Wstęp do Biochemii.

Wykład 3 Metabolizm lipidów

 Spalanie i synteza triglicerydów.

 Podstawowym substancją paliwową o charakterze tłuszczowym są triglicerydy. Składają się one z glicerolu oraz 3 cząsteczek kwasów tłuszczowych. Spalanie tłuszczów to przede wszystkim zachodząca w mitochondriach β-oksydacja kwasów tłuszczowych. W największym skrócie można powiedzieć, że w pierwszym etapie cząsteczka ta jest rozkładana na glicerol oraz kwasy tłuszczowe. Glicerol następnie wchodzi w szlak glikolizy, kwasy tłuszczowe natomiast podlegają cięciu w procesie beta-oksydacji na kawałki dwuwęglowe, czyli acetylo-CoA, co ma miejsce w mitochondriach. Acetylo-CoA jest następnie spalany w cyklu Krebsa.

 Jeśli chodzi o syntezę to omówiona zostanie zachodząca w cytoplazmie synteza kwasów tłuszczowych. Na pierwszy ogień weźmy się za procesy spalania, gdyż będzie to naturalna kontynuacja poprzedniego wykładu dotyczącego spalania węglowodanów.

 

Trigliceryd – to podstawowy związek chemiczny będący paliwem tłuszczowym. Może on krążyć we krwi samodzielnie. Może wchodzić w skład frakcji lipidowych osocza takich jak VLDL, LDL, HDL, chylomikrony, w których to jest on transportowany pomiędzy różnymi tkankami organizmu. Może być wreszcie odłożony jako zapas w komórkach tłuszczowych. Pierwszy etap spalania cząsteczki triglicerydu zachodzi w większości o dziwo w tkance tłuszczowej. Dotyczy to zarówno triglicerydów krążących we krwi, jak i tych uwalnianych z tkanki tłuszczowej. Polega on na rozkładzie cząsteczki na glicerol i 3 kwasy tłuszczowe. Kwasy tłuszczowe dostają się do krwi, skąd są pobierane przez tkanki celem spalenia.

 

Los glicerolu zależy natomiast od obecności w danej tkance enzymu kinazy glicerolowej, który przyłącza doń grupę fosforanową. Jeśli tkanka posiada ten enzym, glicerol zostaje przekształcony do gliceraldehydo-3P, związku pośredniego glikolizy i cyklu pentozowego. Następuje wtedy jego spalenie lub zużycie do syntez. Jeśli tkanka tego enzymu nie ma, glicerol jest wyrzucony do krwi. Krąży on tam tak długo, aż trafi do tkanki, która ten enzym posiada. Enzymu tego nie ma w tkance tłuszczowej. To jest bardzo ważna informacja dla wszystkich, którzy mają problem z nadwagą. Oznacza, że glicerol powstały z rozpadu triglicerydu w tkance tłuszczowej nie może zostać zużyty od odbudowy nowej cząsteczki triglicerydu. Wynika to z faktu, że do syntezy triglicerydu używana jest jego postać ufosforylowana, która może powstać jedynie z drodze spalania cząsteczki cukru.

Zakładając, że cząsteczka glicerolu zostałaby całkowicie spalona, podsumowanie wszystkich pośrednich reakcji (zamiana na pirogronian, acetylo-CoA i spalenie w cyklu Krebsa) będzie wyglądać następująco:

 

C₃H₈O₃(glicerol) + 3½ O₂ + 22 P + 22 ADP →  3 CO₂ + 4 H₂O + 22 ATP

 

W przeliczeniu na gramy natomiast – ze 100g glicerolu uzyskać można ok. 24 mole ATP. Jest to wartość porównywalna z glukozą (21 moli/100g).

