Lipiididmängivad olulist rolli rakkude ainevahetuses. Kõik lipiidid on orgaanilised vees lahustumatud ühendid, mida leidub kõigis elusrakkudes. Vastavalt nende funktsioonidele jagunevad lipiidid kolme rühma:
- rakumembraanide struktuursed ja retseptorlipiidid
- rakkude ja organismide energia "ladu".
- "lipiidide" rühma vitamiinid ja hormoonid
Lipiidid koosnevad rasvhape(küllastunud ja küllastumata) ja orgaaniline alkohol - glütserool. Põhiosa rasvhappeid saame toidust (loomsed ja taimsed). Loomsed rasvad on segu küllastunud (40-60%) ja küllastumata (30-50%) rasvhapetest. Taimsed rasvad on kõige rikkamad (75-90%) küllastumata rasvhapete poolest ja on meie kehale kõige kasulikumad.
Peamist rasvade massi kasutatakse energia metabolismiks, lõhustades spetsiaalsete ensüümide abil - lipaasid ja fosfolipaasid. Selle tulemusena saadakse rasvhapped ja glütserool, mida kasutatakse edasi glükolüüsi ja Krebsi tsükli reaktsioonides. ATP molekulide tekke seisukohalt - rasvad moodustavad loomade ja inimeste energiavarude aluse.
Eukarüootne rakk saab rasvu toidust, kuigi suudab ise sünteesida enamikku rasvhappeid ( välja arvatud kaks asendamatut– linool- ja linoleenhape). Süntees algab rakkude tsütoplasmas kompleksse ensüümide komplekti abil ja lõpeb mitokondrites või sileda endoplasmaatilise retikulumiga.
Enamiku lipiidide (rasvad, steroidid, fosfolipiidid) sünteesi algproduktiks on "universaalne" molekul - atsetüül-koensüüm A (aktiveeritud äädikhape), mis on enamiku rakus toimuvate katabolismireaktsioonide vaheprodukt.
Rasvu on igas rakus, kuid eriti palju on neid spetsiaalsetes rakkudes. rasvarakud - adipotsüüdid moodustades rasvkude. Rasvade ainevahetust organismis kontrollivad spetsiaalsed hüpofüüsi hormoonid, samuti insuliin ja adrenaliin.
Süsivesikud(monosahhariidid, disahhariidid, polüsahhariidid) on energia metabolismi reaktsioonide jaoks kõige olulisemad ühendid. Süsivesikute lagunemise tulemusena saab rakk suurema osa energiast ja vaheühenditest teiste orgaaniliste ühendite (valgud, rasvad, nukleiinhapped) sünteesiks.
Suurema osa suhkrutest, mida rakk ja organism saavad väljastpoolt – toidust, kuid suudavad sünteesida glükoosi ja glükogeeni mittesüsivesikutest ühenditest. Erinevat tüüpi süsivesikute sünteesi substraatideks on piimhappe (laktaat) ja püroviinamarihappe (püruvaat), aminohapete ja glütserooli molekulid. Need reaktsioonid toimuvad tsütoplasmas terve ensüümide kompleksi - glükoosfosfataaside - osalusel. Kõik sünteesireaktsioonid nõuavad energiat – 1 glükoosimolekuli sünteesiks on vaja 6 ATP molekuli!
Suurem osa oma glükoosi sünteesist toimub maksa ja neerude rakkudes, kuid ei lähe südamesse, ajju ja lihastesse (puuduvad vajalikud ensüümid). Seetõttu mõjutavad süsivesikute ainevahetuse häired eelkõige nende organite tööd. Süsivesikute ainevahetust kontrollib hormoonide rühm: hüpofüüsi hormoonid, neerupealiste glükokortikosteroidhormoonid, insuliin ja pankrease glükagoon. Süsivesikute ainevahetuse hormonaalse tasakaalu häired põhjustavad diabeedi väljakujunemist.
Vaatasime lühidalt üle plastivahetuse põhiosad. Saab rida teha üldised järeldused:
Lipiidide biosünteesi reaktsioonid võivad toimuda kõigi elundite rakkude siledas endoplasmaatilises retikulumis. Substraat rasva sünteesiks de novo on glükoos.
