ΛΙΠΙΔΙA Βιολογική Χημεία Ι Χριστίνα Πιπέρη Επ. Καθηγήτρια Εργαστήριο Βιολογικής Χημείας Ιατρική Σχολή Παν/ου Αθηνών cpiperi@med.uoa.gr

ΛΙΠΙΔΙΑ Τα βιολογικά λιπίδια είναι χημικώς ετερογενείς ομάδες ενώσεων με κοινό χαρακτηριστικό ότι είναι αδιάλυτες στο ύδωρ Έχουν ετερογενείς βιολογικές ιδιότητες Πολλαπλές βιολογικές ιδιότητες: Αποθηκευτικό ρόλο, δομικά λιπίδια, συμπαράγοντες ενζύμων, μεταφορείς ηλεκτρονίων, φωτοδεσμευτικές χρωστικές, υδρόφοβες άγκυρες για τις πρωτεΐνες γαλακτωματοποιητές πεπτικής οδού, ορμόνες ενδοκυτταρικοί αγγελιοφόροι

Ιδιότητες λιπιδίων Τα λιπίδια είναι αδιάλυτα στα νερό διότι οι μακριές υδρογονανθρακικές αλυσίδες των λιπαρών οξέων δεν σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου - περιορισμένη διαλυτότητα στο νερό κα τείνουν να συνδέονται μεταξύ τους ή με άλλες υδρόφοβες ομάδες, όπως οι στερόλες και οι υδρόφοβες αλυσίδες αμινοξέων Σημαντική μορφή αποθήκευσης ενέργειας: με βάση το βάρος τους παράγουν σε πλήρη οξείδωση 2,5 φορές περισσότερο ΑΤΡ από το γλυκογόνο - η ενεργειακή απόδοση ανά γραμμάριο αποθηκευμένης τριακυλογλυκερόλης είναι περίπου τέσσερις φορές η ενέργεια του γλυκογόνου Άτομο 70 kg αποθηκεύει 350gr γλυκογόνου στο ήπαρ και στους μύες (1400kcal), ενώ περιέχει 10 κιλά τριακυλογλυκερόλης (επαρκεί για να επιβιώσει αρκετές εβδομάδες ασιτίας)

Ι. Αποθηκευτικά λιπίδια Τα λίπη και τα έλαια που χρησιμοποιούνται ως μορφές αποθήκευσης της ενέργειας στους ζωντανούς οργανισμούς είναι παράγωγα των λιπαρών οξέων 2 είδη ενώσεων περιέχουν λιπαρά οξέα: τα τριγλυκερίδια και οι κηροί Τα λιπαρά οξέα είναι παράγωγα υδρογονανθράκων Τα λιπαρά οξέα είναι καρβοξυλικά οξέα με υδρογονανθρακικές αλυσίδες από 4-36 C Η αλυσίδα μπορεί να είναι ευθύγραμμη ή διακλαδισμένη, πλήρως κορεσμένη (δεν περιέχει κανένα διπλό δεσμό) ή μη κορεσμένη (ακόρεστη)

Ονοματολογία λιπαρών οξέων Ορίζει το μήκος της αλυσίδας, τον αριθμό και τη θέση των διπλών δεσμών π.χ. Εικοσιτετραενοϊκό οξύ - 20:4 (Δ 5,8,11,14) Τα πιο συχνά λιπαρά οξέα έχουν άρτιο αριθμό ατόμων άνθρακα σε μη διακλαδισμένη αλυσίδα με 12 έως 24 άτομα άνθρακα Οι πιο συχνή διπλοί δεσμοί είναι στις θέσεις C9-C10 Σε όλα σχεδόν τα ακόρεστα λιπαρά οξέα που υπάρχουν στην φύση οι δεσμοί είναι cis-

Trans- λιπαρά οξέα Παράγονται με ζύμωση στον προστόμαχο των γαλακτοπαραγωγών ζώων Προέρχονται από γαλακτοκομικά προϊόντα και κρέας ή την υδρογόνωση ιχθυελαίων και φυτικών ελαίων H δίαιτα που περιλαμβάνει πολλά trans- λιπαρά οξέα συσχετίζεται με υψηλές τιμές λιποπρωτείνης LDL στο αίμα και μειωμένη HDL (π.χ. τηγανητές πατάτες, σνακς, μπισκότα)

Φυσικές ιδιότητες λιπαρών οξέων Οι φυσικές ιδιότητες των λιπαρών οξέων καθορίζονται από: - το μήκος της υδρογονανθρακικής αλυσίδας - τον αριθμό των διπλών δεσμών Η μη πολική υδρογονανθρακική αλυσίδα ευθύνεται για την μικρή διαλυτότητα τους στο ύδωρ Τα σημεία τήξης επηρεάζονται από το μήκος και το βαθμό κορεσμού της αλυσίδας π.χ. Σε 25οC: τα κορεσμένα λιπαρά οξέα = κηρώδη σύσταση τα ακόρεστα = ελαιώδη υγρά Η διαφορά ως προς το σημείο τήξης οφείλεται στο διαφορετικό βαθμό συσκευασίας των λιπαρών οξέων

Συσκευασία λιπαρών οξέων σε σταθερές συναθροίσεις Στεαρικό οξύ: Πλήρως κορεσμένο, ελεύθερη περιστροφή, ευλυγισία Ελαϊκό οξύ: Ένας cis διπλός δεσμός δεν επιτρέπει την περιστροφή Η παρουσία διπλών δεσμών οδηγεί σε ασταθείς συναθροίσεις Συμπαγείς δομές Η έκταση της συσκευασίας εξαρτάται από το βαθμό κορεσμού

