LIPIDY. BUDOWA I METABOLIZM
Lipidy są heterogenną grupą nierozpuszczalnych w wodzie (hydrofobowych) związków organicznych, które
mogą być ekstrahowane z tkanek przy użyciu rozpuszczalników niepolarnych.
Z powodu ich nierozpuszczalności w środowisku wodnym rozmieszczenie lipidów w organizmie jest bardzo
nierównomierne.
Większość z nich jest skupiona w cytoplazmie komórek tłuszczowych, w błonach biologicznych i w komplek-
sach z białkami osoczowymi.
Lipidy są głównym z
ródłem energii dla organizmu ludzkiego.
Ponadto stwarzają hydrofobowe struktury błonowe, odgraniczające komórkę od macierzy pozakomórkowej i
dzielące wnętrze komórki na wiele przedziałów.
Niektóre z lipidów są witaminami lub koenzymami.
Lipidowy charakter wykazują także substancje regulujące homeostazę ustrojową, wśród nich hormony
steroidowe i prostaglandyny.
Nieprawidłowości w metabolizmie lipidów to z
ródło poważnych procesów patologicznych, przede wszystkim
miażdżycy i otyłości.
W organizmie ludzkim najobficiej występującymi lipidami są kwasy tłuszczowe, acyloglicerole, fosfolipidy,
sfingolipidy oraz cholesterol i jego liczne pochodne.
Jeżeli kwas tłuszczowy zawiera dwa lub więcej podwójnych wiązań, nigdy nie występują one w bezpośrednim
sÄ…siedztwie.
Kwasy tłuszczowe
Atomy węgla uczestniczące w tworzeniu takich wiązań są rozdzielone przez grupę
Kwasy tłuszczowe składają się z łańcucha węglowodorowego zakończonego grupą karboksylową.
[-CH2-].
W fizjologicznym pH grupa ta występuje w postaci zjonizowanej (-COO-), kwas tłuszczowy, którego grupa -
W miarę wzrostu liczby atomów węgla w cząsteczce kwasu tłuszczowego rośnie jego temperatura topnienia,
COOH została pozbawiona fragmentu -OH nosi nazwę reszty acylowej lub grupy acylowej.
natomiast obecność i wzrost liczby podwójnych wiązań powoduje obniżenie tej temperatury.
Wspomniane formy kwasu tłuszczowego, na przykładzie kwasu palmitynowego, przedstawia
Cząsteczka kwasu tłuszczowego ma charakter amfipatyczny.
ryc. 7. 1.
Oznacza to, iż posiada ona fragment hydrofobowy (łańcuch węglowodorowy) i fragment hydrofilny (grupa
karboksylowa-zdolna do dysocjacji).
Rys. 7.1. Kwas palmitynowy .
A  postać niezdysocjonowana
Jednakże, szczególnie w kwasach tłuszczowych o długim łańcuchu węglowodorowym, zdecydowanie dominu-
B- anionowa postać tego kwasu
ją właściwości hydrofobowe.
C- reszta (grupa) palmitoilowa
Kwasy takie, mimo obecności fragmentu hydrofilnego, są nierozpuszczalne w środowisku wodnym.
Poszczególnym atomom węgla, wchodzącym w skład cząsteczki kwasu tłuszczowego, przypisano kolejne
Zdecydowana większość kwasów tłuszczowych cechuje się
numery; poczynając od węgla grupy karboksylowej, oznaczanego numerem 1 (C1).
parzystą liczbę atomów węgla.
Równolegle funkcjonuje inny system oznaczania atomów węgla.
Najczęściej występujące zawierają 16 lub 18 atomów węgla.
Atom C2, z którym wiąże siÄ™ grupa karboksylowa, nazywany jest wÄ™glem Ä…, atom C3 jest wÄ™glem ², atom C4
DzielÄ… siÄ™ one na nasycone (tabela 7.1) i nienasycone (tabela
węglem ł etc.
7.2).
Ostatni z atomów wÄ™gla, tworzÄ…cy koniec metylowy nosi nazwÄ™ wÄ™gla É niezależnie od dÅ‚ugoÅ›ci Å‚aÅ„cucha.
