Биологическая химия - читать бесплатно онлайн полную версию книги автора Михаил Викторович Ермолаев (IX. Обмен липидов и липоидов) #10

IX. Обмен липидов и липоидов

Переваривание нейтральных жиров

Основными факторами переваривания жира являются:

1. наличие липаз — ферментов, расщепляющих жиры;

2. условий для проявления их оптимальной активности;

3. эмульгаторов — детергентов, веществ, обеспечивающих эмульгирование жиров.

Липаза может воздействовать только на эмульгированные жиры.

Если одно вещество, находящееся в раздробленном (диспергированном) состоянии, равномерно распределено в массе другого вещества, то такую систему называют дисперсной. Одним из видов дисперсных систем являются эмульсии.

Эмульсии — дисперсные системы двух несмешивающихся жидкостей, где одна жидкость в виде капелек диспергирована (находится в раздробленном состоянии) в другой, например масло в воде или капельки жира в молоке. Чтобы получить эмульсию масла в воде, достаточно энергично взболтать эту смесь и масло разделится на мельчайшие капли. Однако при стоянии капельки масла соберутся вместе и будет четко видна граница этих двух жидкостей. Для предотвращения склеивания частиц масла в эту смесь следует добавить определенные вещества — эмульгаторы или детергенты, которые будут препятствовать такому склеиванию (рис. 55). В организме такими эмульгаторами для жира являются соли желчных кислот, сывороточный альбумин и др.

Рис. 55. Эмульгирование жира. А — слой воды, масла и молекулы эмульгатора, которые состоят из двух частей: 1 — гидрофильных групп и 2 — гидрофобных групп; Б — молекула эмульгированного жира, окруженная молекулами эмульгатора, который своими гидрофильными группами обращен к воде, а гидрофобными — к маслу

В ротовой полости отсутствуют такие условия и поэтому не происходит переваривания жиров.

В желудке присутствует липаза, однако ее активность весьма невелика. Это связано с наличием в желудке сильно кислой реакции среды (рН 1,5-2,5, а оптимум рН липазы 7,8-8,1) и отсутствием эмульгаторов. Поэтому в желудке расщепляются только эмульгированные жиры, к которым относится жир молока и яичного желтка.

У новорожденных и грудных детей в желудке происходит переваривание определенной части жира. Это связано с тем, что рН среды в желудке новорожденных равен 5,6, а в этих условиях липаза проявляет большую активность. С другой стороны, основным продуктом питания детей в этот период является материнское молоко, жир которого находится в в эмульгированном состоянии. И, наконец, в молоке, матери содержится липолитический фактор, который также участвует в переваривании жира.

В процессе переваривания жира у взрослых желудок, однако, играет определенную роль. Он регулирует поступление жира в кишечник и переваривает белки, освобождая таким образом жир из липопротеидных комплексов пищи.

Основным местом переваривания жира является тонкий отдел кишечника, где имеются все необходимые для этого процесса условия. Среда в кишечнике слабощелочная, оптимальная для активности липазы. Панкреатический и кишечный соки богаты липолитическими ферментами (липазы и лецитиназы). Диспергирование жира (раздробление жира на капельки) обеспечивается перистальтикой кишечника, и постоянно образующимся углекислым газом, который выделяется при взаимодействии кислого содержимого пищи, поступающей из желудка, с щелочной средой кишечника, где имеются углекислые соли. Образовавшийся углекислый газ "пробулькивается" через пищевые массы и участвует таким путем в раздроблении жира. Изливающаяся в просвет кишечника желчь содержит желчные кислоты, которые являются хорошими эмульгаторами. Помимо этого, желчь является активатором липаз.

Таким образом, в тонком отделе кишечника в основном нейтральные жиры расщепляются на свои составные части: глицерин и высшие жирные кислоты. Часть нейтральных жиров расщепляется до ди- и моноглицеридов (соединения глицерина с двумя или одной жирными кислотами). Непереваренный жир поступает в толстый отдел кишечника и выделяется с калом.

Всасывание жиров

Процесс всасывания продуктов переваривания жира является очень сложным. Это относится в основном к жирным кислотам, так как глицерин, как водорастворимое вещество свободно всасывается стенкой кишечника.

Жирные кислоты как нерастворимые в воде могут всасываться только в виде водорастворимых соединений, в образовании которых принимают участие парные желчные кислоты, входящие в состав желчи и представляющие собой соединения желчных кислот с гликоколом или таурином. К желчным кислотам относятся холевая, дезоксихолевая, литохолевая и кенодезоксихолевая. Все они являются производными холестерина.

