Metabolizm tłuszczowców

 

Trawienie i wchłanianie tłuszczowców

 

Organizm człowieka o masie 75 kg zawiera około 10% tłuszczowców (tj. ok. 7 kg). Tłuszcze zawarte w pożywieniu powinny dostarczać człowiekowi 30% ogółu energii, podczas gdy węglowodany - 60%. Tłuszcze, podobnie jak cukrowce należą do składników pokarmowych energetycznych. Zapotrzebowanie na tłuszcze u osób dorosłych wynosi około 1 g na kg masy ciała, przy czym 50% przyjętych lipidów powinno być pochodzenia zwierzęcego. 1 gram tłuszczu utleniony dostarcza 38,93 KJ energii czyli 9,3 kcal. Tłuszcze mają dwukrotnie większą wartość kaloryczna niż cukry.

Tłuszcze oprócz tego, że dostarczają energię są ważnym składnikiem strukturalnym komórek. Wchodzą w skład błon komórkowych.

Spożyte tłuszcze są hydrolizowane już w żołądku przez lipazę żołądkową. Lipaza rozszczepia wiązania estrowe. Działalność lipazy żołądkowej jest w żołądku mocno ograniczone z powodu odczyny środowiska. Optymalne pH dla lipaz wynosi około 6-7, podczas gdy w żołądku panuje pH 1,5-2 jest więc stanowczo za niskie.

Dalsze etapy trawienia spożytych tłuszczów ma miejsce w jelicie cienkim. Do dwunastnicy trzustka dostarcza lipazę trzustkową. Lipaza trzustkowa rozkłada tłuszcze do monoacylogliceroli i diacylogliceroli (mono- i diglicerydów) oraz do glicerolu i kwasów tłuszczowych. Optymalne pH dla tego enzymu wynosi 8-9.

W trawieniu tłuszczów niezmiernie istotna jest żółć, która wpływa do dwunastnicy z pęcherzyka żółciowego. Pęcherzyk żółciowy jest jedynie magazynem żółci, bowiem sama żółć jest produkowana w hepatocytach wątroby. Żółć jest zasadowym płynem, barwy żółtobrunatnej. Zawiera kwasy żółciowe, cholesterol, śluz, kwasy tłuszczowe, bilirubinę, sód, chlor, wodorowęglany, potas i fosfolipidy. Żółć jest emulgatorem, substancją zmniejszająca napięcie powierzchniowe tłuszczów. Tłuszcze pod wpływem żółci ulegają rozbiciu na drobne kropelki, przez co zwiększa się powierzchnia oddziaływania lipaz na tłuszczowce. Enzym dzięki żółci ma większą dostępność do lipidów. Dzięki składnikom żółci kwasy tłuszczowe zawarte w tłuszczowcach stają się kwasami choleinowymi rozpuszczalnymi w wodzie, co ułatwia ich wchłanianie z jelit do krwi.

Tłuszczowce nie są w całości hydrolizowane do glicerolu (lub innego alkoholu wielowodorotlenowego) oraz kwasów tłuszczowych. Część z nich pod wpływem żółci jest zemulgowana na chylomikrony, które przenikają z jelit do krwi. Chylomikrony są kuleczkami o średnicy 100-1000 nm (nanometr). Są one transportowane z jelit przez osocze krwi i limfy, co przejawia się zmętnieniem osocza (mleczne osocze, osocze lipemiczne). W osoczu zawarty jest enzym - lipaza lipoproteinowa, która hydrolizuje chylomikrony na składniki proste, co przejawia się stopniowym wyklarowaniem osocza. Chylomikrony przepływają żyłą wrotną do wątroby, gdzie następuje rozszczepienie tłuszczów na alkohol i kwasy tłuszczowe.