Μερικά λιπαρά οξέα που υπάρχουν στη φύση

Στα σπονδυλωτά, τα ελεύθερα λιπαρά οξέα (μη εστεροποιημένα, με ελεύθερη καρβοξυλική ομάδα) κυκλοφορούν στο αίμα συνδεδεμένα μη ομοιοπολικά με την πρωτεΐνη-φορέα: λευκωματίνη (αλβουμίνη) του ορού

Παθολογικές συνέπειες Ο μεταβολισμός των λιπαρών οξέων είναι τόσο σημαντικός που ανισορροπίες και ανεπάρκειες σε αυτές τις διαδικασίες μπορεί να έχουν σοβαρές παθολογικές συνέπειες στους ανθρώπους: Παχυσαρκία Σακχαρώδης διαβήτης Κετοξέωση (καταβολική κατάσταση με υπεργλυκαιμία, υπερωσμωτικότητα, αυξημένη λιπόλυση με κετογένεση) Γενετικές ασθένειες: νόσος Refsum, ανεπάρκεια σε καρνιτίνη και στο μεταβολισμό των λιπαρών οξέων

Τριακυλογλυκερόλες Τα απλούστερα λιπίδια που συντίθενται από λιπαρά οξέα είναι οι τριακυλογλυκερόλες ή τριγλυκερίδια Τριακυλογλυκερόλες: μη πολικά, υδρόφοβα μόρια, αδιάλυτα στο ύδωρ. Μικρότερο ειδικό βάρος από το ύδωρ. Δομή: τρία λιπαρά οξέα καθένα εκ των οποίων συνδέεται με εστερικό δεσμό μ’ ένα μόριο γλυκερόλης Τα λιπαρά οξέα μπορεί να είναι τα ίδια (απλές τριακυλογλυκερόλες) ή διαφορετικά (μικτές τριακυλογλυκερόλες)

Γλυκερόλη –τριακυλογλυκερόλη Μικτή τριακυλογλυκερόλη με 3 διαφορετικά λιπαρά οξέα

Οι τριακυλογλυκερόλες παρέχουν αποθηκευμένη ενέργεια και μόνωση Λιποσταγονίδια: αποθήκες μεταβολικών καυσίμων Πλεονεκτήματα: 1) η οξείδωση των λιπαρών οξέων αποδίδει διπλάσια και πλέον ενέργεια από την οξείδωση των υδρογονανθράκων (π.χ. γλυκογόνου) 2) Οι τριακυλογλυκερόλες είναι υδρόφοβες και γι’ αυτό άνυδρες Άτομα με μέτρια παχυσαρκία διαθέτουν 15-20 kg τριακυλογλυκερολών αποθηκευμένων στα λιποκύτταρα τους Λίπος: μόνωση (φώκιες, θαλάσσιοι ελέφαντες, πιγκουίνοι κ.α.) Χειμέρια νάρκη: μόνωση για τις χαμηλές θερμοκρασίες και αποθήκευση ενέργειας Φάλαινες: απόθεμα τρακυλογλυκερολών και κηρών επιτρέπει στα ζώα να ταιριάζουν την ανωτική πυκνότητα του σώματος με αυτή του περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια των καταδύσεων σε κρύο νερό

Το λίπος αποθηκεύεται στα κύτταρα 4 λιποκύτταρα ινδοχοίρου με τεράστια λιποσταγονίδια – εγκάρσια τομή Κύτταρο κοτυληδόνας από ένα σπόρο φυτού φαίνονται τα ανοιχτόχρωμα ελαιώδη σωμάτια εγκάρσια διατομή Τα λιποκύτταρα και οι σπόροι περιέχουν λιπάσες: ένζυμα που υδρολύουν τις τριακυλογλυκερόλες

Πολλά τρόφιμα περιέχουν τριακυλογλυκερόλες Πολλά φυσικά λίπη περιέχουν ποικίλα λιπαρά οξέα με διαφορετικό μήκος και βαθμό κορεσμού - έλαια γαλακτοκομικών προϊόντων - ζωικά λίπη - φυτικά έλαια των λαχανικών (καλαμποκέλαιο, ελαιόλαδο) –περιέχουν τριγλυκερίδια με ακόρεστα λιπαρά - υγρά Μετατρέπονται βιομηχανικά σε στερεά λίπη με υδρογόνωση Οξειδώνονται και ταγγίζουν όταν εκτεθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε Ο2

ΙΙ. Δομικά λιπίδια μεμβρανών Βασικό χαρακτηριστικό βιολογικών μεμβρανών: διπλό λιπιδιακό στρώμα (φραγμός στη δίοδο των πολικών μορίων και ιόντων) Μεμβρανικά λιπίδια αμφιπολικά - το ένα άκρο του μορίου υδρόφοβο, ενώ το άλλο υδρόφιλο – δημιουργούν μεμβρανικές διπλοστιβάδες

Τύποι μεμβρανικών λιπιδίων Γλυκεροφωσφολιπίδια – οι υδρόφοβες περιοχές αποτελούνται από 2 λιπαρά οξέα που συνδέονται με γλυκερόλη Γαλακτολιπίδια και θειολιπίδια – τα 2 λιπαρά οξέα και 1 μονο/δισακχαρίτης είναι εστεροποιημένα στη γλυκερόλη Τετρααιθερικά λιπίδια – 2 μακρές αλκυλικές αλυσίδες συνδέονται μέσω αιθερικών δεσμών με τη γλυκερόλη Σφιγγολιπίδια – ένα λιπαρό οξύ συνδέεται με μια λιπαρή αμίνη, σφιγγοσίνη Στερόλες – συμπαγές σύστημα 4 συντηγμένων υδρογονανθρακικών δακτυλίων

