Fyziologie a fyziologie zátěže Fakulta tělesné kultury UP Metabolismus tuků Fyziologie a fyziologie zátěže Fakulta tělesné kultury UP

Typy tuků (lipidů) Mastné kyseliny (MK) (fatty acids - FA) Triglyceridy (TG) Fosfolipidy Steroly

Uhlíkové sloučeniny s dlouhým řetězcem Mastné kyseliny Uhlíkové sloučeniny s dlouhým řetězcem Sudý počet uhlíků Saturované (nasycené, obvykle bez dvojné vazby mezi uhlíky) Nesaturované (nenasycené, s jednou nebo více dvojnými vazbami)

Zkrácený název popisující jejich strukturu - hranaté závorky Nasycené MK Palmitová [16:0] Stearová [18:0] Zkrácený název popisující jejich strukturu - hranaté závorky první číslo - počet uhlíků druhé číslo - počet dvojných vazeb

kyselina palmitová [16:0] 1 + 14 + 1 = 16 CH3(CH2)14COOH kyselina palmitová [16:0] 1 + 16 + 1 = 18 CH3(CH2)16COOH kyselina stearová [18:0]

Nenasycené MK Zkrácený název s řeckým písmenem  ukazuje pozici dvojité vazby (začíná se počítat od karboxylové skupiny jako od prvního uhlíku) Olejová [18:1(9)] Linoleová [18:2(9,12)]

Kyselina olejová [18:1(9)] 1 + 7 + 1 + 1 + 7 + 1 = 18 CH3(CH2)7 – C  C – (CH2)7COOH H H Kyselina olejová [18:1(9)] 9. uhlík 1. uhlík

Kyselina linoleová [18:2( 9,12)] 1 + 4 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 7 + 1 = 18 CH3(CH2)4 – C  C – CH2 – C  C – (CH2)7COOH H H H H Kyselina linoleová [18:2( 9,12)] 12. uhlík 9. uhlík

poslední dvojná vazba začíná třetím uhlíkem od konce nebo od uhlíku 18 Nenasycené MK Linoleová kyselina je esenciální (musí být součástí stravy) PUFA (polyunsaturated fatty acid) Linolenová kyselina [18:3(9,12,15)] omega 3 nebo omega n-3 poslední dvojná vazba začíná třetím uhlíkem od konce nebo od uhlíku 18

Linoleová kyselina [18:2(9,12)] Nenasycené MK Linoleová kyselina [18:2(9,12)] omega 6 nebo omega n-6 MK

Nenasycené MK n-3 (nebo omega 3) MK vykazují speciální ochranu cévní stěně snížením koncentrace krevních lipidů. Proto je kyselina linolenová [18:3(9,12,15)] omega 3 nebo omega n-3 považována za nezbytnou (esenciální) mastnou kyselinu v potravě.

Triglyceridy (triacylglyceroly - TG) Kombinace trialkoholu glycerolu a tří MK. Tři MK v TG, uložených v tukových zásobách nejsou většinou stejné. MK v TG jsou nasycené i nenasycené. MK1 glycerol MK2 MK3

Triglyceridy (triacylglyceroly - TG) Fyzikální vlastnosti TG závisí na délce uhlíkového řetězce MK a počtu dvojných vazeb. Delší délka řetězce stejně jako dvojité vazby snižují bod tání. Rostlinný tuk s PUFA je tekutý, živočišný tuk s nasycenými MK je tuhý. Palmový olej je tekutý, i když se skládá hlavně z nasycených MK neboť má krátký uhlíkový řetězec (10 - 12), ostatní mají většinou 16 - 18 uhlíků.

Triglyceridy (triacylglyceroly - TG) TG a MK v TG jsou nerozpustné ve vodě. Tato vlastnost způsobuje, že jsou ideálními zásobárnami energie (ponechávají si více chemické energie než ostatní energetické substráty - sacharidy, proteiny).

