I.4. Модуль 4. Обмен и функции липидов

87

Жирные кислоты являются структурными компонентами триглицеридов и глицерофосфолипидов.

А. Выберите жирные кислоты, которые в триглицеридах и глицерофосфолипидах располагаются преимущественно у α-углеродного атома.

Б. Выберите жирные кислоты, которые в триглицеридах и глицерофосфолипидах располагаются преимущественно у β-атома углерода:

1) пальмитиновая

2) арахидоновая

3) миристиновая

4) стеариновая

5) линолевая

В. Опишите строение триглицеридов и глицерофосфолипидов.

Г. Опишите реакцию, которая будет происходить под действием фермента фосфолипаза А₂ на глицерофосфолипид. Опишите функцию продуктов гидролиза.

А. У α-углеродного атома располагаются преимущественно насыщенные жирные кислоты: 1) пальмитиновая, 3) миристиновая, 4) стеариновая.

Б. У β-атома углерода располагаются преимущественно ненасыщенные жирные кислоты: 2) арахидоновая, 5) линолевая.

В. Триглицериды – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерола и трех остатков жирных кислот. Структурная основа глицерофосфолипидов – глицерин, у первого и второго атома углерода которых находятся жирные кислоты, у третьего – остаток фосфорной кислоты, к которой присоединены различные заместители, чаще всего аминоспирты (серин, холин, этаноламин).

Г.

фосфолипаза А₂

Глицерофосфолипид лизофосфолипиды + арахидоновая кислота

Лизофосфолипиды обладают лизирующим действием на мембраны, что приводит к гемолизу и разрушению эритроцитов. Арахидоновая кислота используется для обновления глицерофосфолипидов в тканях, для синтеза эйкозаноидов (простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов).

88

Пальмитоолеилстеароилглицерин – это триглицерид, который относится к классу простых липидов.

А. Опишите, используя метаболические карты, реакции, происходящие при переваривании пальмитоолеилстеароилглицерина. Укажите название и класс фермента, катализирующего данную реакцию, а также факторы, необходимые для ее нормального протекания.

Б. Какое вещество создает оптимум рН для этого фермента? Где оно образуется?

В. Какие продукты переваривания жиров будут преобладать? Опишите их дальнейшую судьбу.

Г. Почему у человека, длительно не употреблявшего в пищу жиров, но получавшего достаточное количество углеводов и белков, обнаружены дерматит, плохое заживление ран, ухудшение зрения, снижены свертывание крови и половая функция.

А. Панкреатическая липаза. Класс - гидролазы.

Н₂С-О-СО-С₁₅Н₃₁ панкреатическая Н₂С-ОН + С₁₅Н₃₁СООН

│ липаза │

НС-О-СО-С₁₇Н₃₃ + 2Н₂О НС-О-СО-С₁₇Н₃₃

│ желчь, рН 7-8 │

Н₂С-О-СО-С₁₇Н₃₅ Н₂С-ОН + С₁₇Н₃₅СООН

Б. Ионы бикарбонатов (НСО₃^─), которые образуются в поджелудочной железе.

В. Жирные кислоты и моноглицериды. Они образуют смешанную мицеллу, которая всасывается в слизистую кишечника. Вместе с продуктами гидролиза всасываются жирорастворимые витамины (А, D, Е, К) и соли желчных кислот.

Г. Отсутствие жиров в диете приводит к развитию названных патологий, т.к. они необходимы для всасывания жирорастворимых витаминов. В отсутствии жиров нарушается всасывание этих витаминов и возникают состояния гипо- и авитаминозов. Эссенциальные жирные кислоты (витамин F) необходимы для нормального функционирования кожи; витамин А участвует в образовании компонентов структур соединительной ткани и в акте зрения; витамин D способствует формированию костной ткани; витамин К необходим для свертывания крови.

89

После приема жирной пищи сыворотка крови становится мутной, но вскоре опять возвращается к исходному состоянию.

А. Объясните причины помутнения сыворотки крови. Опишите соединения, которые в ней появляются.

Б. Назовите фермент и активатор этого фермента, под действием которых происходит «просветление» сыворотки крови.