Warto dodać, że część lipidów wchłanianych, uprzednio rozszczepionych na alkohol i kwasy tłuszczowe - ulega resyntezie w ściankach enterocytów jelit do tłuszczów i jest transportowana w tej postaci w limfie do krwi. Wówczas monoglicerydy wchodzą w reakcję z dwiema cząsteczkami acylo-koenzymu A (acylo-CoA), przez co powstają triglicerydy.

Spożyty cholesterol jest estryfikowany w jelitach przy udziale esterazy cholesterolowej. Podobnie dzieje się ze sterydami.

 

Przemiany tłuszczówców wewnątrzkomórkowe

 

Katabolizm tłuszczowców

 

Beta-oksydacja. W komórkach (mitochondria) kwasy tłuszczowe ulegają aktywacji do tioestrów przy udziale ATP. Dzięki temu stają się związkami reaktywnymi i wysokoenergetycznymi.

Dehydrogenaza przy udziale FAD (FAD FADH₂) powoduje odwodorowanie kwasów tłuszczowych w pozycji alfa, beta. Do nienasyconych kwasów tłuszczowych dołączona zostaje cząsteczka wody dając beta-hydroksykwasy. Te z kolei są utleniane przez odwodorowanie w pozycji beta, przy udziale dehydrogenazy i NAD⁺. Powstały tioester beta-ketokwasu przy udziale drugiej cząsteczki CoA-SH ulega tiolizie (rozpadowi) do acetylo-koenzymu A i acylo-koenzymu A (zawiera dwa węgle mniej niż poprzedni), który poddany jest ponownej beta-oksydacji. Jeden cykl obejmuje dwukrotne odwodorowanie i przenoszenie wodoru na tlen (łańcuch oddechowy) z wytworzeniem 5 cząsteczek ATP (2 cząsteczki z FADH+H, 3 cząsteczki z NADH+H) z odczepieniem acetyloCoA. Proces jest sprzężony z cyklem Krebsa i łańcuchem oddechowym. Glicerol włączony jest do procesu glikolizy. Utlenienie l g tłuszczu dostarcza 9,3 kcal. Acetylokoenzym A jest utleniony do kwasu cytrynowego w cyklu Krebsa po związaniu ze szczwiooctanem.

W razie zaburzeń cyklu Krebsa powstały uprzednio acelo-koenzym A ulega nagromadzeniu w ustroju. Acetylo-koenzym A gromadzi się nadmiernie w komórkach również w wyniku niedoboru cukrowców i zbyt intensywnego utleniania lipidów (głód przy równoczesnym dużym zapotrzebowaniu na energię). Acetylokoenzym A jest wówczas przekształcany w aceto-acetylo-koenzym A. W wyniku odłączenia koenzymu A od aceto-acetylo-koenzymu A (acetoacetylo-CoA) powstaje kwas acetooctowy (acetooctan), który w wyniku dekarboksylacji dostarcza aceton a podczas redukcji - kwas beta-hydroksymasłowy. Wskutek nadmiernego nagromadzenia ciał ketonowych w komórkach i płynach ustrojowych dochodzi do powstania ketonemii. Związki ketonowe są wydalane wraz z moczem (ketonuria) i z potem. Ketonemii towarzyszy zawsze kwasica metaboliczna. Następuje więc zaburzenie gospodarki kwasowo-zasadowej ustroju.

Anabolizm tłuszczowców

Biosynteza kwasów tłuszczowych

Biosynteza kwasów tłuszczowych odbywa się w cytoplazmie komórek tłuszczowych (adipocyty, lipocyty). Do procesu potrzebny jest acetylokoenzym A, który powstaje w wyniku katabolizmu glukozy przy udziale dehydrogenazy pirogronianowej. W biosyntezie kwasów tłuszczowych wyróżnić można kilka etapów:

1. 1.     Aktywacja acetylokoenzmu A przez karboksylazę do malonylo-koenzymu A w obecności ATP i witaminy H, czyli biotyny. Zatem acetylokoenzym A ulega karboksylacji do malonylokoenzymu A (malonylo-CoA).

