
2) удлинение цепи (реакции элонгации) → синтез стеариновой кислоты (С18:0)
3) образование ненасыщенных ВЖК (реакции десатурации)

Синтез ненасыщенных жирных кислот – реакции десатурации (образование двойных связей)
Синтез пальмитоолеиновой кислоты
С16:1, 9, ώ7
Синтез олеиновой кислоты
С18:1, 9, ώ9
В организме человека не синтезируются ненасыщенные жирные кислоты с двойными связями дистальнее С9 (линолевая, линоленовая, арахидиновая, тимнодоновая) – эссенциальные ВЖК, они должны поступать с пищей (растительные жиры, рыбий жир).
Суточная норма жиров (70-100 г) на 1/3 должна состоять из растительных жиров.

Взаимосвязь углеводного обмена и липогенеза

«Точки соприкосновения» липогенеза и обмена глюкозы
Гликолиз – источник АТФ для реакций синтеза ВЖК и ТАГ (цитратлиазная, ацетил-КоА карбоксилазная, ацил-КоА синтетазная реакции)
Гликолиз – источник дигидроксиацетонфосфата, который необходим для образования глицерол-3-фосфата – субстрата в синтезе ТАГ
ПФП окисления глюкозы – источник NADPН для реакций восстановления в синтезе ВЖК
ОПК – источник образования ацетил-КоА и СО2

Регуляция липогенеза
Синтез ВЖК «запускается» инсулином
Вспомните механизм передачи сигнала инсулина в клетки-мишени!
Механизмы регуляции
стимулирование встраивания белков-переносчиков глюкозы (ГЛЮТ-4) в ЦПМ адипоцитов для транспорта глюкозы в жировую ткань
активация ферментов (дефосфорилирование с участием фосфопротеинфосфатазы): фосфофруктокиназы, пируваткиназы, ПДК, ацетил-КоА-карбоксилазы

Механизмы регуляции липогенеза инсулином (продолжение)
индукция синтеза ферментов в печени и жировой ткани
липидного обмена: ЛП-липазы, ацетил-КоА-карбоксилазы, пальмитоилсинтазы
гликолиза: гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы
метаболизма цитрата: цитратлиазы
NADPН-генерирующих систем: глюкозо-6-Р-дегидрогеназы, малик-фермента

Аллостерическая регуляция липогенеза
При избыточном потреблении легкоусвояемых углеводов и активации гликолиза, реакций ОПК энергетический статус гепатоцитов и адипоцитов характеризуется:
↑ NADH / NAD+ и ↑ АТФ/АДФ
NADН и АТФ – аллостерические ингибиторы регуляторных ферментов цикла Кребса
Самую медленную реакцию цикла Кребса катализирует изоцитратдегидрогеназа, поэтому при
↑ NADН и АТФ в наибольшей степени снижается активность данного фермента, что приводит к накоплению цитрата в гепатоцитах и адипоцитах, выходу из митохондрий и образованию из него ацетил-КоА в цитоплазме

Регуляция активности ацетил-КоА карбоксилазы – ключевого фермента синтеза ВЖК
Способы регуляции
индукция синтеза (инсулин)
ассоциация /диссоциация протомеров
активатор (ассоциация): цитрат
ингибитор (диссоциация): пальмитоил-КоА
фосфорилирование (адреналин, глюкагон; ингибирование фермента) / дефосфорилирование (инсулин; активация фермента)

Схема регуляции активности
ацетил-КоА карбоксилазы

абсорбтивный период
После приема пищи, содержащей липиды и углеводы в крови повышается
Уровень хиломикронов (ТАГ)
Концентрация глюкозы
Инсулино-глюкагоновй индекс
Создаются условия для липогенеза
Избыточное потребление легкоусвояемых углеводов «запускает» липогенез в жировой ткани и приводит к алиментарному ожирению (первичному ожирению в результате дисбаланса – избыточной калорийности питания по сравнению с расходом энергии)

Ожирение
В норме у человека с массой тела 70 кг количество жира в депо - 10-11 кг.
Содержание жира характеризует индекс массы тела (ИМТ): вес (кг) / рост, м2
Норма ИМТ: 20 – 24,9 (менее 18 – истощение, 25 и более – избыточный вес, 30 и более – ожирение)
При развитии ожирения увеличивается размер адипоцитов, их количество
Количество адипоцитов после рождения до 25 лет увеличивается в 5 раз. Переедание в раннем возрасте приводит к гиперплазии адипоцитов и развитию тяжелых форм ожирения
При лечении ожирения уменьшается количество жира в адипоцитах, но их количество не уменьшается

Первичное ожирение: причины
Алиментарный дисбаланс – избыточная калорийность питания по сравнению с расходами энергии
Генетические факторы ожирения
Например: недостаточное ингибирование фосфофруктокиназы цитратом в адипоцитах приводит к избыточному накоплению продуктов катаболизма глюкозы, которые используется в синтезе жиров

Первичное ожирение: причины (продолжение)
Генетические факторы ожирения
Например: мутация гена белка адипоцитов – лептина
лептин действует как гормон, контролирующий массу жировой ткани (регулирует аппетит и процессы липогенеза)
низкий уровень лептина, снижение чувствительности рецепторов к лептину лежит в основе ожирения

Вторичное ожирение: причины
Вторичное ожирение развивается в результате какого-либо заболевания (чаще эндокринного, например, гипотиреоза)
Чем опасно ожирение?
Жировая ткань – «эндокринный орган» Ожирение – основа развития «метаболического синдрома»
Нарушение баланса биологически активных веществ (тканевых гормонов, цитокинов) адипоцитов при ожирении приводит к развитию инсулинорезистентности и «метаболическому синдрому» (сахарному диабету 2 типа, гипертонической болезни, атеросклерозу)

Задание для самостоятельной работы
Используя интернет-ресурсы, найдите информацию на тему:
Жировая ткань как эндокринный орган: адипокины в патогенезе метаболического синдрома
Среди различных адипокинов, обратите внимание на роль лептина, резистина и адипонектина в развитии метаболического синдрома и инсулинорезистентности
Рекомендуемая литература:
Гончаров Н.П. Роль адипокинов в развитии ожирения // Вестник РАМН, 2009, № 9, С.43-48
Косыгина А.В., Васюкова О.В. Новое в патогенезе ожирения: адипокины – гормоны жировой ткани // Проблемы эндокринологии, 2009, № 1, С. 44-49
Шварц В. Жировая ткань как эндокринный орган // Проблемы эндокринологии, 2009, №1, С. 38-44
Биохимия голодания и ожирения: новые аспекты и перспективы / Д.Н. Кузьменко, С.Н. Удинцев, В.Ю. Серебров, Т.К. Клементьева. – Томск: СибГМУ, 2014. – 270 с.

Заключение
Процессы липогенеза (синтез ВЖК и ТАГ) являются источником образования в организме резервного «топлива» с большой энергетической емкостью
Процессы липогенеза протекают в печени, жировой ткани, лактирующей молочной железе, «включаются» в абсорбтивный период, связаны с обменом глюкозы и «запускаются» инсулином
Нарушение процессов липогенеза и транспорта эндогенного жира лежит в основе ряда заболеваний человека (жировое перерождение печени, ожирение, «метаболический синдром»)
,,,