В организме наибольшее значение имеют холевая и дезоксихолевая кислоты. Они присоединяют к своей карбоксильной группе аминокислоту гликокол (H₂N-СН₂-СООН) или таурин (H₂N-СН₂*СН₂-О-S=О=О-OH) пептидоподобной связью и в таком виде уже называются парными желчными кислотами — глико- или таурохолевой и глико- или тауродезоксихолевой:

Соединения парных желчных кислот с жирными кислотами называются холеиновыми комплексами.

Парные желчные кислоты обволакивают молекулу жирной o кислоты и в таком виде всасываются в стенку кишечника. На каждую жирную кислоту приходится 2-4 парные желчные кислоты. Не полностью расщепившиеся или нерасщепившиеся нейтральные жиры также могут всасываться в кишечнике, если размер их капель не превышает 0,5 ммк. Всосавшиеся холеиновые комплексы в стенке кишечника распадаются на составные части и освободившиеся жирные кислоты частично вновь синтезируются в триглицериды.

Желчные кислоты поступают в систему воротной вены и попадают в печень, откуда они вновь доставляются в желчный пузырь и снова поступают в кишечник. В результате такого кругооборота небольшие количества желчи обеспечивают переваривание и всасывание значительных количеств жирных кислот.

Переваривание и всасывание липоидов

Лецитины, кефалины и серинфосфатиды подвергаются расщеплению ферментами, носящими общее название "лецитиназы". Это гидролитические ферменты, которые осуществляют последовательный распад фосфолипидов. В организме обнаружены 4 лецитиназы — А, В, С и D, которые последовательно расщепляют молекулу фосфолипидов на жирные кислоты, глицерин, фосфорную кислоту и азотистое основание. Последовательность действия лецитиназ будет следующей:

Действие лецитиназ

Глицерин, фосфорная кислота и азотистые основания как водорастворимые вещества непосредственно всасываются в стенку кишечника. Жирные кислоты всасываются в виде холеиновых комплексов.

В пище холестерин содержится как свободным, так и связанным, в виде эфиров с высшими жирными кислотами. Последний в кишечнике расщепляется на свободный холестерин и жирные кислоты. Как жирные кислоты, так и свободный холестерин при участии парных желчных кислот всасываются в стенку кишечника, где происходит синтез специфичных для организма липоидов. Таким образом, в стенке кишечника накапливаются глицерин, жирные кислоты, моно-, ди- и триглицериды, фосфолипиды, холестерин и другие липоиды.

Рис. 56. Схема строения хиломикрона

Основная часть жира до 60% поступает в лимфатическую систему и через грудной проток лимфа, богатая мельчайшими капельками жира, попадает в общий круг кровообращения. Оставшиеся 40% жира формируют с белками липопро-теидные комплексы — хиломикроны (рис. 56). Последние, как и фосфолипиды, являются транспортной формой жира ив таком виде поступают в кровь воротной вены. В крови часть из них подвергается расщеплению липопротеин-липа-зой, которая активируется гепарином, на более мелкие ли-попротеидные комплексы. Из крови жиры в составе липо-протеидов и НЭЖК поступают в печень, где часть жира вновь распадается на составные части, из которых синтезируется специфический для организма жир, часть откладывается в виде запаса, часть поступает в жировые депо (сальник, подкожная и околопочечная клетчатка и т. д.), часть же жиров разносится кровью ко многим органам и тканям, где подвергается различным превращениям. В кровь поступает также и часть жирных кислот, освободившихся при распаде хиломикронов. Такие свободные жирные кислоты являются весьма токсичными для организма. Однако отравления ими не происходит, потому что жирные кислоты немедленно соединяются с альбуминами и такие комплексы называются неэстерифицированными жирными кислотами — НЭЖК. В такой форме жирные кислоты уже не проявляют своих токсических свойств. В клетках эти комплексы распадаются и жирные кислоты окисляются с освобождением большого количества энергии, в том числе в клетках сердечной мышцы, для которых они являются одним из основных источников энергии.

Рис. 57. Взаимоотношения органов в обмене жира

Схематичное представление об обмене жира в организме и взаимосвязи при этом различных органов дает рис. 57.

Превращения в тканях нейтральных жиров

Поступивший в клетки нейтральный жир под действием тканевых липаз гидролизуется на глицерин и высшие жирные кислоты.