2. 2.     Synteza kwasów tłuszczowych na kompleksie enzymatycznym - syntetazie kwasów tłuszczowych. W skład syntetazy (kompleksu enzymatycznego) wchodzi ACP (Acyl Carrier Protein). ACP przenosi acyle, czyli produkty pośrednie. ACP zawiera z kolei panteteinę (układ 4'fosforanu panteteiny). Tworzony kwas tłuszczowy jest związany kowalencyjnie z enzymem. Reszta butylowa lub reszta acetylowa jest przeniesiona na ACP. Następnie dochodzi do połączenia reszty malonylowej pochodzącej z malonylo-koenzymu A (malonylo-CoA) z resztą acetylową, powstaje 4-węglowa cząsteczka acetoacetylo-S-ACP. Zatem zachodzi kondensacja reszty acetylowej z resztą malonylową. Wydzielony wówczas jest CO₂ i HS-ACP. CO₂ jest uwolniony w wyniku działania syntazy 3-oksoacylo-ACP. Przemiany te można zaliczyć do etapu startowego i etapu kondensacji.

3. 3.     Etap redukcji odbywa się przy udziale NADPH i reduktazy 3-oksoacylo-ACP. Dochodzi do redukcji grupy -okso. Powstaje reszta beta-hydroksyacylowa, która poddana jest dehydratacji przy udziale dehydratazy 3-hydroksy-ACP. Powstaje reszta alfa, beta-dehydro-acylowa, która zostaje poddana redukcji (chodzi o wiązanie podwójne) przy udziale NADPH i reduktazy enoilo-ACP. Powstaje 4-węglowy rodnik butyrylowy. W następnym obrocie reakcji powstaje kolejna jego cząsteczka, przy czym reszta acylowa z wcześniej wytworzonego rodnika jest przeniesiona na tę następna, wydzielony jest wówczas dwutlenek węgla i powstaje reszta beta-ketoacylowa. Ta znów podlega kondensacji z kolejną. W ten sposób tworzony kwas ulega wydłużaniu do odpowiedniej masy.

4. 4.     Uwalnianie gotowego łańcucha kwasy tłuszczowego odbywa się przy pomocy deacylazy. Odłącza ona kwas od HS-ACP, z którym był połączony, o czym wspomniano na początku.

CH₃CO ~ S-CoA + 7HOOC-CH₂CO~S-CoA + 14 NADPH + 14 H⁺ CH₃(CH₂)₁₄CO~S-CoA + 7 CO₂ + 7 HS-CoA + 14 NADP⁺ + 6H₂O

Powstałe kwasy tłuszczowe są gromadzone w komórkach w postaci estrów glicerolu. Estry powstają w wyniku reakcji z glicerofosforanem = 1-fosfoglicerolem (powstaje w wyniku fosforylacji glicerolu przy udziale ATP i kinazy glicerolowej). Kinaza glicerolowa występuje w wątrobie, ale brak jej w pozostałych organach. Tam gdzie go nie ma glicerofosforan powstaje w wyniku redukcji fosforanu dihydroksyacetonu.

Najpierw zachodzi estryfikacja glicerofosforanu (estryfikacja grup -OH) pod wpływem zaktywowanych kwasów tłuszczowych (acylokoenzym A). Powstają kwasy fosfatydowe - fosforany dwuglicerydowe (diglicerydowe), a koenzym A jest uwolniony. Kolejna przemiana polega na ich defosforylacji przy udziale fosfatazy. Diglicerydy wchodzą w reakcję z cząsteczką acylo-CoA przez co powstają trójglicerydy (tłuszcze).

Reasumując: biosynteza triglicerydów (tłuszczów) zachodzi w cytoplazmie i wymaga obecności 1-fosfoglicerolu. Przyłączenie dwóch acyli do grup wodorotlenowych -OH daje kwas fosfatydowy, który ulega defosforylacji (reszta fosforanowa jest odłączona) pod wpływem fosfatazy. Powstaje alfa, beta=digliceryd, do którego przyłączony zostaje trzeci acyl z acylo-CoA. W wyniku reakcji powstaje trigliceryd.