 

Przeanalizujmy teraz los uwolnionych kwasów tłuszczowych. Jakkolwiek w biochemii mówi się o Wolnych Kwasach Tłuszowych (WKT), to faktycznie nie poruszają się one samodzielnie we krwi, lecz są transportowane przez białka. We krwi są one transportowane przez podstawowe białko osocza – albuminę. Wewnątrz komórek natomiast jest to białko wiążace kwasy tłuszczowe lub białko Z. Samodzielnie poruszają się jedynie krótkie kwasy tłuszczowe, które są łatwiej rozpuszczalne w wodzie. Po wniknięciu do komórki kwasy tłuszczowe ulegają w pierwszej kolejności aktywacji, by móc wejść w dalsze reakcje spalania. Aktywacja polega na przyłączeniu do końca karboksylowego cząsteczki znanego nam już koenzymu A. Reakcja ta zachodzi kosztem rozpadu ATP na AMP i pirofosforan, czyli wymaga dwóch wiązań wysokoenergetycznych. Zachodzić może zarówno w cytoplazmie, jak i w mitochondrium. Taką aktywną cząsteczkę nazywamy niezależnie od długości łańcucha węglowego kwasu tłuszczowego – acylo-CoA.

Ani wolny kwas tłuszczowy, ani acylo-CoA nie mogą przenikać samodzielnie do wnętrza mitochondrium. W procesie transportu przez błonę uczestniczy specjalny związek L-karnityna. Piszę o tym, gdyż istnieje sporo doniesień na temat ważnej roli tego związku w procesie spalania nie tylko tłuszczów, ale również glukozy. Istnieją silne przesłanki sugerujące możliwość rozwoju względnego niedoboru tego związku na diecie wegetariańskiej. Niedobór taki utrudnić może transport kwasów tłuszczowych do mitochondriów, sprzyjać rozwojowi cukrzycy oraz kwasicy mleczanowej. L-karnityna syntetyzowana jest w organizmie z dwóch aminokwasów: lizyny i metioniny, a do jej syntezy niezbędne są: witaminy: PP, B₆, C oraz żelazo. Oba te aminokwasy są niezbędne w diecie tzn. organizm nie jest w stanie ich zsyntetyzować z cukru. Dużą zawartością karnityny cechują się przede wszystkim mięsa oraz żółtka. Spośród mięs, najwięcej jest jej w baraninie, najmniej w kurczakach. W przypadku diety o niskiej zawartości mięsa i żółtek ograniczone jest zarówno dostarczanie owych aminokwasów, jak i samej karnityny.

 

Wróćmy jednak do spalania kwasów tłuszczowych. Zaktywowany kwas tłuszczowy, czyli acylo-CoA jest już w mitochondrium. Tutaj następuje jego ostateczne spalanie. Ogólnie, w procesie spalania wyróżnić można 2 etapy. Pierwszy – to cięcie kwasu tłuszczowego na fragmenty dwuwęglowe, czyli cząsteczki acetylo-CoA. Drugi – to omówione już poprzednio spalanie acetylo-CoA w cyklu Krebsa. Zajmiemy się więc dokładniej jedynie pierwszym etapem.

 

Cięcie na fragmenty dwuwęglowe polega na kolejnym odłączaniu od końca karboksylowego cząsteczek acetylo-CoA. Jeśli kwas tłuszczowy ma nieparzystą ilość atomów węgla, to specjalne enzymy rozłożą tę nieparzystą końcówkę. Zważywszy jednak, że zdecydowana większość kwasów tłuszczowych ma parzystą ilość atomów węgla, ilościowo jest to proces marginalny. Przeanalizujmy sobie proces odszczepiania jednej cząsteczki acetylo-CoA:

R–CH₂ –CH₂–CO∼CoA →

R–CH = CH –CO∼CoA → przeniesienie dwóch wodorów na FAD

R–CHOH–CH₂–CO∼CoA → przyłączenie cząsteczki wody

R–CO – CH₂–CO∼CoA →  przeniesienie dwóch wodorów na NAD

R–CO∼CoA + CH₃–CO∼CoA. odłączenie acetylo-CoA, przyłączenie wolnego CoA do reszty łańcucha węglowego R.

 

W jednym etapie odłączania acetylo-CoA uzyskujemy więc 1 FADH₂ oraz 1 NADH₂. Ponieważ utlenienie FADH₂ daje 2 cząsteczki ATP, a NADH₂ – 3 ATP, utlenienie tego wodoru daje łącznie 5 cząsteczek ATP.