Глицерин активируется в глицерофосфат и может превратиться в фосфоглицериновый альдегид, пути превращения которого аналогичны рассмотренным в обмене углеводов: распад до молочной кислоты при гликолизе, окисление до СО₂ и Н₂О при аэробном окислении, участие в синтезе гликогена.

Окисление жирных кислот

В основе представлений о распаде высших жирных кислот лежит предложенная Кноопом в начале нашего столетия теория β-окисления. В последующие годы она была уточнена и дополнена на основе новейших методов исследования.

Сущность этой теории заключается в том, что в ходе одного цикла происходит окисление β-углеродного атома (второго от концевой карбоксильной группы кислоты), в результате чего жирная кислота укорачивается на 2 углеродных атома с образованием одной молекулы активной уксусной кислоты — ацетил-КоА. В общем виде этот процесс происходит следующим образом:

β-окисление протекает в митохондриях. Этот процесс начинается с активации жирней кислоты при участии АТФ, KoA, витаминов С и В₆ и катализируется ферментом тиокиназой. Приведем дальнейший ход β-окисления:

Таким образом, в результате одного цикла β-окисления цепь жирной кислоты укорачивается на два углеродных атома, из которых образуется одна молекула ацетил-КоА и выделяется энергия как в ходе реакции β-окисления (5 АТФ), так и при "сгорании" ацетил-КоА в цикле Кребса (12 АТФ). Оставшаяся кислота подвергается аналогичному расщеплению до образования ацетил-КоА.

Ненасыщенные жирные кислоты, как предполагают, вначале насыщаются водородом и превращаются в насыщенные, а последние уже подвергаются β-окислению (в опытах in vitro).

Процесс окисления жирных кислот протекает в основном в печени, мышцах, жировых депо, сердце и в меньшей степени в других органах. Процесс β-окисления подтверждает большое энергетическое значение жиров. Например, при полном распаде 1 молекулы 3-пальмитина образуется около 3680-4200 ккал с образованием при этом 412 молекул АТФ.

Наряду с процессами распада жиров в клетках постоянно происходит синтез специфических для каждого органа нейтральных жиров. Этот процесс называется липогенезом и включает образование глицерина, жирных кислот с последующим синтезом триглицерида.

Синтез глицерина возможен из продуктов распада углеводов и жиров.

Биосинтез жирных кислот во многом напоминает процесс х распада. И в этом случае в ходе каждого цикла происходит постепенное удлинение цепи жирной кислоты на два углеродных атома до получения специфичной для данного органа или ткани жирной кислоты с необходимым числом углеродных атомов. Однако синтез жирных кислот имеет и существенные различия. Так, он протекает в микросомах, идет с потреблением энергии за счет распада АТФ, требует для своего течения активированной углекислоты, КоА, водорода, переносчиком которого является восстановленный НАДФ-НАДФ*Н₂ (последний образуется в пентозном цикле распада углеводов) и наличия "стартового" вещества малонил-КоА (малонил-КоА образуется из ацетил-КоА, активированной углекислоты и АТФ, как источника энергии).

Процесс биосинтеза жирной кислоты начинается с удлинения цепи ацетил-КоА (кислота с двумя углеродными атомами) путем взаимодействия с малонил-КоА. В ходе различных превращений молекула ацетил-КоА удлиняется на два углеродных атома и образуется кислота с четырьмя атомами углерода — бутирил-КоА. В последующем бутирил-КоА вновь взаимодействует с малонил-КоА, что приводит к удлинению цепи этой кислоты еще на два углеродных атома. И так продолжается до тех пор, пока не образуется жирная кислота с нужным числом углеродных атомов.

В результате синтетических процессов в клетке происходит образование глицерина и высших жирных кислот, которые при наличии необходимых условий (ферменты, энергия и др.) синтезируются в специфичные для данной клетки триглицериды.

Ненасыщенные жирные кислоты практически в организме синтезироваться не могут, поэтому они обязательно должны поступать с пищей.

Обмен липоидов

В клетках организма под действием тканевых лецитиназ фосфолипиды гидролизуются на свои составные компоненты. Превращение глицерина и высших жирных кислот было рассмотрено выше. Фосфорная кислота используется организмом в неизмененном состоянии. Азотистые основания подвергаются различным специфическим превращениям. Так, серии, являясь заменимой аминокислотой, участвует в различных процессах белкового обмена.