Te ostatnie zawierają od 1 do 6 wiązań podwójnych, najczę-
ściej o konfiguracji cis.
W niektórych przypadkach, szczególnie w odniesieniu do kwasów nienasyconych, stosuje się numerację
atomów wÄ™gla, poczynajÄ…c od wÄ™gla É i nadajÄ…c mu numer É1.
Konfiguracja trans występuje rzadko.
Na przykÅ‚ad, kwas linolenowy jest kwasem É-3, ponieważ wiÄ…zanie podwójne najbliższe wÄ™glowi É znajduje
Obecność podwójnego wiązania typu cis sprawia, iż w miejscu tym następuje zagięcie długiej osi kwasu
siÄ™ przy wÄ™glu 3, natomiast kwas linolowy jest zaliczany do kwasów É-6, ponieważ najbliższe wÄ™glowi É
tłuszczowego.
wiązanie podwójne, znajduje się przy węglu
C6.
Rys. 7.2. Sposób numeracji atomów węgla
w kwasach tłuszczowych i oznaczania ich
literami greckimi:
A  w kwasach nasyconych  poczynajÄ…c od
grupy karboksylowej, B  w kwasach
nienasyconych  poczynając od końca
metylowego (od wÄ™gla É)
 Na powierzchni komórek śródbłonka naczyń włosowatych, głównie mięśni szkieletowych, tkanki tłuszczowej,
Niemal wszystkie kwasy tłuszczowe mają łańcuchy proste. mięśnia sercowego, płuc, nerki i wątroby, występuje lipaza lipoproteinowa.
Kwasy rozgałęzione występują bardzo rzadko. Enzym ten rozkłada triacyloglicerole, zawarte w krążących chylomikronach, do glicerolu i wolnych kwasów
tłuszczowych.
Od łacińskiej nazwy limfy (chyle) wywodzi się nazwa tych kompleksów: chylomikrony.
Acyloglicerole
Wędrują one jako składnik limfy poprzez przewód piersiowy do lewej żyły podobojczykowej, gdzie miesza ją
Acyloglicerole są estrami glicerolu i kwasów tłuszczowych.
siÄ™ z krwiÄ….
W zależności od liczby reszt kwasów tłuszczowych wchodzących w skład cząsteczki, wyróżnia się monoacylo-
Glicerol uwalniany z triacylogliceroli jest zużywany niemal wyłącznie przez wątrobę do produkcji glicerolo-3-
glicerole, diacyloglicerole i triacyloglicerole (ryc. 7.3).
fosforanu, który jest utleniany do fosfodihydroksyacetonu.
Ten ostatni może być przekształcany w jednym spośród trzech możliwych głównych kierunków.
Rys. 7.3. Acyloglicerole o różnej liczbie reszt
WÅ‚Ä…cza siÄ™ do glikolizy - przetwarzajÄ…c siÄ™ w pirogronian, lub do glukoneogenezy - przetwarzajÄ…c siÄ™ w gluko-
kwasów tłuszczowych.
zÄ™, bÄ…dz
redukuje się do glicerolo-3-fosforanu - służąc jako substrat do ponownej syntezy triacylogliceroli.
W skład jednej cząsteczki triacyloglicerolu
Kwasy tłuszczowe uwolnione z triacylogliceroli wnikają do wnętrza przylegających komórek lub wiążą się z
mogą wchodzić reszty jednakowych (rzadko)
albuminą osoczową i krążą we krwi do czasu ich wychwycenia przez komórki.
bÄ…dz
różnych (często) kwasów tłuszczowych.
Większość komórek utlenia kwasy tłuszczowe w celu produkcji energii.
W pozycji C1 glicerolu zwykle kwas nasyco-
ny, przy węglu C2 kwas nienasycony, a przy Inaczej zachowują się komórki tkanki tłuszczowej, zwane lipocytami lub adipocytami.
C3 równie często każdy z nich.
Zużywają one wolne kwasy tłuszczowe do resyntezy triacylogliceroli, które są przechowywane we wnętrzu
Obecność nienasyconych kwasów tłuszczo- tych komórek jako zapasowy materiał energetyczny.
wych obniża temperaturę topnienia acylogli-
ceroli.