В. Опишите, используя метаболические карты, реакцию, которую катализирует данный фермент.

А. Появляются крупные частицы – хиломикроны. Хиломикроны – сложные белки, класс – липопротеины. В химическом составе преобладают ТГ (90%), они синтезируются в слизистой тонкого кишечника, транспортируют экзогенные липиды из кишечника в кровь, имеют диаметр более 120 нм, являются антиатерогенными.

Б. Фермент липопротеинлипаза локализуется в сыворотке крови. Гепарин, активирующий этот фермент, называют «просветляющим фактором».

В. Н₂С-О-СО-R Н₂C-ОН

│ ЛП – липаза │

НС-О-СО-R НС-ОН + 3 RCООН

│ │

Н₂С-О-СО-R Н₂С-ОН

триглицерид глицерин жирная кислота

Фермент ЛП-липаза участвует в гидролизе триглицеридов в составе хиломикронов с образованием глицерина и жирных кислот, которые кровью транспортируются органам и тканям. Количество триглицеридов уменьшается и размер хиломикронов тоже уменьшается. Остаточные хиломикроны удаляются из крови и сыворотка крови становится прозрачной.

90

При нарушении процесса пищеварения в качестве заместительной терапии больным назначают препараты, содержащие пищеварительные ферменты «Пензитал» или «Фестал». «Пензитал» содержит только ферменты панкреатического сока, а «Фестал» еще и желчные кислоты.

А. Какое из этих лекарств следует рекомендовать пациентам, у которых нарушено поступление желчи в кишечник?

Б. Перечислите функции желчных кислот и биологическое значение энтерогепатической циркуляции.

В. Опишите этапы ассимиляции пищевых жиров в организме человека.

А. Таким пациентам нужно назначать «Фестал».

Б. Функции желчных кислот: эмульгируют жиры, увеличивая поверхность соприкосновения фермента и субстрата; стабилизируют тонкодисперстную эмульсию; участвуют в образовании смешанных мицелл, что способствует всасыванию продуктов гидролиза липидов в клетки кишечника. Далее желчные кислоты поступают через воротную вену в печень, потом в желчный пузырь и снова участвуют в эмульгировании, что позволяет им многократно использоваться. Поэтому при уменьшении секреции желчи будет нарушаться процесс переваривания липидов и всасывания продуктов их гидролиза.

В. Этапы ассимиляции жиров: эмульгирование ТГ (триглицеридов) → гидролиз ТГ при участии панкреатической липазы с образованием преимущественно моноглицеридов и жирных кислот → образование смешанных мицелл → всасывание их в эпителий кишечника → ресинтез ТГ → образование ХМ и ЛПОНП → их транспорт кровью → гидролиз под действием ЛП-липазы с образованием глицерина и жирных кислот → включение жирных кислот в метаболизм клеток органов и тканей.

91

Окисление насыщенных и ненасыщенных жирных кислот отличается.

А. Рассчитайте количество молекул АТФ, которое образуется при окислении 1 молекулы стеариновой кислоты до СО₂ и Н₂О.

Б. Рассчитайте количество молекул АТФ, которое образуется при окислении 1 молекулы линолевой кислоты до СО₂ и Н₂О.

В. Кратко опишите процесс β-окисления. Укажите его значение.

А. Стеариновая кислота (С₁₈) исходя из формулы (n/2 - 1) претерпевает 8 циклов β-окисления. В каждом цикле образуется 1 молекула ФАДН₂ (2 АТФ) и 1 молекула НАДН₂ (3 АТФ). Поступая в дыхательную цепь, в сумме они дадут 5 молекул АТФ (8×5=40 АТФ). Количество молекул ацетил-КоА образуется 9, при окислении в ЦТК они дают (9×12) = 108 АТФ. На активацию стеариновой кислоты расходуется 2 АТФ. Общий баланс энергии: 40 + 108 −2 = 146 АТФ.

Б.

