Tłuszcze jako główny zapasowy substrat energetyczny

Transkrypt

1 Tłuszcze jako główny zapasowy substrat energetyczny Utlenienie 1 g tłuszczy pozwala na wyprodukowanie 37 kj (9 kcal) energii, podczas gdy utlenienie 1 g węglowodanów lub białek dostarcza tylko 17 kj (4 kcal) energii. Ilość energii moŝliwej do uzyskania ze spalenia zapasu substratów energetycznych zgromadzonych w ciele osobnika o masie ciała 70 kg wynosi: kj z tłuszczy kj z białek 2500 kj z zapasu glikogenu 170 kj z wolnej glukozy. Mózg nie moŝe korzystać z tłuszczy, a podstawowym substratem energetycznym dla mózgu jest glukoza. W warunkach głodzenia, kiedy poziom glukozy we krwi obniŝa się, mózg moŝe równieŝ korzystać z ciał ketonowych powstałych w wyniku przemiany kwasów tłuszczowych. Klasyfikacja lipidów (triacyloglicerole, fosfolipidy, glikolipidy)

2 KWASY TŁUSZCZOWE NASYCONE Symbol Nazwa Struktura Temp.topnienia ( o C) 12:0 Laurynowy CH 3 (CH 2 ) 10 COOH :0 Mirystynowy CH 3 (CH 2 ) 12 COOH 52 16:0 Palmitynowy CH 3 (CH 2 ) 14 COOH :0 Stearynowy CH 3 (CH 2 ) 16 COOH :0 Arachidowy CH 3 (CH 2 ) 18 COOH 75.4 KWASY TŁUSZCZOWE NIENASYCONE Symbol Nazwa Struktura Temp.topnienia ( o C) 16:1 Palmitoleinowy CH 3 (CH 2 ) 5 CH=CH-(CH 2 ) 7 COOH :1 Oleinowy CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH-(CH 2 ) 7 COOH :2 Linolowy CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 2 (CH 2 ) 6 COOH -9 18:3 α- Linolenowy CH 3 CH 2 (CH=CHCH 2 ) 3 (CH 2 ) 6 COOH :4 5,8,11,14 arachidonowy CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 COOH :5 5,8,11,14,17 EPA CH 3 CH 2 (CH=CHCH 2 ) 5 (CH 2 ) 2 COOH :6 4,7,10,13,16,19 DHA 22:6 3 UDZIAŁ (%) KWASÓW TŁUSZCZOWYCH W RÓśNYCH TŁUSZCZACH TŁUSZCZ <16:0 16:1 18:0 18:1 18:2 18:3 20:0 22:1 22:2 Olej kokosowyt Olej z oliwek Masło

3 TŁUSZCZE (triacyloglicerole) to estry kwasów tłuszczowych z glicerolem

4 Trawienie, wchłanianie i magazynowanie tłuszczy

5 Transport lipoprotein

6 Ogólna struktura budowy lipoprotein osocza.

7 Rozkład chylomikronu przez lipazę lipoproteinową na wewnętrznej powierzchni naczyń kapilarnych

8 Aktywacja kwasów tluszczowych Reakcja aktywacji kwasów tłuszczowych: Kwas tłuszczowy (RCOOH Acyl) + ATP acylo-adenylan+pp i PP i 2 P i acyloadenylan + HS-CoA acylo-coa + AMP ======================================================== Sumarycznie: Acyl + ATP + HS-CoA Acylo-CoA + AMP + 2 P i

9 Ogólny schemat utlenienia kwasów tłuszczowych

10 Transport kwasów tłuszczowych (C>12) do mitochondrium

11 β - oksydacja kwasów tłuszczowych w mitochondrium

12 Los równowaŝników redukcyjnych FADH 2 powstałych podczas β-oksydacji. Podsumowanie jednego obrotu β-oksydacji Acylo-CoA + FAD + NAD + + HS-CoA Acylo-CoA (krótszy o 2C) + FADH 2 + NADH + H + + acetyl-coa Bilans energetyczny 1 obrotu β-oksydacji (przyjmując ze utlenienie NADH dostarcza 3 ATP, a FADH 2 2 ATP) Etap reakcji Aktywacja KT 1 obrót cyklu Cykl Krebsa Powstało Acylo-CoA- (FADH 2 +NADH+H + )+ Acetylo-CoA (do cyklu Krebsa) 2 CO 2 +3 (NADH+H + ) +FADH GTP ZuŜyto Ilość powstałej energii ATP ATP i PP -2ATP (tylko 1 x na początku przemiany KT) - 2 ATP+3 ATP (w łańcuchu oddechowym) 12 ATP (z tego 11 ATP w łańcuchu oddechowym)