Nagu teate, muundatakse glükoos rakku sattudes glükogeeniks, pentoosiks ja oksüdeeritakse püroviinamarihappeks. Kui varu on suur, kasutatakse glükogeeni sünteesiks glükoosi, kuid seda võimalust piirab raku maht. Seetõttu "langeb glükoos läbi" glükolüüsi ja muundatakse püruvaadiks kas otse või pentoosfosfaadi šundi kaudu. Teisel juhul moodustub NADPH, mida hiljem läheb vaja rasvhapete sünteesiks.
Püruvaat siseneb mitokondritesse, dekarboksüleerub atsetüül-SCoA-ks ja siseneb TCA tsüklisse. Siiski võimeline puhata, kell puhata, ülejäägi juuresolekul energiat rakus blokeeritakse TCA reaktsioonid (eriti isotsitraadi dehüdrogenaasi reaktsioon) liigse ATP ja NADH poolt.
Üldskeem triatsüülglütseroolide ja kolesterooli biosünteesiks glükoosist
Oksaloatsetaat, mis moodustub samuti tsitraadist, redutseeritakse malaatdehüdrogenaasi toimel õunhappeks ja tagastatakse mitokondritesse.
- malaat-aspartaadi süstikumehhanismi abil (joonisel pole näidatud),
- pärast malaadi dekarboksüülimist püruvaat NADP-sõltuv maleiinensüüm. Moodustunud NADPH-d kasutatakse rasvhapete või kolesterooli sünteesiks.
Kui kunagi suures koguses süsivesikuid kehasse sisenedes kasutatakse neid kas kohe energia saamiseks või säilitatakse glükogeeni kujul ning nende liig muundatakse kiiresti triglütseriidideks ja talletatakse sellisel kujul rasvkoesse. Inimestel moodustub enamik triglütseriide maksas, kuid väga väikesed kogused võivad tekkida rasvkoes endas. Maksas moodustunud triglütseriidid transporditakse peamiselt väga madala tihedusega lipoproteiinidena rasvkoesse, kus neid hoitakse.
Atsetüül-CoA muundamine rasvhapeteks. Triglütseriidide sünteesi esimene samm on süsivesikute muundamine atsetüül-CoA-ks.
See juhtub tavalise jagamise ajal glükoos glükolüütiline süsteem. Kuna rasvhapped on suured äädikhappe polümeerid, on lihtne ette kujutada, kuidas atsetüül-CoA saab muundada rasvhappeks. Kuid rasvhapete süntees ei ole tagatud pelgalt oksüdatiivse lõhustamisreaktsiooni suuna muutmisega. See süntees viiakse läbi joonisel näidatud kaheetapilise protsessiga, kasutades polümerisatsiooniprotsessi peamiste vahendajatena malonüül-CoA ja NADP-H.
Rasvhapete assotsiatsioon a-glütserofosfaadiga triglütseriidide moodustamisel. Niipea, kui sünteesitud rasvhappeahelad hakkavad sisaldama 14–18 süsinikuaatomit, interakteeruvad nad glütserooliga, moodustades triglütseriide. Seda reaktsiooni katalüüsivad ensüümid on väga spetsiifilised rasvhapete suhtes, mille ahela pikkus on 14 süsinikuaatomit või rohkem, mis on tegur, mis kontrollib organismis talletatud triglütseriidide struktuurset vastavust.
Glütserooli moodustumine triglütseriidi molekuli osad seda annab a-glütserofosfaat, mis on glükoosi glükolüütilise lagunemise kõrvalsaadus.
Süsivesikute rasvadeks muutmise efektiivsus. Triglütseriidide sünteesi käigus läheb soojusena kaotsi vaid 15% glükoosis potentsiaalselt sisalduvast energiast. Ülejäänud 85% muundatakse salvestatud triglütseriidide energiaks.
Rasvade sünteesi ja säilitamise tähtsus. Rasvade süntees süsivesikutest on eriti oluline kahe asjaolu tõttu.