Линолевая кислота (С_18:2) претерпевает 8 циклов β-окисления исходя из формулы (n/2 - 1). Однако в ней имеются 2 двойные связи. Следовательно, в двух циклах β-окисления не образуется 2 молекулы ФАДН₂, что равноценно потере 4 АТФ. Поэтому количество АТФ, образованное в 8 циклах будет (8×5 - 4 = 36 АТФ). Количество молекул ацетил-КоА образуется 9, при окислении в ЦТК они дают (9×12) = 108 АТФ. На активацию линолевой кислоты расходуется 2 АТФ. Общий баланс энергии: 108 + 36 - 2 =142 АТФ.

В. β-окисление – метаболический путь катаболизма жирных кислот, при котором от карбоксильного конца жирной кислоты последовательно отделяется по два атома углерода в виде ацетил-КоА. Укороченная на 2 атома углерода жирнокислотная цепь вновь вступает в β-окисление, т.е. данный процесс циклический. Отделившийся ацетил-КоА окисляется в ЦТК с образованием АТФ. Процесс локализуется в матриксе митохондрий и происходит в аэробных условиях. β-окисление назван так потому, что реакции окисления жирной кислоты происходят у β-углеродного атома. β-окисление – важный источник энергии для тканей с высокой активностью ферментов ЦТК и дыхательной цепи – скелетные мышцы, сердечная мышца, почки.

92

У мальчика 6 лет наблюдается быстрая утомляемость, неспособность к выполнению физической работы. При исследовании клеток мышц, взятых путем биопсии, обнаружили большие включения триглицеридов. Их концентрация оказалась в несколько раз больше, чем в норме, а концентрация карнитина в 5 раз меньше.

А. Почему при данном заболевании резко снижается способность выдерживать длительную физическую нагрузку?

Б. Опишите процесс, который нарушен при данном заболевании.

В. Укажите источники карнитина.

А. Поскольку количество карнитина снижено, то и β-окисление жирных кислот в мышцах происходит очень медленно (нарушен транспорт жирных кислот из цитоплазмы в митохондрии). β-окисление жирных кислот - важный источник энергии, поэтому в данном случае способность к выполнению физической работы заметно снижена.

Б. β-окисление жирных кислот происходит в матриксе митохондрий, поэтому после активации жирные кислоты должны транспортироваться из цитоплазмы внутрь митохондрий. Для переноса жирных кислот необходим переносчик – карнитин. В цитоплазме фермент карнитинацилтрансфераза I катализирует реакцию взаимодействия ацил-КоА с карнитином с образованием ацилкарнитина, который транспортируется в матрикс митохондрий. На митохондриальный ацилкарнитин действует фермент карнитинацилтрансфераза II, вызывающий повторное образование ацил-КоА и карнитина. Карнитин транспортируется в цитоплазму митохондрий, а ацил-КоА участвует в β-окислении.

В. Карнитин может поступать с пищей или синтезироваться из незаменимых аминокислот (лизина, метионина) при участии витамина С.

93

Сравните процессы β-окисления и биосинтеза жирных кислот.

А. Назовите локализацию каждого процесса в клетке.

Б. Укажите ключевые ферменты процессов.

В. Назовите коферменты, участвующие в данных процессах.

Г. Укажите отношение каждого процесса к энергообеспечению клетки (производство или затраты АТФ).

Д. Назовите гормоны, активирующие данные процессы.

А. β-окисление локализовано в митохондриях, биосинтез жирных кислот локализован в цитоплазме.

Б. Регуляторный фермент β-окисления – карнитинацилтрансфераза I, а биосинтеза - ацетил-КоА-карбоксилаза.

В. Коферменты β-окисления – НАД⁺, ФАД⁺, КоА, коферменты биосинтеза -

карбоксибиотин, НАДФН₂.

Г. β-окисление связано с образованием АТФ (при окислении НАДН₂ и ФАДН₂ в дыхательной цепи, ацетил-КоА в цикле Кребса), а биосинтез связан с потреблением АТФ (реакция синтеза малонил-КоА из ацетил-КоА).

Д. β-окисление активирует адреналин, глюкагон, синтез жирных кислот – инсулин.

94

Глюкагон стимулирует липолиз в жировой ткани.