Особо следует остановиться на превращениях в организме холина. Он как витаминоподобное вещество незаменим для обмена веществ. С другой стороны, холин является источником для синтеза ацетилхолина — одного из медиаторов нервной системы, который обеспечивает проведение импульсов в нервно-мышечных синапсах. Холин участвует также и в синтезе фосфолипидов в тканях печени, препятствуя, таким образом, повышенному накоплению жира в печени — жировой инфильтрации.

В организме постоянно осуществляется и синтез липоидов. Он представляет более сложный процесс, для течения которого необходимы глицерофосфат, активированные высшие жирные кислоты, фосфорная кислота, активированные азотистые основания и макроэргические соединения, обеспечивающие этот процесс необходимой энергией.

Холестерин имеет важное значение для организма, где он находится как в свободном виде, так и в соединении с высшими жирными кислотами (эфиросвязанный холестерин). В клетках холестерин служит предшественником желчных кислот, женских половых гормонов, гормонов коры надпочечников, витамина D. В организме постоянно происходит и синтез холестерина, который достигает 0,8-1,5 г в сутки. Течение этого процесса удалось выяснить с применением метода меченых атомов. Оказалось, что синтез холестерина начинается с конденсации (последовательного соединения) трех молекул ацетил-КоА и образования промежуточного соединения — мевалоновой кислоты. В последующем происходит синтез циклического соединения — сквалена, который через ряд стадий превращается в холестерин.

Регуляция жирового обмена

Процессы обмена жиров в организме регулируются нейро-гуморальным путем. Нервная система оказывает непосредственное влияние на жировую ткань, стимулируя мобилизацию (распад) жира и доставку его к органам, главным образом в печень. Одновременно центральная нервная система и ее высший отдел — кора головного мозга — осуществляют согласованность различных гормональных влияний. Так, инсулин усиливает биосинтез жирных кислот и превращение углеводов в жиры и подавляет расщепление жирных кислот. Адреналин и глюкокортикоиды активируют процессы распада жира (липолиз). Снижение выработки гормонов гипофиза и половых гормонов приводит к стимуляции процесса синтеза жира и торможению липолиза, в результате чего происходит ожирение организма.

Важными регуляторными механизмами жирового обмена являются факторы внешней среды. Питание, пол, возраст, характер работы, режим дня, организация отдыха непосредственно влияют на уровень обмена жира. Избыточное, нерегулярное питание, сидячий характер работы, отсутствие физической нагрузки в период отдыха способствуют отложению жира, что может привести к нарушению обмена веществ всего организма.

Патология обмена липидов и липоидов

К нарушениям жирового и липоидного обмена следует отнести:

1. Нарушение процессов переваривания и всасывания липидов, обусловленное снижением выработки липолитических ферментов в пищеварительном тракте, недостаточной секрецией желчи, что приводит к выделению нерасщепившегося жира с калом, приобретающим характерный серовато-белый цвет (ахолический стул).

2. Недостаточное поступление жира с пищей. Это нарушение служит причиной развития а- и гиповитаминозов жирорастворимых витаминов групп A, D, Е, К, для всасывания которых необходим жир. Недостаток желчи еще более усугубляет этот процесс. Не менее существенным является обеспеченность организма высшими ненасыщенными жирными кислотами, такими, как линолевая, линоленовая, арахидоновая и другие, которые не синтезируются в организме. Недостаток этих соединений приводит к развитию специфических заболеваний, которые проявляются снижением веса, потерей аппетита, развитием дерматитов и т. д.

3. Недостаток в организме липотропных веществ (холина и метионина). Последние предохраняют печень от повышенного отложения жира — жировой инфильтрации путем участия в синтезе фосфолипидов и, в частности, лецитина.

4. Кетонурия (ацетонурия) и кетонемия (ацетонемия). Эти нарушения проявляются повышенным против нормы накоплением в крови и моче кетоновых (ацетоновых) тел, к которым относятся ацетон, ацетоуксусная и β-оксимасляная кислоты.

Эти вещества являются нормальными конечными продуктами распада жирных кислот.