1. Võime erinevate rakud keha süsivesikute säilitamiseks glükogeeni kujul on nõrgalt väljendunud. Maksas, skeletilihastes ja kõigis teistes kehakudedes võib talletada vaid paarsada grammi glükogeeni. Samal ajal saab talletada kilogramme rasva, seega on rasvade süntees viis, kuidas liigses süsivesikute (ja valkude) tarbimises sisalduvat energiat saab talletada, et seda hiljem kasutada. Energiahulk, mida inimkeha rasvade kujul talletab, on ligikaudu 150 korda suurem kui süsivesikute kujul talletatav energia hulk.
2. Iga gramm rasva sisaldab peaaegu 2,5 korda rohkem energiat kui iga gramm süsivesikuid. Seetõttu suudab keha sama kehakaalu juures salvestada mitu korda rohkem energiat rasvana kui süsivesikutena, mis on eriti oluline juhul, kui ellujäämiseks on vajalik suur liikuvus.
Vähendatud rasva süntees süsivesikutest insuliini puudumisel. Insuliini puudumisel, nagu raske suhkurtõve korral, sünteesitakse vähe rasvu, kui üldse, järgmistel põhjustel. Esiteks ei saa glükoos insuliini puudumisel olulistes kogustes sattuda rasvkoesse ja maksarakkudesse, mis ei taga piisavas koguses rasvade sünteesiks vajalike atsetüül-CoA ja NADP-H teket. glükoosi metabolismi ajal. Teiseks vähendab glükoosi puudumine rasvarakkudes oluliselt saadaoleva glütserofosfaadi hulka, mis takistab ka triglütseriidide teket.
Lipiidide biosünteesi reaktsioonid võivad toimuda kõigi elundite rakkude siledas endoplasmaatilises retikulumis. Substraat rasva sünteesiks de novo on glükoos.
Nagu teate, muundatakse glükoos rakku sattudes glükogeeniks, pentoosiks ja oksüdeeritakse püroviinamarihappeks. Kui varu on suur, kasutatakse glükogeeni sünteesiks glükoosi, kuid seda võimalust piirab raku maht. Seetõttu "langeb glükoos läbi" glükolüüsi ja muundatakse püruvaadiks kas otse või pentoosfosfaadi šundi kaudu. Teisel juhul moodustub NADPH, mida hiljem läheb vaja rasvhapete sünteesiks.
Püruvaat siseneb mitokondritesse, dekarboksüleerub atsetüül-SCoA-ks ja siseneb TCA tsüklisse. Siiski võimeline puhata, kell puhata, ülejäägi juuresolekul energiat rakus blokeeritakse TCA reaktsioonid (eriti isotsitraadi dehüdrogenaasi reaktsioon) liigse ATP ja NADH poolt.
Üldskeem triatsüülglütseroolide ja kolesterooli biosünteesiks glükoosist
Oksaloatsetaat, mis moodustub samuti tsitraadist, redutseeritakse malaatdehüdrogenaasi toimel õunhappeks ja tagastatakse mitokondritesse.
- malaat-aspartaadi süstikumehhanismi abil (joonisel pole näidatud),
- pärast malaadi dekarboksüülimist püruvaat NADP-sõltuv maleiinensüüm. Moodustunud NADPH-d kasutatakse rasvhapete või kolesterooli sünteesiks.
Rasvadest süsivesikute sünteesi protsessi saab kujutada üldise skeemi abil:
Joonis 7 – Üldskeem süsivesikute sünteesiks rasvadest
Üks peamisi lipiidide laguprodukte, glütserool, on kergesti kasutatav süsivesikute sünteesil glütseraldehüüd-3-fosfaadi moodustumisel ja selle sisenemisel gluneogeneesi. Taimedes ja mikroorganismides on see kergesti kasutatav ka süsivesikute ja teise olulise lipiidide laguprodukti – rasvhapete (atsetüül-CoA) sünteesiks läbi glüoksülaadi tsükli.
