Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL)/60. Otázka

60. Otázka
Triacylglyceroly, biosyntéza, degradace.
Otázky z biochemie (1. LF UK, VL)
⏪️   ⏩️


Triacylglyceroly

[ upravit vložený článek ]


Adipocyt

Lipidy jsou důležité přírodní látky, mezi které patří především tuky, oleje, vosky, některé vitamíny a hormony. Chemicky jsou to převážně estery (nejčastěji triacylglyceroly) vyšších mastných kyselin a alkoholů. Skupina látek zařazovaných mezi lipidy není úplně přesně ohraničená. Obecně přijímanou společnou charakteristikou těchto látek je hydrofobní charakter, který je podmíněný obsahem delšího nepolárního uhlovodíkového řetězce, tzn. nerozpouští se ve vodě, ale v nepolárních rozpouštědlech.

Biologický význam lipidů

Lipidy jsou pro živé organismy nepostradatelné. Tvoří složku buněčných membrán, kde jsou ve formě fosfolipidové dvojvrstvy. Fungují jako rozpouštědlo pro lipofilní vitamíny A, D, E a K, které díky nim může organismus využívat. Lipidy jsou v lidském těle ukládány ve formě adipocytů, tedy slouží jako nejhodnotnější zdroj energie. Současně mechanicky a hlavně teplotně chrání vnitřní orgány, tzn. fungují jako tělesná izolační vrstva. Dalším přínosem lipidů je jejich využití jako části transportních lipoproteinů. Také nezbytné myelinové pochvy neuronů jsou složeny hlavně z fosfolipidů.

Dělení lipidů
Jednoduché lipidy acylglyceroly Alkohol tvoří glycerol:
  • nasycené (tuky) – pevné, živočišného původu;
  • nenasycené (oleje) – kapalné, rostlinného původu; hydrogenací, takzvaným ztužováním se nasytí násobné vazby kyseliny (které jsou jinak náchylné k oxidaci, tedy žluknutí) a vzniká ztužený tuk.
vosky Alkoholem není glycerol, ale například cetylalkohol, myricylalkohol – příkladem může být včelí vosk, nebo ovčí lanolin, často také pokrývají plody rostlin.
Složené lipidy sfingolipidy Ceramidy, fosfosfingolipidy a glykosfingolipidy (cerebrosidy a gangliosidy).
glykolipidy Galaktolipidy, sulfolipidy a glykosfingolipidy.
lipoproteiny Chylomikrony, HDL, VLDL, LDL.
fosfolipidy Tvoří dvojvrstvu buněčné membrány.
Odvozené lipidy steroidy, karotenoidy, lipofilní vitaminy a prostaglandiny. Jsou to látky lipidické povahy, které ale nemohou být svojí strukturou zařazeny mezi lipidy.

Příjem tuků v potravě

Tuky by měly tvořit maximálně 25–30 % denní dávky živin pro dospělé. Celkový příjem energie a tuků závisí na pohlaví, věku, hmotnosti a fyzické zátěži jedince. [1]

Při denním energetickém příjmu 8500kJ by množství přijatých tuků odpovídalo 70g.

Reakce lipidů

Esterifikace
  • Kyselá hydrolýza
  • Zásaditá hydrolýza – výroba mýdla (saponifikace)
  • Katalytická hydrogenace
  • Neutralizace
  • Esterifikace
  • Reakce s dvojnou vazbou
    • Hydogenace - ztužování tuků
    • Halogenace
    • Oxidační modifikace
  • Žluknutí
  • Vysychání olejů – některé rostlinné oleje (makový, lněný,...) na vzduchu polymerují a získávají povahu suchého, nepropustného filmu. Tyto oleje se používají jako takzvané fermeže – nátěrové hmoty proti korozi.

Metabolismus lipidů

Příklady běžných lipidů

Biosyntéza

Tělo umí vytvářet mastné kyseliny s maximálně jednou dvojnou vazbou. Další potřebné nenasycené mastné kyseliny musí přijímat v potravě. Lipidy jsou syntetizovány v cytoplazmě. Mastné kyseliny vzniknou reakcí Acetyl-CoA a jednoduché karboxylové kyseliny, za spotřeby většího množství energie. Vzniklé mastné kyseliny jsou následně esterifikovány glycerolem.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Tvorba mastných kyselin a triacylglycerolů.

Odbourávání

Lipidy jsou kaloricky nejhodnotnější látky, 1 g obsahuje až 40 kJ. Mechanismus degradace lipidů se označuje jako β-oxidace. Celkový princip spočívá ve zkracování dlouhého řetězce mastné kyseliny o dva uhlíky, který skončí zbytky acetátu a Acetyl-CoA, poté vstupuje do citrátového cyklu. Celý děj β-oxidace probíhá v matrix mitochondrií.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Βeta-oxidace.

Tvorba mastných kyselin a triacylglycerolů

[ upravit vložený článek ]
Syntéza kyseliny palmitové

Tvorbu mastných kyselin a triacylglycerolů vnímáme jako energeticky vysoce náročný proces lokalizovaný převážně v buňkách jater, tukové tkáně, CNS či laktující mléčné žlázy. Probíhá především v postprandiálním období.

Proces tvorby mastných kyselin je v mnoha ohledech obrácenou β-oxidací – namísto oxidace probíhá redukce, podobně hydratace je nahrazena dehydratací. Nejde však o přesné obrácení dějů, oba procesy se v mnoha významných ohledech odlišují. Tyto odlišnosti si ukážeme dříve, než si popíšeme jednotlivé reakce.

Rozdíly mezi odbouráváním a syntézou mastných kyselin
  • Syntéza MK probíhá v cytoplazmě, odbourávání v matrix mitochondrie.
  • Meziprodukty syntézy MK jsou vázány na tzv. acyl carrier protein (ACP, protein přenášející acyly), meziprodukty degradace na molekulu koenzymu A.
  • Enzymy syntézy MK jsou spojeny do multienzymového komplexu zvaného syntáza MK, enzymy degradace jsou uloženy volně v matrix.
  • Řetězec mastné kyseliny se prodlužuje vždy o dva uhlíkové atomy – výchozím substrátem je AcCoA (aktivovaným donorem je malonyl~CoA).
  • Redukčním činidlem syntézy je NADPH, oxidačními činidly degradace jsou FAD a NAD+.
  • Prodlužování řetězce na syntáze MK končí tvorbou palmitátu (C16), další prodlužování řetězce a tvorba nenasycených kyselin probíhá účinkem jiných enzymů v ER a v mitochondriích.

Nyní se podíváme na jednotlivé reakce syntézy mastných kyselin.

Tvorba malonyl~CoA

1. Vstupní látkou pro syntézu mastných kyselin je AcCoA.
V prvním kroku dochází za spotřeby ATP k jeho karboxylaci na malonyl-CoA:
AcCoA + ATP + HCO3– → malonyl~CoA + ADP + Pi + H+
Tuto reakci katalyzuje regulační enzym AcCoA-karboxyláza, jejímž kofaktorem je biotin – vitamin H čili B7 (obecně jde o kofaktor karboxyláz).
Tvorba malonyl~CoA se odehrává ve dvou stupních. Nejdříve probíhá ATP-dependentní karboxylace biotinu:
Biotin-enzym + ATP + HCO3– → CO2-biotin-enzym + ADP + Pi
2. Následně dojde k přenosu karboxylu na acetyl-CoA
CO2-biotin-enzym + AcCoA → malonyl-CoA + biotin-enzym
Biotin je s enzymem spojen amidovou vazbou mezi karboxylem biotinu a ε-aminoskupinou lysinu. CO2 se z molekuly opět odstraní při kondenzaci s rostoucím řetězcem mastné kyseliny.

Syntáza mastných kyselin

Syntáza mastných kyselin u savců má strukturu homodimeru složeného ze dvou identických podjednotek (260 kDa). Každá podjednotka sestává ze tří domén spojených pohyblivými regiony:

  1. Doména 1 – vstup substrátu a kondenzační jednotka – obě transferázy (acetyltransferáza a malonyltransferáza) a β-ketoacylsyntáza (kondenzační enzym – CE).
  2. Doména 2 – redukční jednotka – obsahuje ACP, β-ketoacylreduktázu, dehydratázu a enoylreduktázu.
  3. Doména 3 – thioesteráza odštěpující palmitát.

Místa vazby meziproduktů na syntázu MK představují:

  • Thiolová skupina cysteinu CE
  • Thiolová skupina fosfopanteteinu, který se váže na serin v ACP. Fosfopanteteinové raménko nalezneme i v molekule koenzymu A. Toto flexibilní raménko umožňuje přesun meziproduktů mezi jednotlivými katalytickými místy syntázy

Jednotlivé kroky syntézy mastných kyselin

1. Syntéza malonyl-CoA
  • katalyzována acetyl-CoA karboxylázou – neprobíhá na syntáze MK
2. Navázání AcCoA na CE
  • acetyltransacyláza
3. Navázání malonyl-CoA na ACP
  • malonyltransacyláza
4. Kondenzační reakce
  • kondenzační enzym
5. Syntáza MK funguje jako dimer.
V tomto kroku dochází ke kondenzaci mezi malonylem zavěšeným na ACP jedné podjednotky a acetylem na kondenzačním enzymu druhé podjednotky. Nový acyl zůstává navázán na ACP:
Acetyl-CE + malonyl-ACP → acetoacetyl-ACP + CE + CO2
6. První redukce
  • β-ketoacylreduktáza
Acetoacetyl-ACP + NADPH + H+ → D-3-hydroxybutyryl-ACP + NADP+
7. Dehydratace
  • 3-hydroxyacyldehydratáza
D-3-Hydroxybutyryl-ACP → krotonyl-ACP + H2O
8. Druhá redukce
  • enoylreduktáza
Krotonyl-ACP + NADPH + H+ → butyryl-ACP + NADP+
9. Přenos řetězce z ACP na SH skupinu kondenzačního enzymu stejné podjednotky
10. Nový malonyl se váže na ACP druhé podjednotky.
Následně dojde ke kondenzaci na protilehlou podjednotku dimeru, než bylo při první kondenzaci. Podjednotky se tedy při syntéze pravidelně střídají.

Další postup syntézy MK

Postupně dochází k prodlužování řetězce nové syntetizované mastné kyseliny. Při délce C16 nastává ukončení – koncovým produktem syntázy MK je tedy palmitát. Thioesteráza ho odštěpí z vazby na ACP (hydrolýza thioesterové vazby na fosfopanteteinu).

Tvorba palmitátu souhrnně vyžaduje 8 molekul AcCoA, 14 molekul NADPH a 7 molekul ATP:

8 AcCoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H+ → palmitát + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O + 7 ADP + 7 Pi

AcCoA vzniká v matrix mitochondrie, syntéza MK probíhá v cytoplazmě. Vnitřní mitochondriální membrána ale je pro AcCoA nepropustná, do cytoplazmy se proto transportuje ve formě citrátu (viz dále). 8 molekul NADPH se získá transportem citrátu do cytoplazmy, zbylých 6 v pentózovém cyklu.

Citrát jako nositel acetylů z matrix mitochondrie do cytosolu

Pokud je v matrix mitochondrie dostatek AcCoA, reaguje s OAA za vzniku citrátu (katalyzuje citrátsyntáza).

Ten se transportuje do cytoplazmy, kde je štěpen pomocí ATP-citrátlyázy (spotřeba ATP):
Citrát + ATP + HSCoA + H2O → AcCoA + ADP + Pi + OAA

Do cytosolu tak spolu vstoupí AcCoA i OAA. AcCoA se využije v cytoplazmě, kdežto OAA se musí zpětně navrátit do matrix. Jaký je jeho osud?

Vnitřní membrána mitochondrie pro něj znamená nepropustnou hráz. OAA je proto redukován za účasti NADH na malát cytosolovou malátdehydrogenázou:

OAA + NADH + H+ → malát + NAD+

Malát je následně oxidačně dekarboxylován NADP+-malátovým enzymem (tzv. jablečný enzym) na pyruvát:

Malát + NADP+ → Pyr + CO2 + NADPH

Pyruvát může vstoupit do mitochondrie, kde je karboxylován pyruvátkarboxylázou:

Pyruvát + CO2 + ATP + H2O → OAA + ADP + Pi + 2 H+

Sumární rovnice transportu:

NADP+ + NADH + ATP + H2O → NADPH + NAD+ + ADP + Pi + H+

Regulace tvorby MK

Syntéza mastných kyselin probíhá za situace, kdy tělo disponuje dostatkem substrátů i dostatkem energie. Klíčovou regulační roli hraje AcCoA-karboxyláza:

  • Inzulin stimuluje syntézu MK aktivací karboxylázy.
  • Citrát ji aktivuje – značí dostatek stavebních jednotek a energie.
  • Glukagon a adrenalin mají opačný účinek – inhibují karboxylázu (skrze její fosforylaci).
  • Palmitoyl-CoA ji inhibuje – je produktem syntézy MK, a pokud není odváděn, není potřeba tvořit další – feedback inhibice.
  • AMP ji inhibuje.