5. Ожирение. Эта патология характеризуется повышенным отложением жира во всем организме, связанным с нарушением обмена веществ. Проблема ожирения имеет важное значение, так как люди с избыточным весом живут в среднем на 7 лет меньше, чем люди, имеющие нормальный для своего возраста и рода деятельности вес. С другой стороны, люди с ожирением примерно в 3-4 раза чаще умирают от болезней сердечно-сосудистой системы, сахарного диабета и др. Следовательно, вопрос ожирения это и вопрос долголетия. В основе ожирения лежит несколько причин. Во-первых, энергетический дисбаланс, возникающий тогда, когда количество энергии, поступающей в организм в виде пищи, много больше того, которое человек расходует; во-вторых, нарушения липидного обмена, развивающиеся в тех случаях, когда процессы синтеза жиров превышают процессы его распада (липолиза). Сюда относятся гормональные нарушения. Ожирение — это сложный процесс, патогенез которого до конца не выяснен и связан, по-видимому, с наличием сопряженных процессов превращения белков, жиров и углеводов и деятельностью гормонов. В качестве средств лечения ожирения Институтом питания АМН СССР разработана определенная методика, которая включает редуцированную диету и дозированную физическую нагрузку. Основой такой диеты является сниженная калорийность до 1750-1800 ккал/сутки вместо 2500- 2700 ккал, рекомендуемых для здоровых людей. Снижение калорийности достигается в основном за счет уменьшения количества углеводов (120 г в сутки вместо 450 г в норме). Количество белков, витаминов и минеральных солей остается нормальным. Как диету, так и степень физической нагрузки следует назначать после тщательного исследования больного врачом, который осуществляет постоянный контроль за состоянием больного в течение всего периода лечения.

6. Нарушения холестеринового обмена. Эти нарушения представляют значительный интерес в связи с некоторыми заболеваниями, возникающими на этой почве. Хроническая гиперхолестеринемия, вызванная у кроликов введением извне значительных количеств холестерина, приводит к перерождению стенок артерий, весьма напоминающему атеросклероз у человека (Н. Н. Аничков с сотр.). Эти наблюдения позволили связать вопрос об этиологии атеросклероза у человека с нарушением холестеринового обмена. Этиология и патогенез атеросклероза в настоящее время полностью не выяснены. Атеросклероз следует считать болезнью не только артерий, но прежде всего болезнью обмена веществ и нервного аппарата, регулирующего кровообращение и питание сосудистых стенок. При атеросклерозе в крови повышен уровень холестерина (до 500 мг% вместо обычных 150-250 мг%) и β-липопротеидов, которые являются его транспортной формой. Причиной гиперхолестеринемии является нарушение равновесия между количеством распавшегося и синтезированного холестерина в организме. С пищей поступает только 0,2-0,5 г холестерина в сутки, и это количество практически не может значительно повлиять на его уровень в организме. Следовательно, важное значение, вероятно, имеет эндогенный холестерин, образующийся в сутки в количестве 0,8-1,5 г. Увеличение последнего происходит при избыточном потреблении жиров и углеводов и нарушении процессов использования ацетил-КоА в организме. Лечение должно быть направлено на нормализацию энергетического обмена и торможение эндогенного синтеза холестерина в организме.

Исследование липидов и липоидов в клинике

Участие липидов в различных процессах обмена веществ в организме и изменение их количества при различных патологических состояниях определили возможность их исследования в крови с целью диагностики заболеваний. В клинике проводится определение общих жиров и жировых фракций, свободных жирных кислот, фосфатидов и холестерина.

В норме количество общего жира в плазме крови составляет 559 мг%, из них нейтрального жира — 142,0 мг%. Эти количества через 1-4 часа после приема пищи могут увеличиваться соответственно до 780 и 200 мг%. Такое физиологическое состояние называется алиментарной (пищевой) гиперлипемией. Патологическая гиперлипемия обнаруживается при сахарном диабете, панкреатитах (воспаление поджелудочной железы), острых гепатитах (воспаление печени), лихорадочных состояниях и т. д.

α- и β-липопротеиды, которые являются транспортной формой жиров, в плазме крови в норме содержатся в количестве соответственно 260 и 100 мг%. Увеличение β-липопротеидов обнаружено при атеросклерозе, а снижение α-липопротеидов — при циррозе печени.

Общее содержание в плазме крови свободных жирных кислот у здорового человека составляет 294-341 мг%. При диабете, нефрозах (заболевания почек) их уровень может значительно повышаться.

Увеличение концентрации фосфолипидов, которых в норме в плазме крови содержится 221 мг%, отмечается при диабете, нефрозах, желтухах (заболевания желчного пузыря). При пониженной функции щитовидной железы количество фосфолипидов снижено.

Концентрация холестерина при атеросклерозе, диабете, микседеме (см. Гормоны) повышается, а при острых инфекционных заболеваниях, легочном туберкулезе, острых заболеваниях печени и поджелудочной железы — снижается.