Κοινά είδη αποθηκευτικών και μεμβρανικών λιπιδίων

Τα πολικά λιπίδια με πολικές κεφαλές και μη πολικές ουρές, είναι τα κυριότερα συστατικά των μεμβρανών Τα πιο άφθονα είναι τα γλυκεροφωσφολιπίδια, που περιέχουν λιπαρά οξέα εστεροποιημένα με δύο από τις υδροξυλομάδες της γλυκερόλης και μια δεύτερη αλκοόλη την ομάδα της κεφαλής εστεροποιημένη με το τρίτο υδροξύλιο της γλυκερόλης μέσω φωσφοδιεστερικού δεσμού

Γλυκεροφωσφολιπίδια – παράγωγα φωσφατιδικού οξέος Μεμβρανικά λιπίδια 2 λιπαρά οξέα που συνδέονται με εστερικό δεσμό με τη γλυκερόλη Τα λιπαρά οξέα εμφανίζουν μεγάλη ποικιλία Παράγωγα του φωσφατιδικού οξέος

Βασική δομή γλυκερο-φωσφολιπιδίων

Ορισμένα φωσφολιπίδια έχουν λιπαρά οξέα συνδεδεμένα με αιθερικούς δεσμούς Καρδιακός ιστός περιέχει πολλά αιθερικά λιπίδια Αιθερικά λιπίδια: μια από τις δυο αλκυλικές ομάδες συνδέεται με τη γλυκερόλη μέσω αιθερικού και όχι εστερικού δεσμού Η αλυσίδα μπορεί να είναι κορεσμένη ή να περιέχει ένα διπλό δεσμό μεταξύ C1 – C2 (πλασμαλογόνα) Λειτουργική σημασία άγνωστη, ανθεκτικά στις φωσφολιπάσες Παράγοντας ενεργοποίησης των αιμοπεταλίων: αιθερικό λιπίδιο, ενεργοποιεί τον πολλαπλασιασμό των αιμοπεταλίων και την απελευθέρωση σεροτονίνης (αγγειοσυσπαστική ουσία) από τα αιμοπετάλια. Σημαντικός ρόλος στη λειτουργία της καρδιάς, μυών, ήπατος, φλεγμονή και την αλλεργική απάντηση

Αιθερικά λιπίδια                              Δομή Αιθέρα                              Δομή Εστέρα

Τα σφιγγολιπίδια είναι παράγωγα σφιγγοσίνης Μεμβρανικά λιπίδια, μια πολική ομάδα κεφαλής με δυο μη πολικές ουρές Δεν περιέχουν γλυκερόλη αλλά σφιγγοσίνη Το κεραμίδιο (λιπαρό οξύ συνδεδεμένο με αμιδικό δεσμό στην NH2 του C-2): ο δομικός πρόγονος όλων των σφιγγολιπιδίων Τρεις υπο-ομάδες σφιγγολιπιδίων - διαφέρουν στις ομάδες της κεφαλής: σφιγγομυελίνες, ουδέτερα (αφόρτιστα) γλυκολιπίδια, γαγγλιοσίδια

Σφιγγομυελίνες Οι σφιγγομυελίνες περιέχουν φωσφοχολίνη ή φωσφοαιθανολαμίνη ως πολική ομάδα κεφαλής Ταξινομούνται ως φωσφολιπίδια Παρουσιάζουν ομοιότητες με τις φωσφατιδυλοχολίνες Αφθονούν στη μυελίνη που μονώνει και περιβάλει τον νευροάξονα των νευρώνων

Τα σφιγγολιπίδια της κυτταρικής επιφάνειας είναι θέσεις κυτταρικής αναγνώρισης 60 διαφορετικά σφιγγολιπίδια στον άνθρωπο Αινιγματικός βιολογικός ρόλος (όπως η ‘σφίγγα’) Αφθονούν στη κυτταρική μεμβράνη των νευρώνων Αποτελούν θέσεις αναγνώρισης στη κυτταρική επιφάνεια Ορισμένα προσδιορίζουν τις ομάδες αίματος του ανθρώπου = καθορίζουν τον τύπο αίματος για επιτυχείς μεταγγίσεις

Τα γλυκοσφιγγολιπίδια ως καθοριστές των ομάδων αίματος Galactosamine Fucose N-acetylgalactosamine Galactosamine

Blood types formation

Τα φωσφολιπίδια και σφιγγολιπίδια αποσυντίθενται στα λυσοσωμάτια Αποσυντίθενται μέσω υδρόλυσης Φωσφολιπάσες τύπου Α: απομακρύνουν ένα από τα δυο λιπαρά οξέα Λυσοφωσφατάσες: απομακρύνουν το δεύτερο λιπαρό οξύ Τα γαγγλιοσίδια αποδομούνται από λυσοσωματικά ένζυμα που αφαιρούν σακχαρικές μονάδες, παράγοντας κεραμίδιο Γενετικές βλάβες στα υδρολυτικά ένζυμα οδηγούν σε σοβαρά νοσήματα

Κληρονομικά νοσήματα από παθολογική συσσώρευση μεμβρανικών λιπιδίων

Στερόλες Δομικά λιπίδια ευκαρυωτικών κυττάρων Οι στερόλες έχουν τέσσερις συντηγμένους ανθρακικούς δακτυλίους (στεροειδής πυρήνας) και μια υδροξυλοομάδα Η χοληστερόλη, η κυριότερη στερόλη των ζώων, είναι δομικό συστατικό των μεμβρανών και πρόδρομη ένωση μιας μεγάλης ποικιλίας στεροειδών Χοληστερόλη