Rozkład triacylogliceroli w komórkach
Triacyloglicerole są głównym rezerwuarem energii dla organizmu ludzkiego.
Mechanizm rozkładu triacylogliceroli w komórkach, a przede wszystkim w tkance tłuszczowej, jest zasadni-
Są one bowiem (w przeciwieństwie do cukrów) w wysokim stopniu zredukowane.
czo podobny do rozpadu triacylogliceroli w przewodzie pokarmowym.
Stosunek wodoru do tlenu w triacyloglicerolach jest wielokrotnie wyższy niż w cukrach.
Proces ten jest jednak regulowany przez układ hormonalny.
SÄ… one magazynowane w organizmie w bezwodnej formie.
Mobilizacja kwasów tłuszczowych, zmagazynowanych w postaci triacylogliceroli w komórkach tłuszczowych,
Stanowią około 60-90% masy tkanki tłuszczowej. następuje na drodze hydrolizy katalizowanej przez lipazę hormonowrażliwą, która odłącza kwasy tłuszczowe
w pozycji C1 lub C3 triacyloglicerolu.
W małej objętości tkanki może być zdeponowana duża ilość substratu energetycznego.
Inne lipazy, specyficzne wobec monoacylogliceroli lub diacylogliceroli, odłączają pozostałe kwasy tłuszczowe.
Utlenienie 1 g tłuszczu do CO2 i H2O dostarcza ponad dwukrotnie więcej (około 37 kJ/g) energii niż utlenia-
nie cukrów czy białek (około I 7 kJ/g). Lipaza hormonowrażliwa - jak wskazuje jej nazwa - pozostaje pod regulacyjną kontrolą hormonów, głównie
adrenaliny.
Hormon ten pobudza proces lipolizy w tkankach.
Trawienie acylogliceroli pokarmowych
Lipaza hormonowrażliwa jest aktywowana poprzez fosforylację białka enzymatycznego - pobudzaną przez
Dorosły człowiek pobiera w ciągu doby około 60 - 150 g lipidów.
adrenalinÄ™, a unieczynnianÄ… na drodze defosforylacji tego enzymu, pobudzanej przez insulinÄ™.
Ponad 90% z nich to triacyloglicerole.
Wolne kwasy tłuszczowe przenikają przez błonę komórkową adipocytów, dostają się do krwi, gdzie wiążą się z
albuminÄ… osoczowÄ….
Wśród pozostałych występują cholesterol i jego estry, fosfolipidy i wolne kwasy tłuszczowe.
W kompleksie z albuminą są transportowane do tkanek obwodowych, gdzie ponownie wnikają do komórek i
Rozkład acylogliceroli i innych estrów kwasów tłuszczowych nosi nazwę lipolizy.
sÄ… utleniane w celu uzyskania energii.
Enzymy katalizujÄ…ce proces lipolizy nazywajÄ… siÄ™ lipazami.
Niektóre komórki - a zwłaszcza erytrocyty i komórki nerwowe - nie mogą zużywać kwasów tłuszczowych do
Triacyloglicerole sÄ… trawione przez
celów energetycznych.
lipazę trzustkową, która odłącza
kwasy tłuszczowe przy skrajnych
atomach węgla: C1 i C3 glicerolu.
Utlenienie kwasów tłuszczowych
Produktami tej reakcji jest mie-
Głównym z
ródłem kwasów tłuszczowych w komórce jest lipoliza acylogliceroli i estrów cholesterolu oraz
szanina 2-monoacyloglicerolu i
biosynteza tych kwasów w komórce.
wolnych kwasów tłuszczowych
(ryc. 7.4). Obydwa te procesy zachodzą w cytosolu, natomiast utlenienie kwasów tłuszczowych zachodzi w macierzy
mitochondrialnej.
Rys. 7.4. Hydrolityczny rozpad
triacylogliceroli pod działaniem Oznacza to, iż kwasy tłuszczowe przeznaczone do utlenienia muszą być przetransportowane do wnętrza
lipazy trzustkowej. mitochondrium.