13 Bilans 1 obrotu β-oksydacji (przyjmując Ŝe utlenienie NADH dostarcza 2,5 ATP, a FADH 2 1,5 ATP) Etap reakcji Aktywacja KT 1 obrót cyklu Cykl Krebsa Powstało ZuŜyto Ilość powstałej energii ATP - ATP i -2ATP (tylko PP 1 x) - 1,5 ATP +2,5ATP (w łańcuchu oddechowym) (FADH 2 +NADH+H + )+ Acetylo-CoA (do cyklu Krebsa) 2 CO 2 +3 (NADH+H + ) +FADH GTP 10 ATP (z tego 9ATP w łańcuchu oddechowym) Tłuszcze spalają się w ogniu węglowodanów Co to znaczy? odpowiedź: do spalania tłuszczy (a dokładniej: kwasów tłuszczowych- KT) i Acetylo-CoA powstałego w β-oksydacji potrzebny jest szczawiooctan (metabolit cyklu Krebsa), który powstaje w wyniku karboksylacji pirogronianu (jeden z głównych metabolitów glikolizy) Energia z utlenienia KT tworzona jest w ponad 95 % w procesie fosforylacji oksydacyjnej sprzęŝonej z łańcuchem oddechowymdlatego produkcja energii ze spalania tłuszczy wymaga zapewnienia odpowiedniego zaopatrzenia komórek w tlen.

14 Ciała ketonowe Gdy tłuszcze stają się głównym substratem energetycznym, część zwiększonej, w tych warunkach puli kwasów tłuszczowych jest zuŝywana w wątrobie do produkcji tzw. ciał ketonowych. Ma to miejsce w poniŝszych sytuacjach fizjologicznych: (1) podczas głodzenia (gdy wątroba nie jest w stanie zapewnić utrzymania homeostazy glukozy), (2) w wysiłku wytrzymałościowym, (3) w warunkach spoŝywania diety wysokotłuszczowej, oraz (4) w cukrzycy (gdy glukoza nie jest wychwytywana przez mięśnie). W syntezie ciał ketonowych uczestniczą 3 enzymy: ketotiolaza, syntaza hydroksymetyloglutarylo CoA (syntaza HMG-CoA), oraz liaza HMG-CoA. Produktem końcowym jest kwas acetooctowy (acetooctan), który moŝe ulegać redukcji do β-hydroksymaślanu-β HB (przez dehydrogenazę β HB) lub dekarboksylacji do acetonu. Ciała ketonowe powstałe w wątrobie są transportowane z krwią do innych tkanek (mózg, mięśnie szkieletowe), gdzie są z powrotem przekształcane do Acetylo-CoA i. Kiedy ciała ketonowe pełnią funkcję alternatywnego paliwa (np. dla mózgu w przypadku głodu lub cukrzycy) substratami dla glukoneogenezy w wątrobie (dla utrzymania homeostazy glukozy) stają się aminokwasy uzyskane z rozkładu białek (NB. Acetylo-CoA nie moŝe być substratem dla resyntezy glukozy!).

