LIPIDY 1

Lipidy - složení vyšší mastné kyseliny + alkohol fyz. chem. vlastnosti nepolární sloučeniny  nerozpustnost ve vodě  ve vodném prostředí nutná aktivace Lipidy jsou podobně jako sacharidy jedny ze základních složek živých organismů. Jsou hojně rozšířeny jak u živočišné tak i v rostlinné říši. I kdaž jde o obsáhlou skupinu látek, zachovává jejich struktura určitá pravidla. Vždy obsahují VMK a alkohol, které jsou spolu vázány esterovou nebo amidovou vazbou. Podle složení je dělíme na lipidy jednoduché, které obsahují pouze alkohol a VMK, a na lipidy složené. Ty mohou navíc obsahovat složky cukerné, pak jde o glykolipidy, nebo k. fosforečnou a dusíkaté hydroxysloučeniny, pak jde o fosfolipidy. Co se týká funkce, slouží lipidy jako zdroj energie v potravinách i jako její zásobárna v organismu v tukové tkáni. Tato tuková tkáň má rovněž funkci ochranou, zaměřenou proti mechanickému poškození. Lipidy, zejména složené, se podílejí na tvorbě biologických membrán a na některých regulačních funkcích. 2

Mastné kyseliny polynenasycené mononenasycené nasycené palmitová 16 stearová 18 arachová 20 lignocerová 24 mononenasycené palmitoolejová 16:1, ∆ 9 olejová 18:1, ∆ 9 polynenasycené linolová 18:2, D 9 ,12 ω3 ω6 α-linolenová C18:3 cis-Δ9, 12, 15 linolová C18:2 cis-Δ9, 12 eikosapentaenová EPA C20:5 cis-Δ5,8,11,14,17 γ-linolenová C18:3 cis-Δ6, 9, 12 docosahexaenová DHA C22:6 arachidonová C20:4 cis-Δ5,8,11,14 trans MK  aterosklerosa srdeční onemocnění zvýšení LDL cholesterol a snížení HDL cholestrol prozánětlivé

Trávení lipidů ústní dutina žaludek mateřské mléko lingvální (slinná) lipasa odštěpuje krátké a středně dlouhé MK žaludek žaludeční lipasa odštěpuje krátké, středně dlouhé a nenasycené MK význam hlavně u kojenců (vyšší pH a již emulgovaný mléčný tuk) mateřské mléko lipasa aktivovaná žlučovými kyselina

Trávení lipidů pankreatická šťáva epitel tenkého střeva pankreatická lipasa (α-lipasa) kolipasa aktivace až v lumen v přít. Ca2+ cholesterolesterasa štěpí estery cholesterolu ceramidasa štěpí ceramidy fosfolipasy A2 a A1 štěpí fosfolipidy epitel tenkého střeva β-lipasa B fosfolipasa = lysofosfolipasa odstraňuje acyl z 1. uhlíku po odštěpení acylu z 2. uhlíku

Žluč - složení voda žlučové kyseliny mucin a pigmenty k. cholová k. chenodeoxycholová mucin a pigmenty O-glykoproteiny bilirubindiglukosiduronát fosfolipidy cholesterol mastné kyseliny a tuky anorganické soli léčiva, toxiny, kovy (Cu, Hg, Zn)

Vstřebávání lipidů Natrávená směs v tenkém střevě obsahuje Monoacylglyceroly (MAG) Volné mastné kyseliny (VMK) Cholesterol (CH) Částečně odbourané fosfolipidy (FL) Za pomoci žlučových kyselin se vytvoří směsná micela Směsné micely při styku s kartáčovým lemem předávají svůj obsah buňkám střevní sliznice Volné MK se v enterocytech reesterifikují a s ostatními složkami tvoří chylomikrony, které enterocyt předává do lymfy. vit CH MAG VMK žk TAG CH G FL G FL

Vstřebávání lipidů FL FL žk žk žk žk G G TAG MAG CH MAG CH TAG TAG TAG vit CH MAG VMK žk TAG žk žk žk žk G TAG FABP = Z MAG VMK VMK FL VMK ~CoA CH VMK ~CoA VMK ~CoA G ~P MAG VMK ~CoA VMK ~CoA VMK ~CoA VMK CH chylomikron TAG TAG TAG FL enterocyt

