Функции липидов в организме

В одной клетке может находиться до 1000 различных видов липидных молекул. В связи с этим можно отметить, что функционал липидов в организме очень разносторонний и широкий: 

• Энергетическая функция.

Жиры являются наиболее эффективным и долговременным источником энергии для организма. При сжигании 1 грамма жира в организме человека образуется 38 кДЖ энергии (что в 2 раза больше, нежели окисление или сжигание белка или углевода);

• Структурная функция.

Липиды составляют основу многих клеточных мембран и защищают их от вредного воздействия окружающей среды. 

Поэтому структурная функция липидов заключается в:

1. Формировании барьерного слоя мембраны, который сохраняет целостность клетки и защищает ее от внешней среды;

2. Регулирует проницаемость мембраны, что позволяет клетке контролировать перемещение веществ через нее;

3. Участии в переносе некоторых веществ через мембраны с помощью транспортных белков;

4.  Участии в сигнальных процессах между клетками и внутри нее;

5. Участии в процессах измельчения пищи и усвоения питательных веществ в кишечнике.

Также липиды являются хранилищем энергии для клеток и играют роль в синтезе гормонов и других биологически активных веществ.

• Регуляторная функция.

Липиды регулируют рост и развитие, участвуют в гормональном балансе, обеспечивают мембранный потенциал клеток и принимают участие в механизмах иммунного ответа.

Холестерол является одним из наиболее важных липидов, выполняющих регуляторную функцию в организме. Он используется для производства гормонов, таких как эстроген и тестостерон, а также для синтеза витамина D. Кроме того, это важный компонент клеточных мембран, который обеспечивает их структурную прочность и устойчивость.

Другие липиды, такие как фосфолипиды и гликосфинголипиды, также играют регуляторную роль в клеточных мембранах, регулируя проницаемость клеток и обеспечивая защиту от окружающей среды.

• Защитная функция.

Жиры служат защитой от механических повреждений внутренних органов и удерживают тепло, предотвращая переохлаждение.

• Транспортная функция.

Липиды переносят фосфолипиды, холестерол, витамины и другие вещества через клеточные мембраны.

• Запасающая.

Липиды содержат более чем в два раза больше калорий, чем углеводы или белки. Поэтому запасы липидов в организме используются в качестве источника энергии в периоды голодания или дефицита питания.

Биохимия и метаболизм липидов

Биохимия липидов изучает структуру, функцию, метаболизм и биосинтез липидов в живых организмах. Структура веществ может различаться в зависимости от их функций. Например, фосфолипиды представлены глицерофосфолипидами, которые состоят из глицерина, двух жирных кислот и фосфатной группы.  Жирные кислоты, в свою очередь, имеют различную длину цепей и насыщенность, что влияет на их взаимодействие с другими молекулами и метаболические функции.

Метаболизм липидов включает их расщепление и синтез. Расщепление липидов происходит в процессе бета-окисления в митохондриях и бета-окисления в пероксисомах, а синтез липидов происходит в РЭТ и гладком эндоплазматическом ретикулуме. Организм должен поддерживать баланс между расщеплением и синтезом липидов для стабилизации оптимального уровня энергии и функционирования.

Биосинтез липидов включает множество ферментативных реакций, в том числе – синтез жирных кислот, образование триглицеридов и фосфолипидов. Продукты биосинтеза липидов используются организмом для различных целей, например, образования липопротеинов, оболочек клеток и миелина, и запасов энергии.

Общие процессы метаболизма липидов включают:

•  Липолиз - разрушение жиров для получения энергии.

Липолиз является важнейшим энергетическим процессом в клетке, который обеспечивает синтез самого большого количества АТФ. Например, при окислении одной молекулы пальмитата (CH₃(CH₂)₁₄COOH), образуется 131 молекула АТФ, две из которых используются для активации пальмитата.

На процесс липолиза оказывают стимулирующее воздействие гормоны глюкагон, адреналин и тироксин (у взрослых). Противоположное действие оказывает инсулин, который стимулирует фосфодиэстеразу, расщепляющую цАМФ — молекулу вторичного посредника, что тормозит процесс липолиза.

•  Липогенез - синтез жиров из углеводов или белков.

Липогенез включает как процесс синтеза жирных кислот, так и синтез триглицеридов (где жирная кислота этерифицированная до глицерина). Продукты секретируются из печени в виде липопротеинов очень низкой плотности (VLDL). Далее частицы VLDL всасываются непосредственно в кровь, где они созревают и функционируют для доставки эндогенных липидов в периферические ткани.

Синтез жирных кислот начинается с ацетил-КоА и накапливается путем добавления двухуглеродных единиц. Синтез происходит в цитоплазме клетки, в отличие от окисления, которое происходит в митохондриях. Многие из ферментов синтеза жирных кислот образуют мультиферментный комплекс под названием синтаза жирной кислоты. Основные производители жирных кислот — это жировая ткань и печень.