W procesie utleniania kwasów tłuszczowych współdziałają: cytosol i mitochondria, a w utlenianiu kwasów o Drugi etap polega na utlenianiu reszt acetylowych (octanowych) w cyklu kwasów trikarboksylowych do CO2 i
bardzo długim łańcuchu węglowym (ponad 20 C) dodatkowo uczestniczą peroksysomy. H2O.
Kwasy tłuszczowe o krótkim łańcuchu, zawierającym do 10 atomów węgla, przenikają bezpośrednio do Obydwa procesy są bardzo wydajne pod względem energetycznym.
wnętrza mitochondrium.
DostarczajÄ… ATP.
Tam są aktywowane poprzez przyłączenie CoA-SH, kosztem energii powstałej z rozpadu jednej cząsteczki ATP
Przebieg procesu ²-oksydacji wszystkich kwasów tÅ‚uszczowych przebiega podobnie.
do AMP i pirofosforanu.
Jednak pomiędzy utlenianiem kwasów o parzystej i nieparzystej liczbie atomów węgla,
Powstaje odpowiedni acylo~S-CoA (wzór 7.1).
-kwasów nasyconych i nienasyconych,
-kwasów o łańcuchu prostym i rozgałęzionym zachodzą pewne różnice, które wymagają odrębnego omówie-
nia.
Reakcja jest katalizowana
przez mitochondrialnÄ… synte-
²-oksydacja nasyconych kwasów tÅ‚uszczowych o parzystej liczbie atomów wÄ™gla
tazÄ™ acylo~S-CoA (tiokinazÄ™).
Większość kwasów tłuszczowych nasyconych, występujących w organizmie człowieka, zawiera parzystą
Koszt energetyczny tego proce-
liczbę atomów węgla.
su jest równoważny utracie
dwóch czÄ…steczek ATP przy Dlatego podczas ²-oksydacji rozpada siÄ™ na odpowiedniÄ… liczbÄ™ czÄ…steczek acetylo~S-CoA.
jego przemianie do ADP.
Powstały pirofosforan rozpada
Utlenianie acylo~S-CoA
się natychmiast pod działa-
niem pirofosfatazy do dwóch
Pierwszym etapem ²-oksydacji jest odÅ‚Ä…-
cząsteczek fosforanu nieorganicznego, dlatego reakcja aktywacji kwasu tłuszczowego jest nieodwracalna.
czenie pary atomów wodoru od wÄ™gli Ä… i ².
Kwasy tłuszczowe o długich łańcuchach (12 i więcej atomów C w cząsteczce) nie mogą bezpośrednio wnikać
ReakcjÄ™ katalizuje dehydrogenaza acylo~S-
do mitochondrium.
CoA.
Przeszkodę stanowi wewnętrzna błona mitochondrialna.
Akceptorem wodorów jest FAD.
Ich aktywacja zachodzi w cytosolu poprzez przyłączenie CoA-SH, kosztem energii powstałej z rozpadu jednej
Powstaje trans "2enoilo~S-CoA i czÄ…stecz-
czÄ…steczki ATP do AMP i pirofosforanu.
ka FADH2 (wzór 7.2).
Reakcja jest katalizowana przez cytosolowÄ… syntetazÄ™ acylo~S-CoA (tiokinazÄ™).
Powstaje odpowiedni acylo~S-CoA (wzór 7.1), a pirofosforan rozpada się natychmiast pod działaniem pirofos-
Hydratacja trans-"2enoilo~S-CoA
fatazy do dwóch cząsteczek fosforanu, podobnie jak w wyżej przedstawionej reakcji aktywacji kwasów tłusz-
Produkt poprzedniej reakcji przyłącza H2O
czowych w mitochondrium.
w miejscu podwójnego wiązania.
Także i w tym przypadku koszt energetyczny tego procesu jest równoważny utracie 2 cząsteczek ATP przy
ReakcjÄ™ katalizuje hydrataza enoilo~S-CoA.
jego przemianie do ADP.
Wodór wiąże się z węglem ą a grupa -OH z
Wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla (cytosolowego) acylo~S-CoA.
wÄ™glem ².