Transport lipidů Plasma je vodné prostředí Hydrofobní nepolární jádro Transport lipidů estery cholesterolu Plasma je vodné prostředí Lipidy se transportují v krvi ve formě lipoproteinů Nepolární částice obklopeny částicemi amfifilními, navenek směřují hydrofilní části amfifilních molekul TAG apoB48 fosfolipidy apoproteiny volný cholesterol Hydrofilní polární obal

Apoproteiny apoB48 apoB100 apoC-II apoE typický pro chylomikrony typický pro VLDL, LDL apoC-II nutný pro aktivaci lipoproteinové lipasy typický pro VLDL, HDL apoE nutný pro rozpoznání na receptoru jater

Třídy lipoproteinů podle hustoty nebo podle elektroforetické pohyblivosti Chylomikrony Největší, tvoří se v enterocytech VLDL (Velmi nízká hustota) Vznik v játrech, střevě Pre-β-lipoproteiny IDL (Prostřední hustota) Vznikají z VLDL působením lipas β-lipoproteiny Relativní velikost chylomikronů a lipoproteinů v nm (průměrné hodnoty) LDL 20 chylomikron 500 LDL (Nízká hustota) Vznikají z IDL působením lipas a výměnami apoproteinů β-lipoproteiny HDL (Vysoká hustota) Vznik v játrech, střevě α-lipoproteiny VLDL 50 HDL 10

Přehled osudů chylomikromů střevo játra B/E receptor A C D E E, C HDL chylo - E C mikron CII ECH B TAG CH 48 E zbytek B 48 E C B LPL NEMK 48 LPL NEMK Vznikají v enterocytech. V kapilárách periferních tkání na ně působí lipoproteinová lipasa (LPL), která odštěpí z TAG volné mastné kyseliny (NEMK). Chylomikron se zmenšuje, obsah TAG klesá a zbývající chylomikronové zbytky se vychytávají v játrech. Chylomikrony si vyměňují některé složky s částicemi HDL.

Přehled osudů VLDL, IDL a LDL LDL - receptor játra E VLDL C B 100 tkáně HDL TAG C TAG LDL estery cholesterolu B 100 LPL E IDL C B 100 LPL NEMK NEMK VLDL částice vznikají v hepatocytech. V kapilárách periferních tkání na ně působí lipoproteinová lipasa (LPL), která odštěpí z TAG volné mastné kyseliny (NEMK). VLDL se zmenšuje, obsah TAG klesá a vzniká částice IDL. IDL se vychytávají v játrech, nebo jsou dále okusovány LPL. Vznikají LDL, částice s relativně vysokým obsahem cholesterolu, který LDL transportují do periferních tkání. IDL a LDL si vyměňují některé složky s částicemi HDL.

Přehled osudů HDL játra HDL receptor střevo HDL - nascentní A, C, E LCAT CH tkání A C FL, ECH A E CH, TAG FL, ECH C E HDL CETP HDL 2 3 TAG, CH ECH chylomikrony VLDL, IDL LDL HDL se syntetizují v játrech a v enterocytech jako diskovité nascentni HDL. Působením lecitin-cholesterol-acyltransferasy (LCAT) dochází k esterifikaci volného choleserolu, který migruje do středu částice, HDL se zakulacují, vyměňují si složky s ostatními lipoproteiny a nakonec se vychytávají zpět do jater. HDL je jediná částice schopná transportovat cholesterol z periferie do jater.

nCH CH JÁTRA STŘEVO PERIFERNÍ nHDL HDL3 TKÁŇ HDL2 Ch Ch VLDL IDL nVLDL B STŘEVO nCH B B C A C LPL CH CHr ChE E A CETP apo C,E apo A,C A C nHDL HDL3 lysolecithin PERIFERNÍ TKÁŇ E A LCAT HDL2 CETP ChE ChE apo C,E apo C Ch B LPL Ch B VLDL B C E C IDL nVLDL E ChE E LPL B LDL

Přehled zkratek použitých ve schématech VLDL – lipoproteiny s velmi nízkou hustotou LDL – lipoproteiny s nízkou hustotou IDL – lipoproteiny se střední hustotou HDL – lipoproteiny s vysokou hustotou TAG – triacylglyceroly NEMK – neesterifikované mastné kyseliny FL – fosfolipidy CH – cholesterol ECH – estery cholesterolu A, B, C , E – typy proteinů (apolipoproteiny) v lipoproteinových částicích CETP– bílkoviny přenášející estery cholesterolu LPL – lipoproteinová lipasa LCAT – lecithin-cholesterolacyltransferasa

Syntéza triacylglycerolů (TAG) lokalizace: tuková tkáň, játra zdroje: MK + glycerol-3-fosfát  glycerol z glykolýzy (redukcí dihydroxyacetonfosfátu) glycerol z degradovaných tuků (4 %) průběh: Ke glycerol-3-fosfátu se připojí 2 acylCoA, vznikne kyselina fosfatidová, odštěpí se fosfát a naváže se třetí MK.