Przeprowadźmy teraz obliczenia bilansu energetycznego spalania 1 cząsteczki kwasu palmitynowego, podstawowego – 16-węglowego kwasu tłuszczowego. Zostaje wykonanych 7 cięć, w wyniku których powstaje 8 cząsteczek acetylo-CoA. Każde cięcie dostarcza 5 ATP, a każdy acetylo-CoA daje w cyklu Krebsa 12 ATP. Odjąć trzeba jeszcze 2 cząsteczki zużyte na pierwszą reakcję aktywacji kwasu tłuszczowego. Ostateczny bilans więc to 7⋅5 + 8⋅12 – 2 = 129 cząsteczek ATP. W przeliczeniu na gramy, ze 100g kwasu palmitynowego można uzyskać 50.4 mole ATP. Jest to wartość ok. 2.5x większa niż dla glukozy.

 

W przypadku nienasyconych kwasów tłuszczowych istnieją specjalne mechanizmy, które umożliwiają ominięcie podwójnego wiązania w trakcie cięcia na acetylo-CoA. Aby nie wdawać się w nadmierne szczegóły, wystarczy powiedzieć, że każde podwójne wiązanie w cząsteczce kwasu tłuszczowego to 3 cząsteczki ATP mniej w łącznym bilansie. Wiązania podwójne nie obniżają więc znacząco kaloryczności tłuszczów.

 

Synteza kwasów tłuszczowych

 

Synteza kwasów tłuszczowych nie jest prostym odwróceniem reakcji spalania, lecz odrębnym procesem biochemicznym o niezależnych mechanizmach regulacji. Spalanie zachodzi w mitochondrium, synteza natomiast ma miejsce w cytoplazmie komórki. W wyniku spalania kwasów tłuszczowych wodór zostaje przeniesiony na NAD i FAD. Do syntezy natomiast, jako dawca wodoru służy NADPH₂. W obu wypadkach jako szkielet węglowy używany jest acetylo-CoA. Prześledźmy sobie teraz nieco dokładniej sposób syntezy kwasu tłuszczowego.

Dwa podstawowe związki używane do syntezy to acetylo-CoA, który musi w tym celu opuścić mitochondrium oraz NADPH₂ powstający w cyklu pentozowym spalania glukozy. Wydłużanie łańcucha następuje więc fragmentami dwuwęglowymi. Cząsteczka acetylo-CoA jest przyłączana do już istniejącego łańcucha, a następnie tlen z grupy ketonowej jest zamieniany na wodór. Synteza kwasu tłuszczowego jest o tyle ciekawa, że wszystkie reakcje z wyjątkiem oznaczonej numerem „2” – przyłączania CO₂ – są wykonywane przez jedną wielką cząsteczkę enzymatyczną, która składa się w wielu podjednostek, z których każda wykonuje jedną reakcję. Takie „zlepienie” się wszystkich enzymów jednego szlaku metabolicznego powoduje bardzo znaczną poprawę wydajności całego procesu, gdyż cząsteczki nie muszą się szukać w cytoplazmie. Poszczególne związki pośrednie są przenoszone z jednej podjednostki na następną zupełnie jak na dobrze zorganizowanej taśmie produkcyjnej. Co więcej taśma ta jest zamknięta w kółko, czyli kwas tłuszczowy po wydłużeniu o dwa węgle trafia w ten sam punkt przestrzeni, z którego wystartował. Ściślej rzecz biorąc, mamy do czynienia z kompleksem dwóch identycznych cząsteczek enzymu o kształcie rogalików, które stykając się końcami tworzą zamknięty pierścień. Po wydłużeniu się o dwa węgle kwas tłuszczowy jest więc na drugim końcu makrocząsteczki, symetrycznym względem punktu startu. Powrót do tego samego miejsca w przestrzeni zachodzi natomiast po wydłużeniu o 4 węgle.

 

Prześledźmy kolejne reakcje wydłużania cząsteczki kwasu tłuszczowego:

1. W pewnym miejscu enzymu przyłączony jest kwas tłuszczowy, czyli reszta acylowa R będąca kwasem tłuszczowym podlegającym procesowi wydłużania.