ΙΙΙ. Τα λιπίδια ως σήματα, συμπαράγοντες και χρωστικές ουσίες Αποθηκευτικά λιπίδια = 80% λιποκυττάρου, Μεμβρανικά λιπίδια = 5-10% της μάζας των κυττάρων παθητικός ρόλος Τρίτη μικρή ομάδα λιπιδίων = Μεταβολίτες και αγγελιοφόρα μόρια ενεργός ρόλος - Ορμόνες ή ενδοκυτταρικοί αγγελιοφόροι - Συμπαράγοντες ενζύμων σε αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων σε μιτοχόνδρια/χλωροπλάστες - Χρωμοφόρα μόρια που απορροφούν το ορατό φως (φωτοδεσμευτικές χρωστικές ουσίες) - Παράγουν φυσικά χρώματα (πορτοκαλί κολοκύθας ή καρότα, κίτρινο χρώμα στα πούπουλα καναρινιών)

Ρυθμίζουν τη κυτταρική δομή και τον μεταβολισμό Οι φωσφατιδυλοϊνοσιτόλες και τα παράγωγα σφιγγοσίνης δρουν ως ενδοκυττάρια σήματα Ρυθμίζουν τη κυτταρική δομή και τον μεταβολισμό Λειτουργεί ως: Θέση πρόσδεσης για τις πρωτεΐνες του κυτταροσκελετού Απόθεμα αγγελιοφόρων μορίων που απελευθερώνονται στο κύτταρο ως απάντηση προς εξωκυτταρικά σήματα που αλληλεπιδρούν με ειδικούς υποδοχείς στην εξωτερική επιφάνεια

Εικοσανοειδή Παράγωγα λιπαρών οξέων Προέρχονται από το αραχιδονικό οξύ (20:4, εικοσανθρακικό πολυακόρεστο λιπαρό οξύ) Παρακρινείς ορμόνες (ουσίες που δρουν μόνο πάνω στα κύτταρα που είναι κοντά στη θέση σύνθεσης της ορμόνης, αντί να μεταφέρονται στο αίμα) Λειτουργίες: συμμετέχουν στη λειτουργία της αναπαραγωγής, στη φλεγμονή, τον πυρετό, τον πόνο από τραυματισμούς, το σχηματισμό θρόμβων στο αίμα, τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης, την έκκριση γαστρικού υγρού Τρεις τάξεις εικοσανοειδών: - προσταγλανδίνες, θρομβοξάνια, λευκοτριένες

Προσταγλανδίνες: ρυθμίσουν τη σύνθεση του αγγελιοφόρου μορίου, cAMP - μεσολαβούν τη δράση ορμονών - επάγουν τη σύσπαση λείων μυών της μήτρας κατά την εμμηνορρυσία και τοκετό - επηρεάζουν τη ροή του αίματος - αυξάνουν θερμοκρασία σώματος κατά τη φλεγμονή/άλγος Θρομβοξάνια: παράγονται από τα αιμοπετάλια, ρυθμίζουν ροή αίματος και εμπλέκονται στο σχηματισμό θρόμβων Λευκοτριένες: εντοπίζονται στα λευκοκύτταρα, επάγουν μυϊκή συστολή των αεραγωγών μυών του πνεύμονα, εμπλέκονται στο άσθμα

Αραχιδονικό οξύ και κάποια παράγωγα NSAID (Nonsteroidal anti-inflammatory drugs): Aspirin, ibuprofen, naproxen

Στεροειδείς ορμόνες Οξειδωμένα παράγωγα στερολών Μεταφέρουν μηνύματα μεταξύ ιστών Κατόπιν σύνθεσης τους, μεταφέρονται στο αίμα με πρωτεΐνες-μεταφορείς, προσδένουν σε ειδικούς υποδοχείς και προκαλούν αλλαγές στην έκφραση γονιδίων και το μεταβολισμό Κυριότερες: - οι φυλετικές ορμόνες (τεστοστερόνη, οιστραδιόλη) - οι ορμόνες που παράγονται από το φλοιό επινεφριδίων (κορτιζόλη, αλδοστερόνη)

Οι βιταμίνες Α και D είναι πρόδρομες ενώσεις ορμονών Βιταμίνες: ενώσεις απαραίτητες για την υγεία του ανθρώπου, δεν μπορούν να συντεθούν από τον οργανισμό, προσλαμβάνονται μόνο από τη διατροφή 2 τάξεις: - λιποδιαλυτές (διαλυτές σε μη πολικούς οργανικούς διαλύτες) - υδατοδιαλυτές (εκχυλίζονται με υδατικούς διαλύτες) - Οι λιποδιαλυτές είναι ισοπρενοειδείς ενώσεις, και αποτελούν 4 ενώσεις: Α, D, Ε, Κ - D, Ε : πρόδρομες ενώσεις ορμονών

Βιταμίνη D3 - καλσιφερόλη Σχηματίζεται στο δέρμα από την 7-δεϋδροχοληστερόλη μέσω υπεριώδους ακτινοβολίας ηλιακού φωτός – ρύθμιση παραγωγής ασβεστίου Ανεπάρκεια βιτ. D3 οδηγεί σε ελαττωματικό σχηματισμό οστών και ραχίτιδα Θεραπεία: Χορήγηση της βιταμίνης Προσθήκη στο γάλα ή στο βούτυρο