Syntéza mastných kyselin lokalizace: cytosol (játra, tuk. tkáň, ledviny, mozek, plíce, laktující mléčná žláza) průběh: opačný sled β- oxidace, jiné enzymy a kofaktory intermediáty vázány na ACP přes skupinu –SH enzymy sdružené do multifunkčního enzymu – synthasa MK ACP – acyl carrier protein (protein nesoucí acyly)

Syntéza mastných kyselin Transport acetyl-CoA z mitochondrií do cytosolu obrácený citrátový cyklus citrát citrát oxalacetát acetyl-CoA oxalacetát acetyl-CoA malát pyruvát pyruvát CO2 cytosol mitochondrie

Syntéza mastných kyselin Vlastní syntéza v cytosolu acetyl-CoA (2) CO2 palmitát (16) - ATP β-oxoacyl-ACP (6) malonyl-CoA (3) CO2 malonyl-ACP (3) malonyl-ACP (3) butyryl-ACP (4) acetyl-CoA (2) CO2 opak β-oxidace acetoacetyl-ACP (4)

Syntéza dlouhých MK Mitochondrie průběh: opačný sled β- oxidace (navazování acetyl-CoA na 16C acyl-CoA) ale: hydrogenace pomocí NADH+H+ (ne FADH2) elongasy Endoplazmatické retikulum průběh: navazování malonyl-CoA na 16C acyl-CoA bez proteinu ACP na derivátu CoA

Syntéza nenasycených MK lokalizace: játra, endoplasmatické retikulum desaturasy (nehemové enzymy obsahující Fe) modifikací nasycených MK přes acyl-CoA k. palmitová (16) k. palmitoyl-CoA k. palmitoolejová (16:1) k. stearová (18) k. stearoyl-CoA k. olejová (18:1) esenciální MK: linolová a α-linolenová

Ketogeneze CH3COCH2COO- k. acetooctová k. β-hydroxymáselná aceton CH3CHCH2COO- OH CH3COCH3 lokalizace: játra význam: živiny pro periferie (srdeční a kosterní svaly, ledviny) rozsah: podle množství VMK

Ketogeneze acetyl-CoA + acetyl-CoA CH3 -OOC-CH2-C-CH2-CO-S-CoA OH acetoacetyl-CoA acetyl-CoA β-hydroxy-β-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) lyasa acetoacetát acetyl-CoA NADH+H+ CO2 cholesterol β-hydroxybutyrát aceton dýchání (moč)

Ketóza příčina: vysoká hladina ketolátek v krvi U zdravých jedinců: po dlouhém hladovění strava s přemírou tuků s minimem sacharidů velmi namáhavá práce U nemocných jedinců: diabetes mellitus – ketonémie a ketoacidóza

Využití ketolátek acetoacetát β-hydroxybutyrát acetoacetyl-CoA NADH+H+ acetoacetyl-CoA dýchací řetězec acetyl-CoA + acetyl-CoA citrátový cyklus

Složené lipidy FOSFOLIPIDY = fosfatidy H3PO4 + dusíkatá hydroxysloučenina funkce: emulgátory umožňují transport tuků v organismu součást buněčných membrán glycerofosfolipidy - nejčastější GLYKOLIPIDY cerebrosidy gangliosidy místo fosfátu je sacharid funkce: myelinové pochvy v nervové tkáni antigenní struktury na povrchu buněk

Glykolipidy ceramid-OH cerebrosidy v podstatě mezistupeň gangliosidů gangliosidy významná role v imunitních pochodech sulfatidy = sulfáty glykosylceramidů 15 % lipidů bílé hmoty mozku globosidy např. laktosylceramid UDP-gal UDP-deriváty monosacharidů UDP-glc CDP-N-acetyl neuraminát cerebrosid UDP-deriváty gangliosid PAPS sulfatid

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 2uhlíkový 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