24.4: מטבוליזם של שומנים
- Page ID
- 206476
בסוף פרק זה, תוכל:
- הסבירו כיצד ניתן להפיק אנרגיה משומן
- הסבר את המטרה והתהליך של הקטוגנזה
- תאר את תהליך חמצון גוף הקטון
- הסבר את המטרה ואת תהליך הליפוגנזה
שומנים (או טריגליצרידים) בגוף נבלעים כמזון או מסונתזים על ידי אדיפוציטים או הפטוציטים ממבשרי פחמימות (איור). \(\PageIndex{1}\) חילוף החומרים של השומנים כרוך בחמצון של חומצות שומן כדי לייצר אנרגיה או לסנתז שומנים חדשים ממולקולות מרכיבות קטנות יותר. חילוף החומרים של השומנים קשור למטבוליזם של פחמימות, שכן ניתן להמיר מוצרים של גלוקוז (כגון אצטיל CoA) לשומנים.
Lipid metabolism begins in the intestine where ingested triglycerides are broken down into smaller chain fatty acids and subsequently into monoglyceride molecules (see Figure \(\PageIndex{1}\)b) by pancreatic lipases, enzymes that break down fats after they are emulsified by bile salts. When food reaches the small intestine in the form of chyme, a digestive hormone called cholecystokinin (CCK) is released by intestinal cells in the intestinal mucosa. CCK stimulates the release of pancreatic lipase from the pancreas and stimulates the contraction of the gallbladder to release stored bile salts into the intestine. CCK also travels to the brain, where it can act as a hunger suppressant.
Together, the pancreatic lipases and bile salts break down triglycerides into free fatty acids. These fatty acids can be transported across the intestinal membrane. However, once they cross the membrane, they are recombined to again form triglyceride molecules. Within the intestinal cells, these triglycerides are packaged along with cholesterol molecules in phospholipid vesicles called chylomicrons (Figure \(\PageIndex{2}\)). The chylomicrons enable fats and cholesterol to move within the aqueous environment of your lymphatic and circulatory systems. Chylomicrons leave the enterocytes by exocytosis and enter the lymphatic system via lacteals in the villi of the intestine. From the lymphatic system, the chylomicrons are transported to the circulatory system. Once in the circulation, they can either go to the liver or be stored in fat cells (adipocytes) that comprise adipose (fat) tissue found throughout the body.
ליפוליזה
כדי להשיג אנרגיה משומן, יש לפרק תחילה את הטריגליצרידים על ידי הידרוליזה לשני המרכיבים העיקריים שלהם, חומצות שומן וגליצרול. תהליך זה, הנקרא ליפוליזה, מתרחש בציטופלזמה. חומצות השומן המתקבלות מתחמצנות על ידי חמצון β לאצטיל CoA, המשמש את מחזור קרבס. הגליצרול שמשתחרר מטריגליצרידים לאחר ליפוליזה נכנס ישירות למסלול הגליקוליזה כ- DHAP. מכיוון שמולקולת טריגליצריד אחת מניבה שלוש מולקולות חומצות שומן עם עד 16 פחמנים או יותר בכל אחת מהן, מולקולות השומן מניבות יותר אנרגיה מפחמימות ומהוות מקור אנרגיה חשוב לגוף האדם. הטריגליצרידים מניבים יותר מפי שניים מהאנרגיה ליחידת מסה בהשוואה לפחמימות וחלבונים. לכן, כאשר רמות הגלוקוז נמוכות, ניתן להמיר טריגליצרידים למולקולות אצטיל CoA ולהשתמש בהן ליצירת ATP באמצעות נשימה אירובית.
פירוק חומצות השומן, הנקראות חמצון חומצות שומן או חמצון בטא (β), מתחיל בציטופלזמה, שם חומצות שומן הופכות למולקולות acyl CoA שומניות. Acyl CoA שומני זה משתלב עם קרניטין ליצירת מולקולת אציל קרניטין שומנית, המסייעת בהובלת חומצת השומן על פני הממברנה המיטוכונדריאלית. ברגע שנכנסים למטריצה המיטוכונדריאלית, מולקולת האציל קרניטין השומנית מומרת בחזרה לאציל CoA שומני ולאחר מכן לאצטיל CoA (איור). \(\PageIndex{3}\) האצטיל CoA החדש שנוצר נכנס למחזור קרבס ומשמש לייצור ATP באותו אופן כמו אצטיל CoA שמקורו בפירובט.