Βιταμίνη Α (ρετινόλη) Η βιταμίνη Α παράγει τη χρωστική ουσία της όρασης στον οφθαλμό των σπονδυλωτών (λειτουργεί ως ορμόνη και χρωστική ουσία) Το ρετινοϊκό οξύ ρυθμίζει την έκφραση των γονιδίων κατά την ανάπτυξη των επιθηλιακών κυττάρων/ ιστών (δέρμα) Ενεργό συστατικό του φαρμάκου τρετινοίνη (ρετίνη Α) κατά της ακμής και των ρυτίδων του δέρματος Πρόσληψη: πλήρες γάλα, βούτυρο και λαχανικά με β-καροτίνη (καρότα, γλυκοπατάτες, κίτρινα λαχανικά)

Βιταμίνες Ε, Κ – συμπαράγοντες οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων Βιταμίνη Ε (τοκοφερόλη) – βιολογικό αντιοξειδωτικό, προστατεύει τα μεμβρανικά λιπίδια από οξειδωτική βλάβη (αντιδρά με ρίζες οξυγόνου) -Πρόσληψη από αυγά, φυτικά έλαια, σιτάρι Βιταμίνη Κ - απαραίτητη στη διεργασία πήξης του αίματος, καταλύει το σχηματισμό προθρομβίνης-συγκρατεί τους θρόμβους του αίματος - Πρόσληψη από πράσινα φύλλα των φυτών

Προτεινόμενη βιβλιογραφία Lehninger, Τόμος Ι, Κεφ. 10.1-10.3 Devlin Tόμος ΙΙ Κεφ. 18

ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ Βιολογική Χημεία Ι ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ Χριστίνα Πιπέρη Επ. Καθηγήτρια Εργαστήριο Βιολογικής Χημείας Ιατρική Σχολή Παν/ου Αθηνών cpiperi@med.uoa.gr

Οξείδωση λιπαρών οξέων μακριάς αλυσίδας σε ακετυλο-CοΑ (γνωστή ως β- οξείδωση): Κεντρική οδός παραγωγής ενέργειας σε πολλούς ιστούς και οργανισμούς Τα ηλεκτρόνια που αφαιρούνται από τα λιπαρά οξέα κατά την οξείδωση διέρχονται διαμέσου της αναπνευστικής αλυσίδας, προωθώντας τη σύνθεση ΑΤΡ Το ακετυλο-CoA που παράγεται μπορεί να οξειδωθεί πλήρως σε CO2 στον κύκλο του κιτρικού οξέος οδηγώντας σε επιπρόσθετη διατήρηση ενέργειας Οι μακριές αλυσίδες των λιπαρών οξέων που περιέχουν είναι υδρογονάνθρακες, η πλήρης οξείδωση των οποίων αποδίδει υπερδιπλάσια ποσότητα ενέργειας συγκριτικά με την ίδια ποσότητα υδατανθράκων ή πρωτεϊνών. Αποθηκεύονται σε λιποσταγονίδια

Τριακυλογλυκερόλες αδιάλυτες στο νερό : πρέπει πρώτα να γαλακτωματοποιηθούν για να δράσουν τα πεπτικά ένζυμα Μεταφέρονται στο αίμα προσδεδεμένες με υδατοδιαλυτές πρωτεΐνες Για να ξεπεραστεί η σχετική σταθερότητα των δεσμών C-C, το καρβοξύλιο στο C-1 ενεργοποιείται με πρόσδεση στο συνένζυμο Α, γεγονός που επιτρέπει τη σταδιακή οξείδωση της λιπο-ακυλο-ομάδας στη θέση C-3 ή θέση β (β-οξείδωση)

Χημικά βήματα οξείδωσης λιπαρών οξέων Η πλήρης οξείδωση των λιπαρών οξέων σε CΟ2 και Η2Ο συμβαίνει σε τρία στάδια: Α) Οξείδωση των λιπαρών οξέων μακράς αλυσίδας σε ακετυλο –CoA (β-οξείδωση) B) Οξείδωση του ακετυλο-CoA σε CO2 στον κύκλο του κιτρικού οξέος Γ) Μεταφορά ηλεκτρονίων από ανηγμένους φορείς ηλεκτρονίων στη μιτοχονδριακή αναπνευστική αλυσίδα

Ι. Πέψη, κινητοποίηση, μεταφορά λιπαρών οξέων Τα κύτταρα αποκτούν λιπαρά οξέα από τρεις πηγές: Λίπη τροφών Λίπη αποθηκευμένα στα κύτταρα Λίπη που συντίθενται σε ένα όργανο για να εξαχθούν σε ένα άλλο Στις βιομηχανοποιημένες χώρες το 40% των ενεργειακών αναγκών καλύπτεται από τις τριακυλογλυκερόλες των τροφών Οι αποθηκευμένες τριακυλογλυκερόλες είναι ουσιαστικά η αποκλειστική πηγή ενέργειας σε ζώα που πέφτουν σε χειμέρια νάρκη και στα αποδημητικά πτηνά

Κατεργασία των λιπιδίων των τροφών στα σπονδυλωτά Πέψη, απορρόφηση λιπιδίων στο λεπτό έντερο

Μοριακή δομή ενός χυλομικρού Λιποπρωτεϊνικά συναθροίσματα Επιφανειακά: στοιβάδα φωσφολιπιδίων Εσωτερικά: τριακυλογλυκερόλες και χοληστερόλη Πρωτεΐνες του αίματος που προσδένουν λιπίδια, υπεύθυνες για μεταφορά λιπιδίων μεταξύ οργάνων