Kuid üldine skeem ei kajasta kõiki biokeemilisi protsesse, mis tekivad rasvadest süsivesikute moodustumisel.
Seetõttu kaalume selle protsessi kõiki etappe.
Süsivesikute ja rasvade sünteesi skeem on üksikasjalikumalt esitatud joonisel 8 ja see toimub mitmes etapis.
1. etapp. Rasva hüdrolüütiline lagunemine lipaasi ensüümi toimel glütserooliks ja kõrgemateks rasvhapeteks (vt punkt 1.2). Hüdrolüüsiproduktid peavad pärast rea muundumist muutuma glükoosiks.
Joonis 8 – Rasvadest süsivesikute biosünteesi skeem
2. etapp. Kõrgemate rasvhapete muundumine glükoosiks. Kõrgemad rasvhapped, mis tekkisid rasvade hüdrolüüsi tulemusena, hävivad peamiselt b-oksüdatsiooni teel (seda protsessi käsitleti varem punktis 1.2, lõigus 1.2.2). Selle protsessi lõpptooteks on atsetüül-CoA.
Glüoksülaadi tsükkel
Taimed, mõned bakterid ja seened võivad kasutada atsetüül-CoA-d mitte ainult Krebsi tsüklis, vaid ka tsüklis, mida nimetatakse glüoksülaadiks. See tsükkel mängib olulist rolli lülina rasvade ja süsivesikute ainevahetuses.
Glüoksülaadi tsükkel toimib eriti intensiivselt spetsiaalsetes rakulistes organellides, glüoksisoomides, õliseemnete idanemise ajal. Sel juhul muudetakse rasv seemiku arenguks vajalikeks süsivesikuteks. See protsess toimib seni, kuni seemikul tekib fotosünteesivõime. Kui varurasv on idanemise lõpus ammendunud, kaovad rakus olevad glüoksisoomid.
Glüoksülaadi rada on spetsiifiline ainult taimede ja bakterite jaoks, loomorganismides see puudub. Glüoksülaadi tsükli toimimise võimalikkus on tingitud asjaolust, et taimed ja bakterid on võimelised sünteesima ensüüme nagu nt. isotsitraatlüaas ja malaadi süntaas, mis koos mõnede Krebsi tsükli ensüümidega osalevad glüoksülaadi tsüklis.
Atsetüül-CoA oksüdatsiooni skeem glüoksülaadi raja kaudu on näidatud joonisel 9.
Joonis 9 - Glüoksülaadi tsükli skeem
Glüoksülaadi tsükli kaks algreaktsiooni (1 ja 2) on identsed trikarboksüülhappe tsükli reaktsioonidega. Esimeses reaktsioonis (1) kondenseeritakse atsetüül-CoA oksaloatsetaadiga tsitraadi süntaasi abil, moodustades tsitraadi. Teises reaktsioonis isomeriseerub tsitraat isotsitraadiks akonitaathüdrataasi osalusel. Järgmised glüoksülaadi tsüklile omased reaktsioonid katalüüsivad spetsiaalsed ensüümid. Kolmandas reaktsioonis lõhustatakse isotsitraat isotsitraatlüaasi toimel glüoksüülhappeks ja merevaikhappeks:
Neljanda reaktsiooni käigus, mida katalüüsib malaadi süntaas, kondenseerub glüoksülaat atsetüül-CoA-ga (teine atsetüül-CoA molekul, mis siseneb glüoksülaadi tsüklisse), moodustades õunhappe (malaadi):
Seejärel oksüdeeritakse malaat viiendas reaktsioonis oksaloatsetaadiks. See reaktsioon on identne trikarboksüülhappe tsükli lõppreaktsiooniga; see on ka glüoksülaadi tsükli viimane reaktsioon, sest saadud oksaloatsetaat kondenseerub uuesti uue atsetüül-CoA molekuliga, alustades seeläbi tsükli uut pööret.
Glüoksülaadi tsükli kolmandas reaktsioonis tekkinud merevaikhapet selles tsüklis ei kasutata, vaid see läbib edasisi muundumisi.