Dlatego w komórce funkcjonuje specjalistyczny system transportu reszt acylowych, z cytosolu do macierzy
Powstaje ²-hydroksyacylo~S-CoA (wzór
mitochondrialnej.
7.3).
Przenośnikiem jest karnityna.
Proces ten polega na przenoszeniu reszt acylowych z cytosolowego acylo~S-CoA na karnitynÄ™ z wytworzeniem
Utlenianie ²-hydroksyacylo~S-CoA
acylokarnityny.
Kolejna reakcja polega na utlenianiu
Ta przenika do macierzy mitochondrialnej, gdzie grupa acylowa zostaje przeniesiona na mitochondrialny
produktu poprzedniej reakcji przy udziale
CoA-SH z ponownym wytworzeniem (mitochondrialnego) acylo~S-CoA.
dehydrogenazy ²-hydroksyacy1o~S-CoA,
Wspomniany system transportu nosi nazwę czółenka karnitynowego lub mostka karnitynowego .
współdziałającej z NAD+.
Utlenianie kwasów tłuszczowych w mitochondriach jest procesem dwuetapowym.
Enzym odłącza parę atomów wodoru
(2H++2e-) od ²-hydroksyacylo~S-CoA.
Każdy z etapów składa się z wielu reakcji pośrednich.
Powstaje ²-ketoacylo~S-CoA i czÄ…steczka
Pierwszy etap tego procesu nosi nazwÄ™ ²-oksydacji.
NADH +H+ (wzór 7.4).
Polega on na:
- wielokrotnie powtarzanych reakcjach utleniania łańcucha węglowodorowego kwasu tłuszczowego przy
wÄ™glu ²,
- na rozpadzie utlenianego substratu na fragmenty dwuwęglowe.
Każdy cykl ²-oksydacji powoduje skrócenie Å‚aÅ„cucha kwasu tÅ‚uszczowego o kolejny fragment dwuwÄ™glowy,
co skutkuje pojawianiem siÄ™ coraz to nowych wÄ™gli ².
Produktem ²-oksydacji jest wiele czÄ…steczek acetylo~S-CoA.
Odłączenie acetylo~S-CoA Utlenianie kwasów tłuszczowych o niższej lub wyższej liczbie atomów węgla w cząsteczce, dostarcza odpo-
wiednio mniej lub więcej ATP.
Kolejna reakcja prowadzi do skró-
cenia łańcucha kwasu tłuszczowe-
go o fragment dwuwęglowy.
Utleniane glicerolu
Pod działaniem tiolazy i CoA-SH
Glicerol, pochodzący z rozpadu acylogliceroli, jest fosforylowany w cytosolu przez kinazę glicerolową zużywa-
następuje odłączenie acetylo~S-
jÄ…cÄ… czÄ…steczkÄ™ ATP.
CoA i powstanie nowego acylo~S-
CoA, krótszego od poprzedniego o
Powstaje glicerolo-3-fosforan.
dwa atomy węgla (wzór 7.5).
W kolejnym etapie glicerolo-3-fosforan jest utleniany przez dehydrogenazÄ™ glicerolo-3-fosforanowÄ… kosztem
redukcji NAD+ do NADH+H+.
Cztery powyższe reakcje powtarzają
Powstaje fosfodihydroksyaceton, który jest metabolitem pośrednim, zarówno w glukoneogenezie, jak i w
się wielokrotnie, aż do całkowitego
glikolizie.
rozpadu kwasu tłuszczowego na n cząsteczek acetylo~S-CoA.
Może przekształcać się w glukozę (jest to dominujący kierunek przemiany glicerolu) lub utleniać się do piro-
Wartość n równa się liczbie par atomów węgla występujących w utlenianym kwasie tłuszczowym.
gronianu.
Liczba zachodzÄ…cych ²-oksydacji równa siÄ™: n-1, gdyż produktem ostatniej z nich sÄ… dwie czÄ…steczki acety-
Ten ostatni drogą oksydacyjnej dekarboksylacji przekształca się w acetylo~S-CoA, a reszta acetylowa - po-
lo~S-CoA.
przez cykl kwasów
trikarboksylowych -
utlenia siÄ™ do CO2 i
Rola peroksysomów H2O dostarczając
ATP (ryc. 7.7).