Synteza lecytyny przebiega podobnie jak synteza triglicerydów. Powstały alfa, beta-digliceryd wchodzi w reakcję z aktywną choliną, czyli fosfocholiną (cytydynodwufosfocholina). Wwyniku reakcji powstaje lecytyna i CMP (cytydynomonofosforan). Możliwa jest także inna biosynteza lecytyny:

1. 1.      Aktywacja kwasu fosfatydowego cząsteczką CTP (cytydynotrójfosforan), w wyniku czego powstaje CDP-alfa,beta-digliceryd oraz pirofosforan.

2. 2.      Reakcja CDP-alfa,beta-diglicerydu z wolną choliną powstanie lecytyny.

Biosynteza cholesterolu

Cholesterol. Występuje we wszystkich komórkach w stanie wolnym lub związanym. Prawidłowe stężenie cholesterolu w surowicy waha się od 3,9 do 7,2 mmol/1 (150-280 mg%). W przeciętnej diecie znajduje się około 1,5-2 g cholesterolu. W czasie wchłaniania cholesterolu z pokarmu następuje estryfikacja przy udziale transferazy lecytyna-cholesterol. Średnio w organizmie człowieka znajduje się około 60 g cholesterolu; 2/3 z tego przypada na mięśnie szkieletowe, tkankę tłuszczową i skórę. Pozostała część wchodzi w skład lipoprotein krwi oraz w skład biomembran komórek pozostałych tkanek. Około 2 g cholesterolu dziennie jest spożytkowane do syntezy kwasów żółciowych. Wraz z kałem tracone jest około 1 g cholesterolu.

Biosynteza cholesterolu zachodzi przede wszystkim w wątrobie. Do syntezy jednej cząsteczki potrzebnych jest 18 cząsteczek acetylo-koenzymu A. W trakcie przemian powstaje 6 cząsteczek aktywnego izoprenu, które budują skwalen. Skwalen jest prekursorem cholesterolu i należy do nienasyconych węglowodorów łańcuchowych zawierających sześć reszt izoprenowych. Izopren jest związkiem 5-węglowym.

Biosynteza cholesterolu rozpoczyna się od kondensacji dwóch cząsteczek acetylokoenzymu A dając aceto-acetylokenzym A. Ten z kolei przechodzi w beta-hydroksy-beta-metyloglutarylo-koenzym A. Związek ten jest redukowany przez NADPH do mewalonianu. Kwas mewalonowy zużywając ATP (2 cz.) przechodzi w pirofosforan kwasu mewalonowego. Przy użyciu ATP (1) dochodzi do powstania pirofosforanu izopentenylu, czyli czynnego izoprenu (5-węglowy związek). Kolejnym stadium jest wytworzenie 15-weglowego związku - pirofosforanu farnezylu. Dwie cząsteczki tego związku dają 30-węglowy skwalen. Skwalen ulega cyklizacji do lanosterolu, a ten wreszcie do cholesterolu.

Przemiany witamin rozpuszczalnych w tłuszczach

 

Witamina A

Mianem prowitaminy A określa się wszystkie karotenoidy. Karotenoidy syntetyzowane są wyłącznie w roślinach. W ścianie jelita cienkiego oraz w komórkach wątroby spożyty przez nas karoten jest przekształcany w witaminę A. Niemowlęta nie mają zdolności przekształcania karotenu w witaminę A z powodu braku odpowiednich enzymów. U człowieka dorosłego jedynie 50% spożytego karotenu ulega wchłonięciu i przyswojeniu. 1 mg retinolu, czyli witaminy A stanowi 1 ekwiwalent retinolu i 6 ug (mikrogram) beta-karotenu. Enzym karotenaza rozdziela 1 cząsteczkę karotenu na dwie cząsteczki witaminy A.