А. Какой из перечисленных ферментов жирового обмена будет активироваться при увеличении в крови концентрации глюкагона:

1) панкреатическая липаза;

2) липаза адипоцитов (триглицеридлипаза);

3) глицеролкиназа;

4) глицеролфосфатацилтрансфераза;

5) ЛП-липаза.

Б. Опишите механизм действия гормона на фермент, выбранный в пункте А.

В. Какова дальнейшая судьба продуктов гидролиза?

А. При увеличении в крови концентрации глюкагона будет активироваться фермент триглицеридлипаза.

Б. Гормон глюкагон взаимодействует с рецепторами адипоцитов и активирует аденилатциклазную систему. Аденилатциклаза активная активирует протеинкиназу путем диссоциации субъединиц. Протеинкиназа активирует тригдицероллипазу путем фосфорилирования. Активный фермент отщепляет один остаток жирной кислоты от триглицерида с образованием диглицерида. Далее действуют диглицеридлипаза на диглицерид и моноглицеридлипаза на моноглицерид.

В. Продукты полного гидролиза триглицеридов – глицерин и жирные кислоты поступают в кровь. Глицерин как гидрофильное соединение транспортируется кровью в свободном виде, жирные кислоты как гидрофобные соединения в комплексе с белком плазмы – альбумином.

95

Человек голодает в течение 48 часов. Анализ крови показал снижение уровня глюкозы и повышение уровня кетоновых тел.

А. Объясните причину повышения уровня кетоновых тел в крови и их роль в метаболизме.

Б. Дайте название кетоновых тел и покажите их структуры в метаболической карте.

В. К каким последствиям может привести резкое повышение уровня кетоновых тел в крови.

А. При голодании увеличивается секреция глюкагона, что активирует липолиз (активируется ТГ-липаза жировой ткани). Жирные кислоты из жировой ткани выходят в кровь, поступают в печень и подвергаются β-окислению. Так как уровень глюкозы в крови низкий, активируется ее биосинтез в клетках печени, что вызывает выход ЩУК из митохондрий и скорость ЦТК в печени снижается. Продукт β-окисления – ацетил-КоА не полностью окисляется в ЦТК и используется на биосинтез кетоновых тел. Кетоновые тела из печени поступают в кровь и служат источником энергии для других тканей, в том числе и для нервной.

Б. Кетоновые тела - ацетоацетат, β-гидроксибутират, ацетон.

В. Резкое повышение уровня кетоновых тел в крови (кетонемия) может привести к развитию кетоацидоза (рН крови сдвигается в кислую сторону), что приводит к изменению конформации различных белков и нарушению их функций.

96

Метаболизм жирных кислот (на примере пальмитиновой кислоты) в жировой ткани через 1,5-2 ч после приема пищи, содержащей 250-300 г углеводов, изменяется.

А. Что происходит с жирными кислотами в этой ситуации? Ответ поясните.

Б. Пользуясь метаболической картой, опишите реакцию, катализируемую регуляторным ферментом данного пути обмена жирных кислот. Укажите активатор фермента.

В. Опишите суммарную реакцию синтеза пальмитиновой кислоты.

А. Увеличится синтез жирных кислот, т.к.:

1) увеличивается количество инсулина после приема пищи;

2) увеличивается содержание АТФ, цитрата и ацетил КоА - они активируют ацетил КоА-карбоксилазу - аллостерическая активация;

3) возрастают скорость ПФП окисления глюкозы и содержание НАДФН₂.

ацетил-КоА-карбоксилаза

биотин

Б. Ацетил-КоА + СО₂ + АТФ малонил-КоА + АДФ + Фн

Цитрат является активатором регуляторного фермента ацетил-КоА-карбоксилазы.

В. Синтез пальмитиновой кислоты повторяется 7 раз, используется 1 молекула ацетил-КоА, 7 молекул малонил-КоА, 7 молекул АТФ, 14 НАДФН₂.

97

Синтез кетоновых тел у человека, принявшего пищу после трехдневного голодания, изменяется.

А. Что происходит с метаболизмом кетоновых тел в этой ситуации?

Б. Какие из перечисленных веществ являются предшественниками кетоновых тел при голодании: