Введение

Набор биологических процессов. Метаболизм жирных кислот включает в себя различные метаболические процессы, связанные с жирными кислотами или тесно с ними связанные. Жирные кислоты представляют собой семейство молекул, классифицируемых как липидные макронутриенты. Эти процессы можно разделить на (1) катаболические процессы, генерирующие энергию, и (2) анаболические процессы, в которых они служат строительными блоками для других соединений. В ходе катаболизма жирные кислоты метаболизируются с образованием энергии, главным образом в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По сравнению с другими классами макронутриентов (углеводами и белками), жирные кислоты дают наибольшее количество АТФ на единицу массы при полном окислении до CO2 и воды посредством бета-окисления и цикла Кребса. Поэтому жирные кислоты (в основном в виде триглицеридов) являются основным запасом энергии у большинства животных и, в меньшей степени, у растений. В ходе анаболизма жирные кислоты служат важными предшественниками для триглицеридов, фосфолипидов, вторичных посредников, гормонов и кетоновых тел. Например, фосфолипиды формируют фосфолипидные бислои, из которых состоят все клеточные мембраны. Фосфолипиды составляют плазматическую мембрану и другие мембраны, окружающие все органеллы внутри клеток, такие как ядро, митохондрии, эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи. В другом типе анаболизма жирные кислоты модифицируются для образования других соединений, таких как вторичные посредники и местные гормоны. Простагландины, синтезируемые из арахидоновой кислоты, хранящейся в клеточной мембране, являются, пожалуй, наиболее известными из этих местных гормонов.

Эикозаноидные паракриновые гормоны

Одним из продуктов метаболизма жирных кислот являются простагландины – соединения, обладающие разнообразными гормоноподобными эффектами у животных. Простагландины обнаружены практически во всех тканях человека и других животных. Они ферментативно образуются из арахидоновой кислоты, 20-углеродной полиненасыщенной жирной кислоты. Следовательно, каждый простагландин содержит 20 атомов углерода, включая 5-углеродное кольцо. Они являются подклассом эйкозаноидов и формируют класс простаноидов – производных жирных кислот. Простагландины синтезируются в клеточной мембране путем отщепления арахидоновой кислоты от фосфолипидов, составляющих мембрану. Этот процесс катализируется либо фосфолипазой A, действующей непосредственно на мембранный фосфолипид, либо липазой, действующей на DAG (диацилглицерол). Затем арахидоновая кислота подвергается воздействию компонента циклооксигеназы простагландинового синтетазы. Это приводит к образованию циклопентанового кольца примерно в середине цепи жирной кислоты. В ходе реакции также добавляются 4 атома кислорода, полученные из двух молекул O₂. В результате образуется простагландин G, который под действием гидропероксидазного компонента ферментного комплекса превращается в простагландин H. Это высоконестабильное соединение быстро преобразуется в другие простагландины, простациклин и тромбоксаны. В то же время, тромбоксаны (производимые тромбоцитами) являются вазоконстрикторами и способствуют агрегации тромбоцитов. Их название происходит от их роли в образовании кровяных сгустков (тромбоза).

Диетические источники жирных кислот, их пищеварение, усвоение, транспортировка в крови и хранение

Значительная часть жирных кислот в организме поступает с пищей в виде триглицеридов животного или растительного происхождения. Жирные кислоты в жирах, полученных от наземных животных, как правило, насыщенные, в то время как жирные кислоты в триглицеридах рыбы и растений часто полиненасыщенные и, следовательно, представлены в виде масел. Эти триглицериды не могут всасываться кишечником. Они расщепляются на моно- и диглицериды плюс свободные жирные кислоты (но не свободный глицерин) под действием панкреатической липазы, которая образует комплекс 1:1 с белком, называемым колипазой (также компонент панкреатического сока), необходимым для ее активности. Активированный комплекс может функционировать только на границе раздела вода-жир. Поэтому для оптимальной активности этих ферментов необходимо предварительное эмульгирование жиров желчными солями. Продукты пищеварения, состоящие из смеси три-, ди- и моноглицеридов и свободных жирных кислот, вместе с другими жирорастворимыми компонентами пищи (например, жирорастворимыми витаминами и холестерином) и желчными солями образуют смешанные мицеллы в водном содержимом двенадцатиперстной кишки (см. схемы справа). Содержимое этих мицелл (но не желчные соли) поступает в энтероциты (эпителиальные клетки, выстилающие тонкую кишку), где они повторно синтезируются в триглицериды и упаковываются в хиломикроны, которые высвобождаются в лимфатические сосуды (капилляры лимфатической системы кишечника). Эти лимфатические сосуды дренируются в грудной проток, который впадает в венозную кровь в месте слияния левой яремной и левой подключичной вен в нижней части левой стороны шеи. Это означает, что жирорастворимые продукты пищеварения поступают непосредственно в общий кровоток, минуя печень, в отличие от всех остальных продуктов пищеварения. Причина этой особенности неизвестна. Хиломикроны циркулируют по всему организму, придавая плазме крови молочный или кремовый вид после употребления жирной пищи. Липопротеиновая липаза на эндотелиальных поверхностях капилляров, особенно в жировой ткани, но в меньшей степени и в других тканях, частично расщепляет хиломикроны на свободные жирные кислоты, глицерин и остатки хиломикронов. Жирные кислоты поглощаются адипоцитами, а глицерин и остатки хиломикронов остаются в плазме крови и в конечном итоге удаляются из кровообращения печенью. Свободные жирные кислоты, высвобождаемые при расщеплении хиломикронов, поглощаются адипоцитами, где они повторно синтезируются в триглицериды с использованием глицерина, полученного из глюкозы в гликолитическом пути. Эти триглицериды хранятся в жировой капле адипоцита до момента, когда они понадобятся для обеспечения энергетических потребностей других тканей. Печень поглощает часть глюкозы из крови, поступающей из кишечника по воротной вене. После того, как печень восполнит запасы гликогена (которые составляют всего около 100 г гликогена в полном объеме), большая часть оставшейся глюкозы превращается в жирные кислоты, как описано ниже. Эти жирные кислоты соединяются с глицерином, образуя триглицериды, которые упаковываются в капли, очень похожие на хиломикроны, но известные как липопротеины очень низкой плотности (ЛПНП). Эти капли ЛПНП обрабатываются точно так же, как и хиломикроны, за исключением того, что остаток ЛПНП известен как липопротеин промежуточной плотности (ЛППП), который способен удалять холестерин из крови. Это превращает ЛППП в липопротеины низкой плотности (ЛПНП), которые поглощаются клетками, которым необходим холестерин для включения в их клеточные мембраны или для синтетических целей (например, для образования стероидных гормонов). Остаток ЛПНП удаляется печенью. Жировая ткань и молочные железы также поглощают глюкозу из крови для превращения в триглицериды. Это происходит так же, как и в печени, за исключением того, что эти ткани не высвобождают образовавшиеся таким образом триглицериды в кровь в виде ЛПНП. Клетки жировой ткани хранят триглицериды в жировых капельках, чтобы в конечном итоге снова высвободить их в виде свободных жирных кислот и глицерина в кровь (как описано выше), когда концентрация инсулина в плазме низкая, а концентрация глюкагона и/или эпинефрина высокая. Молочные железы выделяют жир (в виде жировых капель сливок) в молоко, которое они производят под воздействием пролактина, гормона передней доли гипофиза. Всем клеткам организма необходимо производить и поддерживать свои мембраны и мембраны своих органелл. Неизвестно, полагаются ли они исключительно на свободные жирные кислоты, поглощенные из крови, или способны синтезировать собственные жирные кислоты из глюкозы крови. Клетки центральной нервной системы, вероятно, обладают способностью синтезировать собственные жирные кислоты, поскольку эти молекулы не могут достигать их через гематоэнцефалический барьер. Представленные схемы показывают, как синтезируются жирные кислоты в микроорганизмах, и перечисляют ферменты, обнаруженные в Escherichia coli. У животных, а также у некоторых грибов, таких как дрожжи, эти же реакции происходят на жирном кислотном синтазе I (FASI), крупном димерном белке, который обладает всей ферментативной активностью, необходимой для создания жирной кислоты. FASI менее эффективна, чем FASII; однако она позволяет формировать больше молекул, включая жирные кислоты "средней цепи" за счет раннего прекращения цепи. После образования жирной кислоты 16:0 она может подвергаться ряду модификаций, приводящих к десатурации и/или удлинению. Удлинение, начиная со стеарата (18:0), происходит главным образом в эндоплазматическом ретикулуме под действием нескольких мембранно-связанных ферментов. Ферментативные стадии, участвующие в процессе удлинения, в основном такие же, как те, которые осуществляются при синтезе жирных кислот, но четыре основных последовательных стадии удлинения выполняются отдельными белками, которые могут быть физически связаны. Стадия Фермент Реакция Описание (a) Ацетил-КоА:ACP-трансацилаза Активирует ацетил-КоА для реакции с малонил-ACP (b) Малонил-КоА:ACP-трансацилаза Активирует малонил-КоА для реакции с ацетил-ACP (c) 3-кетоацил-ACP-синтаза Реагирует ACP-связанная ацильная цепь с удлиняющим цепь малонил-ACP (d) 3-кетоацил-ACP-редуктаза Восстанавливает 3-кетон в гидроксильную группу (e) 3-гидроксиацил-ACP-дегидратаза Удаляет воду (f) Эноил-ACP-редуктаза Восстанавливает двойную связь C2-C3. Сокращения: ACP – ацил-переносящий белок, CoA – кофермент A, NADP – никотинамидадениндинуклеотидфосфат. Обратите внимание, что во время синтеза жирных кислот восстановителем является NADPH, в то время как NAD является окислителем при бета-окислении (расщеплении жирных кислот до ацетил-КоА). Эта разница иллюстрирует общий принцип, согласно которому NADPH потребляется во время биосинтетических реакций, в то время как NADH образуется в энергетически выгодных реакциях. (Таким образом, NADPH также требуется для синтеза холестерина из ацетил-КоА; в то время как NADH образуется во время гликолиза.) Источником NADPH является двойственный. При окислительном декарбоксилировании малата "NADP+-связанным яблочным ферментом" образуются пируват, CO и NADPH. NADPH также образуется в пентозофосфатном пути, который превращает глюкозу в рибозу, которая может быть использована в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот, или может быть катаболизирована до пирувата. Цитозольный ацетил-КоА карбоксилируется ацетил-КоА-карбоксилазой в малонил-КоА, первую стадию синтеза жирных кислот.