Mobilizace tuků z tukových zásob Hydrolýza TG nebo lipolýza - akcentovaná při tělesné práci, hladovění nebo v chladu. Lipolýza zahrnuje 3 hydrolytické reakce (vzniknou 3 MK + glycerol), z nichž každá je katalyzovaná hormon senzitivní lipázou. Lipolýza i tvorba TG probíhají v cytoplazmě tukových buněk (adipocyty). MK uvolněné z TG jsou hydrolyzovány a dále se buď reesterifikují na TG opouštějí adipocyt

Mobilizace tuků z tukových zásob MK uvolněné z adipocytů, jsou transportovány v krvi pomocí plazmatických bílkovin - albuminů = volné mastné kyseliny (VMK) free fatty acids (FFA). VMK (většinou 16 - 18 uhlíků) musí být transportovány albuminem, neboť nejsou rozpustné ve vodě. Glycerol nemůže být znovu využit tukovými buňkami a protože je rozpustný ve vodě, cirkuluje krví - index lipolýzy.

Mobilizace tuků z tukových zásob Ve tkáních, které obsahují glycerol-kinázu (zejména játra), se glycerol fosforyluje na glycerol 3-P a může být použit na tvorbu glykogenu nebo GL - glukoneogeneze. Lipolýza probíhá nejen v játrech, ale např. i v tenkém střevě (katalyzováno pankreatickou lipázou), nebo v plazmatických lipoproteinech (katalyzováno lipoproteinovou lipázou na endotelu kapilár).

Mobilizace tuků z tukových zásob Po jídle převažuje v adipocytech lipogeneze (tvorba TG) - dostatek prekrusorů - MK + glycerol. Při zátěži převažuje lipolýza. adipocyt Po jídle Při zátěži, hladovění TG VMK + glycerol VMK + glycerol

Regulace metabolismu TG Zásobárny TG = zejména adipocyty + svalové buňky. Využívání tuků (zejména kosterní svaly + myokard) = šetření glykogenu. Během tělesné zátěže velmi důležité, neboť se výrazně zvyšuje potřeba energie. V adipocytech probíhá ve stejné době lipolýza i lipogeneze, něco musí převažovat. Regulace pomocí hormon senzitivní lipázy (TG-lipáza), která je aktivovaná hormony (zejména adrenalinem).

Intracelulární transport MK MK buď vstupují do cytoplazmy buněk pomocí transportéru (vazební protein MK - VPMK, FA binding protein - FABP) nebo prostou difúzí napříč buněčnou membránou. Aby mohla být využitá jejich energie (9,2 kcal/g), musí se dostat cytoplazmou do mitochondrií.

Acyl-CoA je vytvořen s použitím energie, získané hydrolýzou ATP. Tvorba acyl-CoA Aby MK mohly prostoupit mitochondriální membránou, musí být připojeny k CoA = = acyl-CoA. Acyl-CoA je vytvořen s použitím energie, získané hydrolýzou ATP. acyl CoA syntetáza MK + ATP + CoA Acyl-CoA + AMP + Pi Mg2+

Tvorba acyl-CoA Reakce je esenciálně ireverzibilní. Acyl-CoA je na energii bohatá sloučenina, neboť na svou tvorbu spotřebuje energii vzniklou rozkladem ATP na AMP. energie acyl CoA syntetáza MK + ATP + CoA Acyl-CoA + AMP + PPi Mg2+

Transport acyl-karnitinu Tvorba acyl-CoA probíhá v cytoplazmě, zatímco oxidace acyl-CoA probíhá v mitochondriích. Avšak vnitřní mitochondriální membrána je nepropustná pro acyl-CoA. Proto se k transportu acyl-CoA používá 3 různých transportních proteinů a malé molekuly karnitinu. Acyl-CoA sloučený s karnitinem může být transportován přes mitochondriální membránu!!! Karnitin prostupuje napříč mitochondriální membránou ven (z mitochondie do cytoplazmy) a sloučený s acyl-CoA dovnitř.