Peroksysomy uczestniczÄ… w ²-oksydacji kwasów tÅ‚uszczowych o bardzo dÅ‚ugim Å‚aÅ„cuchu (ponad 22 C).
Rys. 7.7. Metabolizm
Proces ten prowadzi do skrócenia wspomnianych Å‚aÅ„cuchów, a to uÅ‚atwia ich dalszÄ… ²-oksydacjÄ™ w mito-
glicerolu.
chondriach.
Glicerol, jako pro-
dukt lipolizy po-
wstaje głównie w
Metaboliczne losy acetylo~S-CoA
adipocytach, ale nie
Większość acetylo~S-CoA - włącza się do cyklu kwasów trikarboksylowych, gdzie reszty acetylowe utleniają
może być w nich
siÄ™ do CO2 i H2O.
metabolizowany,
ponieważ komórki te
Ponadto metabolit ten może być substratem w biosyntezie cholesterolu, estrów acetylowych, ciał ketono-
nie posiadajÄ… kinazy
wych, nowych kwasów tłuszczowych lub acetylowych pochodnych aminoheksoz.
glicerolowej.
Glicerol jest zwiÄ…z-
Bilans energetyczny ²-oksydacji i utleniania jej produktów kiem dobrze roz-
puszczalnym w
Ilość energii uwolnionej w wyniku całkowitego utlenienia kwasu tłuszczowego zależy przede wszystkim od
wodzie.
długości łańcucha węglowego.
Przenika do krwi i jest transportowany do wÄ…troby.
Przykładem może być niżej przedstawiony bilans utleniania kwasu palmitynowego, zawierającego 16 atomów
węgla. Tam jest fosforylowany przez wątrobową kinazę glicerolową i przetwarzany w sposób wyżej omówiony.
Aktywacja palmitynianu, zachodząca w cytosolu, pociąga za sobą wydatek energii równoważny utracie 2 Bilans energetyczny utleniania glicerolu wynika:
cząsteczek ATP. - z wcześniejszych rozważań nad efektem energetycznym glikolizy,
- oksydacyjnej dekarboksylacji pirogronianu i utleniania reszt acetylowych w cyklu Krebsa.
W każdej ²-oksydacji zachodzÄ… dwie reakcje utleniania, pierwsza z udziaÅ‚em FAD, której towarzyszy powsta-
nie 2 cząsteczek ATP, i druga z odziałem NAD+, której towarzyszy powstanie 3 cząsteczek ATP. Uwzględnia następujące etapy jego przemiany:
Każda ²-oksydacja dostarcza wiÄ™c 5 czÄ…steczek ATP. Fosforylacja glicerolu (zużywajÄ…ca ATP) -1 ATP
Utlenienie każdej reszty acetylowej w cyklu Krebsa dostarcza 12 cząsteczek ATP. Utlenienie glicerolo-3-fosforanu do fosfodihydroksyacetonu +3 ATP
Proces ²-oksydacji zachodzi 7-krotne, w jego wyniku powstaje 8 czÄ…steczek acetylo~S-CoA. Przemiana fosfodihydroksyacetonu w pirogronian drogÄ… glikolizy +5 ATP
Z powyższych rozważań wynika, niżej przedstawiony bilans energetyczny utleniania palmitynianu. Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu +3 ATP
Aktywacja palmitynianu do palmitoilo~S-CoA -2 ATP Utlenianie reszty acetylowej w cyklu Krebsa + 12 ATP
²-oksydacja palmitoilo~S-CoA (7 x 5 ATP) +35 ATP A
ącznie: utlenienie 1 cząsteczki glicerolu do CO2 i H2O po uwzględnieniu  straty 1 cząsteczki ATP
zużytej na fosforylację glicerolu, dostarcza 22 cząsteczek ATP.
Spalanie reszt acetylowych w cyklu Krebsa (8 x 12 ATP) +96 ATP
A
Ä…cznie: utlenienie 1 czÄ…steczki palmitynianu do CO2 i H2O dostarcza 129 czÄ…steczek ATP.