Ορμόνες πυροδοτούν την κινητοποίηση των αποθηκευμένων τριακυλογλυκερολών (ΤΓ) Τα ουδέτερα λιπίδια αποθηκεύονται στα λιποκύτταρα υπό μορφή λιποσταγονιδίων Η επιφάνεια των σταγονιδίων επενδύεται από περιλιπίνες , πρωτεΐνες που περιορίζουν την πρόσβαση στα λιποσταγονίδια, αποτρέποντας την άκαιρη κινητοποίηση λιπιδίων Όταν υπάρχει ανάγκη για μεταβολική ενέργεια, οι αποθηκευμένες ΤΓ κινητοποιούνται και μεταφέρονται στους ιστούς (μύες, καρδιά κλπ.) Οι ορμόνες επινεφρίνη και γλυκαγόνη (ορμόνες που εκκρίνονται σε χαμηλά επίπεδα γλυκόζης) ενεργοποιούν το ένζυμο της κυτταρικής μεμβράνης των λιποκυττάρων, την αδενυλική κυκλάση, το οποίο παράγει το κυκλικό ΑΜΡ

Κινητοποίηση τριακυλογλυκερολών αποθηκευμένων στο λιπώδη ιστό Η πρωτεϊνική κινάση που εξαρτάται από το cAMP (ΡΚΑ) φωσφορυλιώνει την περιλιπίνη Α, μετακινώντας την ορμονοευαίσθητη λιπάση, διασπώντας τις ΤΓ σε λιπαρά οξέα και γλυκερόλη

Είσοδος της γλυκερόλης στη γλυκολυτική οδό Η γλυκερόλη που απελευθερώνεται με τη δράση της λιπάσης φωσφορυλιώνεται από τη κινάση της γλυκερόλης και εισέρχεται στη γλυκόλυση

Τα λιπαρά οξέα ενεργοποιούνται και μεταφέρονται στα μιτοχόνδρια Στα ζωικά κύτταρα, τα ένζυμα της οξείδωσης των λιπαρών οξέων εντοπίζονται στο μιτοχονδριακό στρώμα Τα λιπαρά οξέα με 12 ή λιγότερα άτομα C εισέρχονται στα μιτοχόνδρια χωρίς την βοήθεια μεμβρανικών μεταφορέων Λιπαρά οξέα με 14 ή περισσότερα άτομα C υφίστανται τις τρεις ενζυμικές αντιδράσεις του συστήματος μεταφοράς της καρνιτίνης

Μετατροπή ενός λιπαρού οξέος σε λιπο-ακυλο-CoA Δυο ένζυμα: συνθετάση και πυροφωσφατάση Εκτόπιση 2 φωσφορικών ομάδων Εκτόπιση ΑΜΡ και παραγωγή λιπο-ακυλο-συνενζύμου Α

Είσοδος λιπαρών οξέων στα μιτοχόνδρια μέσω του μεταφορέα ακυλο-καρνιτίνης/καρνιτίνης Λιποακυλο-CoA προσδένει στη καρνιτίνη Είσοδος Λιπο-ακυλο-CoA στο μιτ. στρώμα Μεταφορέας Ακυλο-καρνιτίνης/καρνιτίνης

Το συνένζυμο Α του μιτοχονδριακού στρώματος χρησιμοποιείται κυρίως στην οξειδωτική αποδόμηση του πυροσταφυλικού, των λιπαρών οξέων και μερικών αμινοξέων, ενώ το συνένζυμο Α του κυτταροδιαλύματος χρησιμοποιείται στη βιοσύνθεση των λιπαρών οξέων Η διεργασία εισόδου που μεσολαβείτε από την καρνιτίνη είναι το περιοριστικό βήμα για την οξείδωση των λιπαρών οξέων στα μιτοχόνδρια

Γενετικές ανεπάρκειες στην μεταφορά καρνιτίνης Ανεπάρκειες στο επίπεδο της καρνιτίνης Α) πρωτοπαθείς: διαταραχή στον υψηλής συγγένειας μεμβρανικό μεταφορέα της καρνιτίνης σε ιστούς όπως οι μύες, οι νεφροί, η καρδιά και οι ινοβλάστες. - Επιφέρει εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα καρνιτίνης στους προσβεβλημένους ιστούς και στο πλάσμα Β) δευτεροπαθείς: συσχετίζονται συχνά με κληρονομικές ανεπάρκειες στην οδό της β-οξείδωσης

Ανεπάρκειες στο επίπεδο των ακυλοτρανσφερασών της καρνιτίνης: - Ανεπάρκεια της CTPII, η οποία προκαλεί μερική απώλεια της ενζυμικής ενεργότητας - Ανεπάρκεια της τρανσλοκάσης της καρνιτίνης- ακυλοκαρνιτίνης - Αντιμετώπιση: δίαιτα χαμηλής περιεκτικότητας σε λιπαρά οξέα μακράς αλυσίδας και αποφυγή νηστείας

ΙΙ. Οξείδωση λιπαρών οξέων * Τα τρία στάδια συμβαίνουν στα μιτοχόνδρια

1ο στάδιο (β-οξείδωση) Οξειδωτική αφαίρεση διαδοχικών μονάδων 2 ατόμων C υπό μορφή ακετυλο-CoΑ Eνα λιπαρό οξύ 16 ατόμων άνθρακα πραγματοποιεί επτά περάσματα από την οξειδωτική ακολουθία : σε κάθε πέρασμα χάνει δύο άτομα άνθρακα υπό μορφή ακετυλο-CoΑ Mετά από επτά κύκλους τα δύο τελευταία άτομα άνθρακα του παλμιτικού παραμένουν ως ακετυλο-CoA Ο σχηματισμός κάθε ακετυλο-CoA προϋποθέτει αφαίρεση τεσσάρων ατόμων υδρογόνου από την λιποακυλική ρίζα με τη δράση δεϋδρογονασών