Acyl karnitin translokáza I II Cytoplazma Vnitřní membrána Matrix acyl-CoA Karnitin Karnitin acyl-CoA Acyl karnitin translokáza I II acylkarnitin acylkarnitin CoA CoA

Nedostatek karnitinu, způsobený neschopností karnitin vytvořit, není vzácné metabolické onemocnění. Karnitin se ztrácí při dialyzační filtraci krve („umělá ledvina“)- nutnost doplňovat. Nedostatek karnitinu = svalová únava, špatná tolerance fyzického zatížení (způsobené akumulací TG ve svalech a neschopností oxidovat MK). Tělesná zátěž zvyšuje močovou exkreci karnitinu - proto sportovci doplňují karnitin (zvýšení lipidové oxidace a šetření zásob glykogenu) - módní hit - málo účinné.

Oxidace MK (beta-oxidace) Nastává po vstupu acyl-CoA MK do matrix mitochondrií - cyklická reakce. V každém cyklu se acyl-CoA MK rozkládá - vytváří 2-uhlíkový acetyl-CoA a nový acyl-CoA zkrácený o 2 atomy uhlíku.

Acyl-CoA (C = n - 2) Acyl-CoA (C = n) FAD+ FADH2 dehydrogenace NAD+ NADH + H+ Acetyl-CoA C = 2 Acyl-CoA (C = n-2)

Alfa-ketoglutarát (5C) Pyruvát (3C) NAD+ CO2 NADH + H+ Acetyl-CoA (2C) Acyl-CoA Oxalacetát (4C) Citrát (6C) NAD+ NADH + H+ Malát (4C) Izocitrát (6C) NAD+ CO2 Fumarát (4C) NADH + H+ FADH2 Alfa-ketoglutarát (5C) Sukcinát (4C) P FAD Sukcinyl-CoA (4C) CO2 GTP NAD+ NADH + H+ GDP

Sudý počet C Kolik cyklů? Acyl-CoA (C = n) Sudý počet C FAD+ Kolik cyklů? FADH2 dehydrogenace NAD+ NADH + H+ Acetyl-CoA C = 2 Acyl-CoA (C = n-2)

1. cyklus 2. cyklus Např. kyselina stearová [18:0] vytvoří s CoA stearyl-CoA, který má rovněž 18C. Odštěpením CoA (2C) vznikne 16-uhlíkový acyl-CoA. 1. cyklus Odštěpením dalšího CoA (2C) vznikne 14-uhlíkový acyl-CoA. 2. cyklus

9. cyklus nemusí proběhnout, protože po 8. cyklu + 2 2. n = 16 + 2 Počet cyklů (n : 2) - 1 3. n = 14 + 2 4. n = 12 + 2 5. n = 10 + 2 = 6. n = 8 + 2 n - 2 2 7. n = 6 + 2 8. n = 4 + 2 9. cyklus nemusí proběhnout, protože po 8. cyklu zůstanou 2 acetyl-CoA

1. cyklus 2. cyklus 8. cyklus Např. kyselina stearová [18:0] vytvoří s CoA stearyl-CoA, který má rovněž 18C. Odštěpením CoA (2C) vznikne 16-uhlíkový acyl-CoA. 1. cyklus Odštěpením dalšího CoA (2C) vznikne 14-uhlíkový acyl-CoA. 2. cyklus . 8. cyklus Během 8 cyklů [(18 : 2) - 1] se stearyl-CoA rozloží na 9 molekul acetyl-CoA

Energetický zisk z beta-oxidace kyseliny stearové -2 ATP Vytvoření stearylu-CoA ze stearové kyseliny

Tvorba acyl-CoA Při rozložení ATP na AMP vzniknou 2 atomy fosfátu podobně jako při rozkladu 2 molekul ATP na 2 molekuly ADP acyl CoA syntetáza MK + ATP + CoA Acyl-CoA + AMP + PPi Mg2+ Ztráta energie při rozložení ATP na AMP je stejná jako při ztráta při rozložení 2 ATP na 2 ADP.