• Бета-окисление - процесс, в результате которого жиры разрушаются в митохондриях для получения энергии.

В биохимии и метаболизме, бета-окисление - это катаболический процесс, посредством которого молекулы жирных кислот расщепляются в цитозоле у прокариот и в митохондриях у эукариот с образованием ацетил-КоА. Ацетил-КоА вступает в цикл лимонной кислоты, образуя NADH и FADH₂, которые являются переносчиками электронов, используемыми в цепи переноса электронов. Он назван так потому, что бета-углерод цепи жирных кислот подвергается окислению и превращается в карбонильную группу, чтобы начать цикл заново. Бета-окислению в первую очередь способствует митохондриальный трехфункциональный белок, ферментный комплекс, связанный с внутренней митохондриальной мембраной, хотя жирные кислоты с очень длинной цепью окисляются в пероксисомах.

Общая реакция для одного цикла бета-окисления равна:

C_n-ацил-КоА + FAD + NAD⁺ + H ₂O + CoA → C_n-2-ацил-КоА + FADH₂ + NADH + H⁺ + ацетил-КоА

Свободные жирные кислоты не могут проникать ни через какие биологические мембраны из-за их отрицательного заряда. Свободные жирные кислоты должны проникать через клеточную мембрану через специфические транспортные белки, такие как белки-переносчики жирных кислот семейства SLC27. Оказавшись в цитозоле, следующие процессы переносят жирные кислоты в матрикс митохондрий, чтобы могло происходить бета-окисление.

1. Длинноцепочечная лигаза жирных кислот-КоА катализирует реакцию жирной кислоты с АТФ с образованием жирного ациладенилата плюс неорганического пирофосфата, который затем вступает в реакцию со свободным коферментом A с образованием жирного эфира ацил-КоА и AMP.

2. Если жирный ацил-КоА имеет длинную цепь, то необходимо использовать карнитиновый челнок (показано в таблице ниже):

   • Ацил-КоА переносится на гидроксильную группу карнитина с помощью карнитинпальмитоилтрансферазы I, расположенной на цитозольных поверхностях внешней и внутренней митохондриальных мембран.

   • Ацилкарнитин переносится внутрь с помощью карнитин-ацилкарнитиновой транслоказы, так же как карнитин переносится наружу.

   • Ацилкарнитин превращается обратно в ацил-КоА с помощью карнитинпальмитоилтрансферазы II, расположенной на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны. Высвобожденный карнитин перемещается обратно в цитозоль, по мере того как ацилкарнитин перемещается в матрикс.

3. Если жирный ацил-КоА содержит короткую цепь, эти короткоцепочечные жирные кислоты могут просто диффундировать через внутреннюю митохондриальную мембрану.

Как только жирная кислота оказывается внутри митохондриального матрикса, происходит бета-окисление путем расщепления двух атомов углерода за каждый цикл с образованием ацетил-КоА. Процесс состоит из 4 этапов.

1. Длинноцепочечная жирная кислота дегидрируется с образованием транс-двойной связи между C2 и C3. Это катализируется ацил-КоА-дегидрогеназой с образованием транс-дельта-2-еноил-КоА. Он использует FAD в качестве акцептора электронов и восстанавливается до FADH₂.

2. Транс-дельта 2-еноил-КоА гидратируется по двойной связи с образованием L-3-гидроксиацил-КоА с помощью еноил-КоА-гидратазы.

3. L-3-гидроксиацил-КоА снова дегидрируется с образованием 3-кетоацил-КоА с помощью 3-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназы. Этот фермент использует NAD в качестве акцептора электронов.

4. Тиолиз происходит между C2 и C3 (альфа- и бета-углеродами) 3-кетоацил-КоА. Фермент тиолаза катализирует реакцию, когда новая молекула кофермента А разрывает связь путем нуклеофильной атаки на C3. При этом высвобождаются первые две углеродные единицы в виде ацетил-КоА и жирный ацил-КоА минус два атома углерода. Процесс продолжается до тех пор, пока весь углерод в жирной кислоте не превратится в ацетил-КоА.

Затем этот ацетил-КоА вступает в митохондриальный цикл трикарбоновых кислот (цикл TCA). Как бета-окисление жирных кислот, так и цикл TCA продуцируют NADH и FADH₂, которые используются цепью переноса электронов для выработки АТФ.

Жирные кислоты окисляются большинством тканей организма. Однако некоторые ткани, такие как эритроциты млекопитающих (которые не содержат митохондрий) и клетки центральной нервной системы, не используют жирные кислоты для удовлетворения своих энергетических потребностей, а вместо этого используют углеводы или кетоновые тела.