Tłuszcze roślinne i smalec nie zawierają witaminy A.

Witamina A (akseroftol, axerophtol, retinol) szybko ulega wchłonięciu z jelit do krwi. Witamina A zawarta w pokarmach jest mieszaniną retinolu, estrów retinolu i kwasów tłuszczowych. W związku z tym podlega działaniu trawiennemu lipazy trzustkowej. Wchłonięta witamina A jest gromadzona w układzie siateczkowo-śródbłonkowym wątroby (w komórkach Kupffera-Browicza) - w 90%, jako ester z kwasem palmitynowym. Uwalniana jest do krwi, gdzie jest transportowana w formie związanej z białkiem alfa-1-globuliną. Po katabolizmie jest wiązana z kwasem glukuronowym. Katabolizm witaminy A polega na utlenieniu jej do retinalu i kwasu retinoyowego. Te z kolei mogą być wydalane z ustroju wraz z moczem i kałem (przez układ żółciowy). Prawidłowe stężenie retinolu w osoczu wynosi 30-60 ug/100 ml. Hipowitaminoza A objawia się spadkiem stężenia retinolu poniżej 15 ug/100 ml.

Witamina A w formie trans-aldehydu retinalu wchodzi w skład światłoczułej rodopsyny, czyli czerwieni wzrokowej. Pod wpływem światła rodopsyna pręcików ulega rozkładowi do trans-retinalu oraz białka opsyny. Metabolity pośrednie tej przemiany: prelumirodopsyna i lumirodopsyna indukują impulsy nerwowe biegnące przez nerw wzrokowy.

 

Witamina D

 

Witamina D to grupa związków chemicznych sterydowych mająca zdolność zapobiegania krzywicy. Zalicza się tutaj ergosterol (prowitamina D2) - syntetyzują rośliny i grzyby, 7-dehydrocholesterol (prowitamina D3) - zawarty w tranie. Witamina D1 to mieszanina wielu związków o działaniu przeciwkrzywiczym.

Witamina D2 to kalcyferol i ergokalcyferol.

Witamina D3 to cholekalcyferol.

Witamina D łatwo przenika z jelit do krwi. Nie jest hydrolizowana przez lipazy. Jest transportowana z jelit do układu krążenia przez układ limfatyczny formie chylomikronów. Ponadto łączy się z lipoproteinami krwi i jest transportowana do wątroby oraz skóry. Ze skóry do wątroby witamina D jest transportowana przez białko DBP. Prowitaminy D zanim ulegną hydroksylacji są gromadzone w tkance podskórnej i w mięśniach.

Wspomniane prowitaminy w organizmie są metabolizowane do witaminy D. Pierwszy etap przemian zachodzi w skórze pod wpływem promieniowania ultrafioletowego o dł. 230-315 nm. Promienie powodują pęknięcie wiązania między 9 a 10 atomem węgla w układzie steroidowym. W drugim etapie przemian w wątrobie dochodzi do hydroksylacji witaminy D3 do 25-hydroksycholekalcyferolu. Potem w nerkach dochodzi do kolejnej hydroksylacji przy węglu 1, przez co powstaje 1,25-dihydroksycholekalcyferol (1,25(OH)₂-D₃). Jest to aktywna postać witaminy o charakterze hormonu. Aktywna witamina D pobudza syntezę białek transportujących i wychwytujących wapń w obrębie jelita cienkiego, kanalików nerkowych i tkanki kostnej. Następuje więc zwiększona resorpcja wapnia z jelit do krwi, zwrotna resorpcja wapnia w nerkach oraz wbudowywanie wapnia w tkankę kostną. Dotyczy to również fosforu. Zatem aktywna witamina D reguluje gospodarkę wapniowo-fosforową ustroju.