R-COO∼enzym

 

2. Wszystkie cząsteczki acetylo-CoA, które są przyłączane, są najpierw aktywowane przez przyłączenie cząsteczki CO₂. Reakcja nie wymaga energii:

CH₃–CO∼CoA + CO₂  →  COOH–CH₂–CO∼CoA (malonylo-CoA)

 

3. Grupa malonylowa jest również przyłączana do enzymu w sąsiedztwie acylowej:

R-COO∼enzym + COOH–CH₂–CO∼CoA → R-COO∼enzym∼CO–CH₂–COOH + CoA

4. Grupa acylowa jest przenoszona na malonylową, odłącza się z powrotem cząsteczka CO₂:

R-COO∼enzym∼CO–CH₂–COOH → enzym∼CO–CH₂–CO-R + CO₂

5. Pierwsze uwodornienie cząsteczki:

enzym∼CO–CH₂–CO–R + NADPH₂ → enzym∼CO–CH₂–CHOH–R

6. Odłączenie cząsteczki wody:

enzym∼CO–CH₂–CHOH–R → enzym∼CO–CH=CH–R + H₂O

7. Drugie uwodornienie cząsteczki:

enzym∼CO–CH=CH–CH₃ + NADPH₂ → enzym∼CO–CH₂–CH₂–R (acylo-enzym)

 

8a. Przeniesienie grupy acylowej „na lewo”. Kontynuacja reakcji od punktu 3.

enzym∼CO– CH₂–CH₂–R → R–CH₂–CH₂–CO∼enzym

8b. Jeśli kwas tłuszczowy jest już wystarczająco długi, następuje jego odłączenie od enzymu:

enzym∼CO–C_nH_2n+1 + H₂O → enzym + C_nH_2n+1–COOH

 

Porównajmy teraz krótko syntezę i rozkład kwasów tłuszczowych z energetycznego punktu widzenia. NADH₂ oraz NADPH₂ są sobie energetycznie prawie równoważne. W mitochondriach istnieje enzym, który przenosi wodór pomiędzy tymi związkami bez żadnego nakładu energii. Oba odpowiadają więc w przybliżeniu energii zawartej w 3 cząsteczkach ATP.

W trakcie cięcia kwasu tłuszczowego na acetylo-CoA powstaje 1 NADH₂ oraz 1 FADH₂ co odpowiada 5 cząsteczkom ATP. Do wbudowania acetylo-CoA w trakcie syntezy potrzebne są natomiast 2 cząsteczki NADPH₂, co odpowiada 6 cząsteczkom ATP. Ponieważ cięć lub wbudowań jest z reguły 7 (kwas palmitynowy ma 16 węgli), różnica między syntezą a rozkładem cząsteczki kwasu tłuszczowego to tylko 7 cząsteczek ATP.

Ze spalenia palmitynianu uzyskuje się 129 cząsteczek ATP, natomiast do jego syntezy potrzeba równoważność 136 cząsteczek ATP. Różnica jest więc bardzo niewielka. Nic dziwnego, wszak zamiana cukru na tłuszcz, to jedna z form magazynowania zapasów energii. Te zwierzęta, które lepiej potrafiły tego dokonać, miały większą szansę przeżycia okresu głodu. Proces syntezy kwasów tłuszczowych został więc przez ewolucję zoptymalizowany do maksimum.

Przyjrzyjmy się jeszcze temu porównaniu inaczej. Ile energii uzyskamy spalając cukier bezpośrednio, a ile, jeśli najpierw zamienimy go na palmitynian, a następnie dopiero spalimy?

W szlaku glukoza → palmitynian → spalanie otrzymujemy następujące ilości ATP:

C₆H₁₂O₆ → C₁₅H₃₁COOH + 56 ATP (bezpośrednio z glikolizy)

C₁₅H₃₁COOH → 16H₂0 + 16CO₂ + 129 ATP

Razem 185 ATP.

Natomiast bezpośrednie spalenie tej samej ilości cukru, bez pośredniej zamiany na palmitynian daje 195 cząsteczek ATP. Różnica 10 cząsteczek jest tak niewielka, że można to potraktować jako majstersztyk ewolucji. Zamiana węglowodanów na tłuszcz pozwala zmagazynować 95% zawartej w węglowodanach energii.

 

Dla codziennych potrzeb warto jeszcze zapamiętać następujące zestawienie kaloryczności węglowodanów i tłuszczów:

Z węglowodanów uzyskuje się ok. 4 kcal /g, a z tłuszczów ok. 9kcal/g.