 Tip: Inzulin stimuluje syntézu MK aktivací karboxylázy

Syntéza mastných kyselin probíhá za situace, kdy tělo disponuje dostatkem substrátů i dostatkem energie.

Tip: Inzulin stimuluje syntézu MK aktivací karboxylázy

Inzulin dává signál, aby se tělo za každou cenu zbavilo glukózy. Když nestačí glykolýza ani tvorba glykogenu, je přebytek glukózy přeměněn na pyruvát, jejž pyruvátdehydrogenázovou reakcí nevratně změníme na AcCoA. Z toho se tvoří mastné kyseliny. Inzulin posiluje i aktivitu pyruvátdehydrogenázového komplexu.

Elongace a desaturace mastných kyselin

Syntáza MK dovede nasyntetizovat jen palmitát. Ostatní MK se syntetizují prostřednictvím jiných enzymů. Prodlužování řetězce (elongace) a tvorba nenasycených MK (desaturace) probíhá na straně membrány ER přivrácené do cytosolu a v mitochondriích.

Popis přesného průběhu elongace přesahuje rozsahové možnosti tohoto textu. Omezíme se jen na konstatování, že je katalyzován elongázami.

Desaturázy zavádějí dvojné vazby do řetězce MK (v konfiguraci cis). Savci postrádají enzymy katalyzující vstup dvojné vazby za C9 mastné kyseliny. Nové dvojné vazby jsou vždy zaváděny mezi již existující dvojnou vazbou a karboxylovou skupinou. Savci tedy nemohou syntetizovat kyselinu linolovou (18:2 cis Δ9, Δ12, patří mezi ω-6 MK) ani α-linolenovou (18:3 cis Δ9, Δ12, Δ15, patří mezi ω-3 MK) – obě jsou esenciální. Naopak dovedeme syntetizovat kyselinu arachidonovou (20:4 cis Δ5, Δ8, Δ11 a Δ14, ω-6 kyselina – vzniká desaturací a elongací kyseliny linolové), kyselinu eikosapentaenovou (20:5 cis Δ5, Δ8, Δ11, Δ14a Δ17, ω-3 – vzniká z kyseliny linolenové) či kyselinu dokosahexaenovou (22:6 cis Δ4, Δ7, Δ10, Δ13, Δ16a Δ19, ω-3 – vzniká opět z kyseliny linolenové).

Jako příklad si můžeme uvést tvorbu oleoyl-CoA (cis Δ9) ze stearoyl-CoA:

Stearoyl-CoA + NADH + H+ + O2 → oleoyl-CoA + NAD+ + 2 H2O

Popis přesného průběhu opět přesahuje rámec tohoto textu.

Syntéza triacylglycerolů

Aby mohly nově nasyntetizované mastné kyseliny plnit úlohu energetických zásob, musí být nejdříve převedeny na triacylglyceroly. Podobně jako v případě mastných kyselin se většina TAG tvoří v buňkách jater a v adipocytech. K jejich syntéze potřebuje jednak aktivovaný glycerol – glycerol-3-P, jednak aktivované mastné kyseliny. Tvorba se uskutečňuje na endoplazmatickém retikulu.

Glycerol-3-P vzniká převážně redukcí dihydroxyacetonfosfátu, reakci katalyzuje glyceraldehyd-3-P-dehydrogenáza. Druhým zdrojem může být glycerol uvolněný lipolýzou. Ten je aktivován fosforylací katalyzovanou glycerolkinázou. Glycerol-3-P se následně postupně spojí se dvěma molekulami acyl-CoA (katalyzují acyltransferázy), tvoří se kyselina fosfatidová. Z ní se odštěpí fosfátová skupina za vzniku 1,2-diacylglycerolu, který se esterifikuje pomocí poslední molekuly acyl-CoA – vzniká triacylglycerol. TAG vytvořené v játrech se transportují do tukové tkáně zabalené v lipoproteinových částicích VLDL.

Reference

  1. ↑ VÍTEK, Libor. Jste zde Kolik tuků by měla obsahovat naše strava? [online]. ©2013. [cit. 2017-12-05]. <https://www.sportvitalpro.cz/zdravi/kolik-tuku-by-mela-obsahovat-nase-strava>.