Ketogenesis
If excessive acetyl CoA is created from the oxidation of fatty acids and the Krebs cycle is overloaded and cannot handle it, the acetyl CoA is diverted to create ketone bodies. These ketone bodies can serve as a fuel source if glucose levels are too low in the body. Ketones serve as fuel in times of prolonged starvation or when patients suffer from uncontrolled diabetes and cannot utilize most of the circulating glucose. In both cases, fat stores are liberated to generate energy through the Krebs cycle and will generate ketone bodies when too much acetyl CoA accumulates.
In this ketone synthesis reaction, excess acetyl CoA is converted into hydroxymethylglutaryl CoA (HMG CoA). HMG CoA is a precursor of cholesterol and is an intermediate that is subsequently converted into β-hydroxybutyrate, the primary ketone body in the blood (Figure \(\PageIndex{4}\)).
חמצון גוף קטון
איברים שנחשבו באופן קלאסי כתלויים אך ורק בגלוקוז, כמו המוח, יכולים למעשה להשתמש בקטונים כמקור אנרגיה חלופי. זה שומר על תפקוד המוח כאשר הגלוקוז מוגבל. כאשר קטונים מיוצרים מהר יותר ממה שניתן להשתמש בהם, ניתן לפרק אותם ל- CO 2 ואצטון. האצטון מוסר בנשיפה. סימפטום אחד של קטוגנזה הוא שנשימתו של המטופל מריחה מתוק כמו אלכוהול. השפעה זו מספקת דרך אחת לדעת אם אדם הסובל מסוכרת שולט כראוי במחלה. הפחמן הדו-חמצני המיוצר יכול לחמצן את הדם, ולהוביל לקיטואידוזיס סוכרתית, מצב מסוכן בקרב אנשים עם סוכרת.
קטונים מתחמצנים כדי לייצר אנרגיה למוח. בטא (β) -הידרוקסיבוטיראט מתחמצן לאצטואצטט ו-NADH משתחרר. מולקולת HS-CoA מתווספת לאצטואצטט ויוצרת אצטואצטיל CoA. הפחמן בתוך האצטואצטיל CoA שאינו קשור ל- CoA מתנתק ואז מפצל את המולקולה לשניים. לאחר מכן פחמן זה מתחבר ל-HS-CoA חופשי אחר, וכתוצאה מכך שתי מולקולות אצטיל CoA. שתי מולקולות אצטיל CoA אלה מעובדות לאחר מכן דרך מחזור קרבס ליצירת אנרגיה (איור). \(\PageIndex{5}\)
Lipogenesis
When glucose levels are plentiful, the excess acetyl CoA generated by glycolysis can be converted into fatty acids, triglycerides, cholesterol, steroids, and bile salts. This process, called lipogenesis, creates lipids (fat) from the acetyl CoA and takes place in the cytoplasm of adipocytes (fat cells) and hepatocytes (liver cells). When you eat more glucose or carbohydrates than your body needs, your system uses acetyl CoA to turn the excess into fat. Although there are several metabolic sources of acetyl CoA, it is most commonly derived from glycolysis. Acetyl CoA availability is significant, because it initiates lipogenesis. Lipogenesis begins with acetyl CoA and advances by the subsequent addition of two carbon atoms from another acetyl CoA; this process is repeated until fatty acids are the appropriate length. Because this is a bond-creating anabolic process, ATP is consumed. However, the creation of triglycerides and lipids is an efficient way of storing the energy available in carbohydrates. Triglycerides and lipids, high-energy molecules, are stored in adipose tissue until they are needed.
Although lipogenesis occurs in the cytoplasm, the necessary acetyl CoA is created in the mitochondria and cannot be transported across the mitochondrial membrane. To solve this problem, pyruvate is converted into both oxaloacetate and acetyl CoA. Two different enzymes are required for these conversions. Oxaloacetate forms via the action of pyruvate carboxylase, whereas the action of pyruvate dehydrogenase creates acetyl CoA. Oxaloacetate and acetyl CoA combine to form citrate, which can cross the mitochondrial membrane and enter the cytoplasm. In the cytoplasm, citrate is converted back into oxaloacetate and acetyl CoA. Oxaloacetate is converted into malate and then into pyruvate. Pyruvate crosses back across the mitochondrial membrane to wait for the next cycle of lipogenesis. The acetyl CoA is converted into malonyl CoA that is used to synthesize fatty acids. Figure \(\PageIndex{6}\) summarizes the pathways of lipid metabolism.