15 Biosynteza kwasów tłuszczowych Cały proces jest zlokalizowany w cytoplazmie: I etap: produkcja malonylo CoA z Acetylo-CoA przez karboksylazę acetylo- CoA (enzym zawierający biotynę jako grupę prostetyczną) dwuetapowo: Reakcja: HCO 3 + ATP + acetyl-coa ADP + P i + malonyl-coa System enzymatyczny występujący u ssaków, który katalizuje syntezę długołańcuchowych, nasyconych kwasów tłuszczowych z Acetylo- CoA, malonylo-coa oraz NADPH to syntaza kwasów tłuszczowych. Jest to bardzo duŝy i złoŝony kompleks enzymatyczny zawierający centralnie zlokalizowaną domenę przenoszącą Acyl (ACP-Acyl Carrier Protein). Syntaza kwasów tłuszczowych zawiera podjednostki białkowe pełniące rolę katalizatorów (enzymów) zaangaŝowanych w kolejnych etapach biosyntezy. NaleŜą do nich: Transacylaza acetylowa (acetylotransferaza ACP) Transacylaza malonylowa (malonylotransferaza ACP) Syntaza β-ketoacylo ACP Reduktaza β-ketoacylo ACP Dehydrataza 3-hydroksyacylo-ACP Reduktaza enoilo-acp

16 Mechanizm funkcjonowania syntazy kwasów tłuszczowych Ogólne równanie syntezy palmitynianu (C16): 8 acetylo-coa + 7 ATP + 14 NADPH + 6 H + palmitynian + 14 NADP CoA + 6H 2 O + 7 ADP + 7 Pi

17 Przykład: Synteza palmitynianu z Acetylo-CoA i Malonylo- CoA.

18 ChociaŜ reakcje syntezy kwasów tłuszczowych są podobne do odwróconego przebiegu β-oksydacji, proces biosyntezy jest inny i nie stanowi prostego odwrócenia β-oksydacji. Porównanie utlenienia i syntezy kwasów tłuszczowych. β oksydacja Synteza kwasów tłuszczowych Lokalizacja Macierz mitochondrialna Cytoplazma Nośniki reszt acylowych (tiole) Coenzyme-A fosfopantoteina (ACP) & cysteina Charakter reakcj utlenienie redukcja Akceptor/donor elektronów FAD + & NAD + NADPH + H + Produkt/donor jednostek 2-C acetylo-coa malonylo-coa

19 Transport jednostek acetylowych z mitochondrium (jedyne miejsce ich tworzenia) do cytoplazmy (gdzie mają słuŝyć do syntezy kwasów tłuszczowych) Wynika stąd, Ŝe równowaŝniki redukcyjne (NADPH + H + ) niezbędne do biosyntezy kwasów tłuszczowych pochodzą z dwóch źródeł, to jest z : (1) przeniesienia reszt acetylowych z mitochondrium do cytoplazmy, (2) cyklu pentozofosforanowego (alternatywny szlak utlenienia glukozy w cytoplazmie).

20 Synteza triacylogliceroli (tłuszczy) ====================================== Triacyloglicerole (tłuszcze) powstają w wyniku reakcji pomiędzy tioacylem utworzonym podczas biosyntezy kwasów tłuszczowych (Acylo CoA) i glicerolo-3-fosforanem powstałym w wyniku: (1) redukcji fosfo-dwuhydroksy-acetonu (DHAP) przez NADH: DHAP + NADH + H + <=> Glycerol-3-Phosphate + NAD +, lub (2) fosforylacji glicerolu przez kinazę glicerolową Glycerol + ATP <=> Glycerol-3-Phosphate + ADP PoniewaŜ komórki tłuszczowe (adipocyty) nie posiadają kinazy glicerolowej NIE mogą teŝ wykorzystywać glicerolu uwolnionego podczas hydrolizy innego tłuszczu do syntezy nowych cząsteczek tluszczu. Dlatego, z tego mechanizmu wykorzystania wolnego glicerolu do biosyntezy tłuszczy moŝe korzystać tylko wątroba posiadająca kinazę glicerolową. W przypadku pozostałych komórek, glicerolo-3-fosforan powstaje przez redukcję fosfo-dwuhydroksy-acetonu (metabolit pośredni przemiany glikolitycznej). Synteza tłuszczy jest procesem, do przebiegu którego równieŝ potrzebne są węglowodany, poniewaŝ: (1) wymaga dostarczania NADPH (z cyklu pentozofosforanowego), i (2) glicerolo-3-p (uzyskanego w wyniku redukcji metabolitu glikolizy DHAP). To wyjaśnia, dlaczego glukoza jest substratem niezbędnym dla komórek tłuszczowych, a jej wychwyt z krwioobiegu (z uwagi na duŝą masę tkanki tłuszczowej) jest regulowany przez insulinę.