Η οδός της β-οξείδωσης Πρώτο βήμα της β-οξείδωσης: αφυδρογόνωση. Καταλύεται από τρία ισοένζυμα της δεϋδρογονάσης των ακυλο-coA το κάθε ένα ειδικό για λιπαρά οξέα διαφορετικού μήκους Tα τρία τελευταία βήματα αυτής της ακολουθίας καταλύονται από δύο διαφορετικές ομάδες ενζύμων Η ομάδα που θα επιλεγεί εξαρτάται από το μήκος της αλυσίδας του λιπαρού οξέος Για λιπαρά οξέα με 12 ή περισσότερα άτομα άνθρακα, οι αντιδράσεις καταλύονται από την τριλειτουργική πρωτεΐνη (TFP)

Τα 4 βήματα της β-οξείδωσης επαναλαμβάνονται αποδίδοντας ακετυλο-CoA και ΑΤΡ Σε ένα πέρασμα από την ακολουθία της β-οξείδωσης, ένα μόριο ακετυλο-CoA, δύο ζεύγη ηλεκτρονίων και τέσσερα πρωτόνια (Η+) αφαιρούνται από ένα λιπο-ακυλο-CoA μακριάς αλυσίδας, βραχύνοντάς το κατά δύο άτομα: Παλμιτυλο-CoA +7CoA+7FAD+NAD+ 7H208 ακετυλο-CoA+ 7FADH2 + 7NADH +7H+ To ακέτυλο-CoA που παράγεται από την οξείδωση των λιπαρών οξέων μπορεί να οξειδωθεί σε C02 και Η2Ο από τον κύκλο του κιτρικού οξέος Η συνολική εξίσωση για την πλήρη οξείδωση παλμίτυλο-CoA: Παλμίτυλο-CoA + 23O2 + 108Pi + 108ADPCoA + 108ATP+ 16CO2 + 23H2O - Μετατροπή παλμιτικού σε Παλμιτυλο-CoA = -2ΑΤΡ (108-2=106 ΑΤΡ) To ενεργειακό κόστος της ενεργοποίησης ενός λιπαρού οξέος είναι δύο ΑΤΡ και το καθαρό κέρδος ανά μόριο παλμιτικού είναι 106 ΑΤΡ και 9800κJ/mol

β-οξείδωση και χειμερία νάρκη Πολλά ζώα βασίζονται σε αποθέματα λίπους για να καλύψουν τις ενεργειακές τους ανάγκες κατά τη χειμέρια νάρκη, σε περιόδους αποδημίας Αρκούδες, χειμέρια νάρκη: 7 μήνες, διατηρούν θερμοκρασία σώματος 35-37 0C. Ξοδεύουν 25.000 kJ/ ημέρα, το ζώο δεν τρώει, δεν πίνει, δεν ουρεί, ούτε αφοδεύει επί μήνες Χρησιμοποιεί ως αποθεματικό καύσιμο το λίπος του σώματος Η οξείδωση του λίπους αποδίδει επαρκή ενέργεια για τη διατήρηση της θερμοκρασίας του σώματος, την ενεργό σύνθεση αμινοξέων και πρωτεϊνών και άλλες διεργασίες που απαιτούν ενέργεια , όπως η μεμβρανική μεταφορά Γλυκερόλη  γλυκόζη (γλυκονεογένεση) Ουρία (αποδόμηση αμινοξέων) επαναρροφάται από το νεφρό Αμινομάδες  παρασκευή νέων αμινοξέων

Οξείδωση μη κορεσμένων λιπαρών οξέων Τα περισσότερα λιπαρά οξέα των τριακυλογλυκερολών και φωσφολιπιδίων των ζώων είναι ακόρεστα, δηλαδή έχουν δύο ή περισσότερους διπλούς δεσμούς. Αυτοί οι δεσμοί βρίσκονται σε cis διαμόρφωση και δεν προσφέρονται σε κατεργασία από την υδρατάση των ενοϋλοCoA Δύο επιπρόσθετα επικουρικά ένζυμα είναι απαραίτητα για την β-οξείδωση των κοινών ακόρεστων λιπαρών οξέων, μια ισομεράση και μια αναγωγάση.

Η οξείδωση των μη κορεσμένων λιπαρών οξέων απαιτεί δύο επιπρόσθετες αντιδράσεις Στάδιο 1: β-οξείδωση – 3 κύκλοι Στάδιο 2: αναδιάταξη διπλού δεσμού (ισομεράση) Ακολουθεί β-οξείδωση – 5 κύκλοι

Οξείδωση ενός πολυακόρεστου λιπαρού οξέος (λινελαϊκού) Στάδιο 1: β-οξείδωση – 3 κύκλοι Στάδιο 2: αναδιάταξη διπλού δεσμού (ισομεράση) Ακολουθεί β-οξείδωση – 1 κύκλος Στάδιο 3: αλλαγή διαμόρφωσης (trans-) (αναγωγάση) – 5 κύκλοι

Οξείδωση λιπαρών οξέων με περιττό αριθμό ατόμων άνθρακα Ακολουθούν β-οξείδωση καταλήγοντας σε ακετυλο- CoA και προπιονυλο-CoA Το ακετυλο- CoA μπαίνει στο κύκλο του κιτρικού Το προπιονυλο-CoA μετατρέπεται σε ηλεκτρυλο- CoA και εισέρχεται στον κύκλο