Регулирование синтеза жирных кислот

Ацетил-КоА превращается в малонил-КоА под действием ацетил-КоА карбоксилазы, после чего малонил-КоА поступает в путь синтеза жирных кислот. Ацетил-КоА карбоксилаза является ключевым звеном регуляции в синтезе насыщенных жирных кислот с прямой цепью и подвергается как фосфорилированию, так и аллостерической регуляции. Фосфорилирование в основном происходит у млекопитающих, в то время как аллостерическая регуляция характерна для большинства организмов. Аллостерический контроль осуществляется посредством ингибирования обратной связи пальмитоил-КоА и активации цитратом. Высокие концентрации пальмитоил-КоА, конечного продукта синтеза насыщенных жирных кислот, аллостерически инактивируют ацетил-КоА карбоксилазу, предотвращая накопление жирных кислот в клетках. Цитрат активирует ацетил-КоА карбоксилазу при высоких концентрациях, поскольку это указывает на достаточное количество ацетил-КоА для поступления в цикл Кребса и производства энергии. Высокие уровни инсулина в плазме крови (например, после приема пищи) вызывают дефосфорилирование и активацию ацетил-КоА карбоксилазы, тем самым стимулируя образование малонил-КоА из ацетил-КоА и, следовательно, превращение углеводов в жирные кислоты, в то время как эпинефрин и глюкагон (выделяемые в кровь при голодании и физических нагрузках) вызывают фосфорилирование этого фермента, ингибируя липогенез в пользу окисления жирных кислот посредством бета-окисления и митохондриального окисления жирных кислот (ФАО), которые вовлечены в различные аспекты канцерогенеза и роста клеток.