Prawidłowe stężenie 1,25(OH)₂D₃ waha się w granicach 30-75 pg/ml.

Mellanby Edward /1884-1955/

w 1920 r. wykazał właściwości przeciwkrzywicze tranu, który zawiera witaminę D i A

 

Witamina E

 

Witamina E (tokoferol, alfa-tocopherol) występuje głównie w olejach roślinnych. U zwierząt i ludzi istnieje alfa- tokoferol. Znane są również beta-, gamma- i delta- tokoferole. Wywierają wpływ antyoksydacyjny, są wymiataczami wolnych rodników, stabilizują strukturę lipo-proteinową błon komórkowych i śródbłonków, ochrania osłonki nerwowe, działa przeciwzakrzepowo. Łatwo przechodzi z jelit do krwi i limfy. Rozprowadzana jest w ustroju głownie przez limfę. Transportowana i przechowywana jest w połączeniu z beta-lipoproteinami.

Metabolity katabolizmu tokoferoli są wydalane z żółcią, ponadto w formie kwasu tokoferonowego po sprzężeniu z kwasem glukuronowym (z moczem).

 

Witamina F

Do witaminy F (vitaminum F-99) należą niezbędne wielonienasycone kwasy tłuszczowe: linolowy, linolenowy, arachidonowy. Spożywana jest w formie olejów roślinnych. Oleje są wiec najpierw hydrolizowane, a przez to uwalniają nienasycone kwasy tłuszczowe. Działają przeciwmiażdżycowo, stabilizująco na błony komórkowe i śródbłonki. Normalizują stężenie lipoprotein (zmniejszają stężenie LDL, zwiększają HDL). Zwiększają przenikanie cholesterolu z komórek do krwi, aktywują enzymy lipolityczne, działają antyagregacyjnie i przez to przeciwzawałowo. Witamina F pobudza tworzenie żółci kosztem obniżki stężenia cholesterolu w tkankach.

Metabolity witamin F są wydalane przez układ żółciowy. Witamina jest gromadzona w wątrobie oraz w tkance tłuszczowej.

 

Witamina K

Witamina K czyli fitochinon to również grupa związków chemicznych pochodnych 1,4-naftochinonu. Witamina K1 jest to fitochinon, syntetyzowana przez rośliny. Pod względem chemicznym jest to 2-metylo-3-fitylo-1,4-naftochinon. Witamina K2 to menachinon syntetyzowany przez bakterie. Witamina K3 jest tak naprawdę prowitaminą - menadion. Menadiol jest określany jako witamina K4.

Bakterie jelitowe dostarczają znaczne ilości witaminy K dla naszego organizmu. Resztę dobowego zapotrzebowania (wynosi ono 2 ug/kg masy ciała/24 h) pokrywa dieta roślinna. Wchłaniane są z jelit tylko w obecności żółci (kwasów żółciowych). Prowitamina K ma zdolność przenikania z jelit do krwi bez udziału żółci, bowiem jest rozpuszczalna w wodzie (menadion). Katabolizm menadionu polega na jego redukcji do diolu (hydrochinonu). Ten metabolit jest wydalany z moczem po związaniu z kwasem siarkowym lub glukuronowym.

W razie braku witaminy K powstają w wątrobie nieaktywne białka czynników krzepnięcia krwi II, VII, IX i X, pozbawione zdolności wiązania jonów wapnia. Brakuje bowiem grup dikarboksylowych w tych czynnikach. Witamina K zapewnia karboksylację kwasu glutaminowego do kwasu gamma-karboksyglutaminowego. Kwas ten umożliwia wiązanie wapnia przez czynniki krzepnięcia krwi.

Witamina K katalizuje więc syntezę protrombiny (czynnik krzepnięcia II), prokonvertyny (czynnik VII), czynnika Christmasa (czynnik IX) i czynnika Stuarta (czynnik X) w wątrobie.

Zapasy witaminy K wystarczają na około 8 dni.

---