Συντονισμένη ρύθμιση της σύνθεσης και αποδόμησης των λιπαρών οξέων Σύνθεση λιπαρών οξέων: ρυθμιστικό ένζυμο β-οξείδωση: ρυθμιστικό ένζυμο καρβοξυλάση ακετυλο-CoA (ACC) ακυλοτρανσφεράση Ι καρνιτίνης 1ο ενδιάμεσο της βιοσύνθεσης των λιπαρών οξέων

Γενετικές βλάβες στις δεϋδρογονάσες των λιποακυλο-CoA προκαλούν σοβαρά νοσήματα Η ανικανότητα οξείδωσης λιπαρών οξέων από τις τριακυλογλυκερόλες έχει δυσμενείς επιπτώσεις στην υγεία Κοινή γενετική διαταραχή: μετάλλαξη στο γονίδιο που κωδικοποιεί τη δεϋδρογονάση των λιπαρών οξέων ενδιάμεσης αλυσίδας Συχνότητα φορέων στη Β. Ευρώπη: 1/40 Συχνότητα νοσούντων 1/10000 Το νόσημα χαρακτηρίζεται από συσσώρευση λίπους στο ήπαρ, υψηλά επίπεδα οκτανοϊκού οξέος στο αίμα, υπογλυκαιμία, λήθαργο, εμέτους και κώμα

Τα υπεροξεισωμάτια επιτελούν επίσης β-οξείδωση Τα υπεροξεισωμάτια των φυτών και των ζώων και τα γλυοξεισωμάτια των φυτών επιτελούν β-οξείδωση σε τέσσερα βήματα παρόμοια με βήματα της μιτοχονδριακής οδού των ζώων. Ωστόσο, το πρώτο βήμα οξείδωσης μεταφέρει ηλεκτρόνια άμεσα στο Ο2, παράγοντας Η2Ο2 Τα υπεροξεισωμάτια των ζωικών ιστών είναι εξειδικευμένα στην οξείδωση λιπαρών οξέων πολύ μακριάς αλυσίδας και διακλαδισμένων λιπαρών οξέων Στα γλυοξεισωμάτια των σπόρων που βλασταίνουν, η β-οξείδωση είναι ένα βήμα στη μετατροπή των αποθηκευμένων λιπιδίων σε ποικίλα ενδιάμεσα και προϊόντα

Κετονικά σώματα Το ακέτυλο-CoA: α) μπορεί να εισέλθει στον κύκλο του κιτρικού οξέος β) είτε να μετατραπεί στα «κετονικά σωμάτια»: ακετόνη, ακετοξικό και D-β-υδροξυβουτυρικό προς εξαγωγή σε άλλους ιστούς Ακετόνη: αποβάλλεται με την εκπνοή Ακετοξικό –D-β- υδροξυβουτυρικό, μεταφέρονται από το ήπαρ σε ιστούς εκτός ήπατος Εκεί μετατρέπονται σε ακέτυλο CoA και οξειδώνονται στον κύκλο του κιτρικού οξέος, εξασφαλίζοντας μεγάλο μέρος της ενέργειας που χρειάζονται οι ιστοί όπως οι γραμμωτοί μύες, το μυοκάρδιο και ο φλοιός των νεφρών Ο εγκέφαλος σε καταστάσεις νηστείας (στέρηση γλυκόζης), μπορεί να προσαρμοστεί στην χρησιμοποίηση του ακετοξικού ή του D-β- υδροξυβουτυρικού

Σχηματισμός κετονικών σωματίων Σε υγιείς ανθρώπους με καλή θρέψη, η ακετόνη παράγεται σε πολύ μικρές ποσότητες και αποκαρβοξυλιώνεται εύκολα Σε περιόδους ασιτίας, ανεξέλεγκτου σακχαρώδη διαβήτη (ανεπάρκεια ινσουλίνης), συσσωρεύεται ακετυλο-CoA και υπερπαράγονται κετονικά σώματα

To D-β- υδροξυβουτυρικό συντίθεται στο ήπαρ, περνά στο αίμα και φτάνει σε άλλους ιστούς όπου χρησιμοποιείται ως καύσιμο

Σχηματισμός και εξαγωγή κετονικών σωμάτων από το ήπαρ Σε καταστάσεις που προάγεται η νεογλυκογένεση (ΣΔ, αιτία, υποθρεψία), ο κύκλος του κιτρικού επιβραδύνεται, και επιταχύνεται ο σχηματισμός ακετοξικού. - Το συνένζυμο Α που απελευθερώνεται επιτρέπει τη συνεχιζόμενη β-οξείδωση των λιπαρών οξέων

Η υπερπαραγωγή κετονικών σωμάτων σε ασθενείς με ανεξέλεγκτο διαβήτη και σε καταστάσεις υποσιτισμού μπορεί να οδηγήσει σε οξέωση ή κετοξέωση Οξέωση: τα αυξημένα επίπεδα του ακετοξικού και του D–β-υδροξυβουτυρικού ελαττώνουν το pH του αίματος Κέτωση: αύξηση της συγκέντρωσης των κετονικών σωμάτων στο αίμα (90mg/100ml Φ.Τ.:3mg/100ml) και στα ούρα (5000mg/24h Φ.Τ.:<125mg/24h)

Προτεινόμενη βιβλιογραφία Lehninger, Τόμος ΙΙ, Κεφ. 17.1-17-3 Devlin Tόμος ΙΙ Κεφ. 17