Energetický zisk z beta-oxidace kyseliny stearové -2 ATP Vytvoření stearylu-CoA ze stearové kyseliny Při tvorbě 9 acetyl-CoA vznikne 8 FADH2 a 8 NADH + H+. V respiračním řetězci vzniknou v přítomnosti FADH2 dvě molekuly ATP, v přítomnosti NADH + H+ tři molekuly ATP - v každém cyklu 5 molekul ATP - počet cyklů 8, počet ATP +40 ATP

NAD+ + H2+ + 3 ADP = NADH + H+ + 3 ATP FAD+ + H2+ + 2 ADP = FADH + H+ + 2 ATP 1 cyklus = 3 ATP + 2 ATP = 5 ATP 8 cyklů = 8 . 5 ATP = 40 ATP

Energetický zisk z beta-oxidace kyseliny stearové -2 ATP Vytvoření stearylu-CoA ze stearové kyseliny Při tvorbě 9 acetyl-CoA vznikne 8 FADH2 a 8 NADH + H+. V respiračním řetězci vzniknou v přítomnosti FADH2 dvě molekuly ATP, v přítomnosti NADH + H+ tři molekuly ATP - v každém cyklu 5 molekul ATP - počet cyklů 8, počet ATP +40 ATP Z jedné molekuly acetyl-CoA vznik v Krebsově cyklu 12 molekul ATP. Počet acetyl-CoA = 9, počet ATP = 9 . 12 = +108 ATP

Alfa-ketoglutarát (5C) Pyruvát (3C) NAD+ CO2 NADH + H+ Acetyl-CoA (2C) Oxalacetát (4C) Citrát (6C) NAD+ NADH + H+ Malát (4C) Izocitrát (6C) NAD+ CO2 Fumarát (4C) NADH + H+ FADH2 Alfa-ketoglutarát (5C) Sukcinát (4C) P FAD Sukcinyl-CoA (4C) CO2 GTP NAD+ NADH + H+ GDP

Energetický zisk z beta-oxidace kyseliny stearové -2 ATP Vytvoření stearylu-CoA ze stearové kyseliny Při tvorbě 9 acetyl-CoA vznikne 8 FADH2 a 8 NADH + H+. V respiračním řetězci vzniknou v přítomnosti FADH2 dvě molekuly ATP, v přítomnosti NADH + H+ tři molekuly ATP - v každém cyklu 5 molekul ATP - počet cyklů 8, počet ATP +40 ATP Z jedné molekuly acetyl-CoA vznik v Krebsově cyklu 12 molekul ATP. Počet acetyl-CoA = 9, počet ATP = 9 . 12 = +108 ATP CELKEM +146 ATP

Energetický zisk z beta-oxidace MK Acyl-CoA Energetický zisk z beta-oxidace MK [(n - 2) / 2] FADH2 Počet cyklů (n - 2) / 2 n-2+3n 4n-2 2 2 [(n - 2) / 2] NADH 2n-1 = = (n / 2 ) acetyl-CoA + n-2+n 2n-2 2 2 n-1 3n / 2 NADH 2n - 1 ATP = = 1 3n - 2 ATP n / 2 FADH2 2 = 2n-1+n-1 = 3n-2 n / 2 GTP 3 3n - 2 ATP n CO2

8,5 n - 7 ATP 8,5 n - 5 ATP Acyl-CoA MK -2 ATP [(n - 2) / 2] FADH2 Počet cyklů (n - 2) : 2 [(n - 2) / 2] NADH (n / 2 ) acetyl-CoA 3n / 2 NADH 1 2n - 1 ATP 3n - 2 ATP n / 2 FADH2 2 n / 2 GTP 3 3n - 2 ATP n : 2 ATP 8,5 n - 7 ATP 8,5 n - 5 ATP n CO2

Energetický zisk z beta-oxidace MK 8,5 n - 7 ATP n = počet atomů C Acyl-CoA MK -2 ATP [(n - 2) / 2] FADH2 Počet cyklů (n - 2) : 2 [(n - 2) / 2] NADH (n / 2 ) acetyl-CoA 3n / 2 NADH 1 2n - 1 ATP 3n - 2 ATP n / 2 FADH2 2 n / 2 GTP 3 3n - 2 ATP n : 2 ATP 8,5 n - 7 ATP n CO2