Переваривание и всасывание липидов. Ресинтез липидов в энтероцитах

В прошлой статье мы узнали, что липиды — гидрофобные молекулы. С этим у нас возникнут проблемы, когда мы начнём их переваривать. Но сначала нужно решить, а какие липиды попадают к нам в желудочно-кишечный тракт с пищей? Три группы липидов: жиры или триацилглицеролы, холестерол и фосфолипиды.  Наибольшее количество липидов — это жиры. Около 90%. Остальные 10% делят холестерол и фосфолипиды, но холестерола всё-таки побольше.

Холестерол может поступать в свободной форме, либо в форме эфиров. В эфире холестерола его гидроксильная группа связана с жирной кислотой. Чаще в пищу поступают эфиры холестерола. 

Получается, что большая часть липидов — это чисто гидрофобные молекулы. Из тех, которые поступают к нам в ЖКТ. Ведь жиры и эфиры холестерола не имеют гидрофильных групп. А их большинство. Фосфолипиды же амфифильны. Как и холестерол. У них есть гидрофильные и гидрофобные участки. Отсюда вытекает проблема. Если большая часть липидов пищи нерастворима в воде, то как их переваривать? 

В нашем желудочно-кишечном тракте пища продвигается в растворе. Ферменты переваривания — это гидрофильные молекулы, которые действуют в этом растворе. Липиды же в нём будут образовывать огромные гидрофобные капли. Вспоминаем капельку жира в тарелке борща, либо же опыты по смешиванию масел с водой. Липиды контактируют с ограниченным участком раствора. Но их большая часть — нет. Выходит, что ферменты могут действовать только на этом ограниченном участке. Сами понимаете, что так переварить выйдет далеко не всё. Множество полезных молекул будут потеряны — такое переваривание неэффективно. 

Но организм выходит из этого затруднительности положения. И сейчас наша задача разобрать в том, как он это делает. 

Переваривание липидов 

Ротовая полость

Начинаем есть бутерброд с маслом. Оправляем хороший кусок прямо в рот. Там действует первый фермент переваривания липидов — лингвальная липаза или липаза языка. Его вырабатывают серозные железы, которые находятся на языке. Отсюда и название — липаза языка.

Липаза языка действует на триацилглицеролы. Проводит гидролиз эфирной связи между глицеролом и жирными кислотами — в третьем положении. Образуются диацилглицеролы и жирные кислоты.

Но пища во рту надолго не задерживается. Поэтому действует липаза языка довольно кратковременно. Или нет? Этот фермент имеет оптимум pH = 4,5-5,4. В желудке pH поменьше, но худо-бедно она продолжает работать. Липаза языка подействует далеко не на все жиры. Но где-то на 20-30% подействует. 

Желудок

Следующий фермент — это липаза желудка. Она вырабатывается главными клетками желудка, но в очень ограниченных количествах. Её оптимум pH также около 5, как и у липазы языка. Но её вырабатывается настолько мало, что особого вклада в переваривание жиров она не вносит. А вот у детей — её вклад огромен. У них и pH в желудке выше, да и вырабатывается её намного больше. Ведь в материнском молоке большая часть энергии заключена в жирах. 

По выходу из желудка мы имеем: 

• триацилглицеролы, на которые эти ферменты не подействовали; 
• диацилглицеролы, на которые подействовали; 
• жирные кислоты; 
• эфиры холестерола и холестерол; 
• фосфолипиды. 

На последние, пока что, мы не нашли управы. 

Тонкий кишечник

И вот смесь из липидов попадает в двенадцатиперстную кишку. Эта смесь представляет собой кислый раствор, потому что вылезла из желудка. При этом липиды в ней — это большие капли. Напомню, что эта смесь имеет умное название — химус. 

 Нам нужно сделать две вещи: 

1. Нейтрализовать кислоту. В двенадцатиперстной кишке все ферменты работают при слабо-щелочном pH ~ 8-9. 
2. Как-то расщепить липидные капли на капельки поменьше. Так мы увеличим количество липидов, которые соприкасаются с водным раствором. Увеличим площадь этого соприкосновения. Больше площадь — больше ферментов смогут подействовать на эти капли.

Эти две вещи делает слизистая двенадцатиперстной кишки, но опосредованно. Когда в неё попадает химус, то она вырабатывает два гормона: секретин и холецистокинин. Слизистая реагирует на то, что pH слишком маленькое и отправляет в кровь секретин. В тоже самое время она чувствует, что в химусе много жиров. В ответ на это слизистая вырабатывает второй гормон — холецистокинин. 

Секретин действует на поджелудочную железу. Он передаёт информацию, что в двенадцатиперстной кишке нужно увеличить pH. Поджелудочная отправляется на помощь. Она увеличивает секрецию бикарбонатов и других электролитов в панкератический сок. Бикарбонаты — это отличный буфер, который должен снизить pH в двенадцатиперстной кишке до оптимальных 8-9. В панкреатическом соке также находятся ферменты, но секретин не влияет на их концентрацию. 

Панкреатический сок — это хорошо, но ему нужно как-то попасть в двенадцатиперстную кишку. Для этого нужно подействовать на сфинктер Одди. Ну это тот, который контролирует поступление в двенадцатиперстную кишку желчи и панкреатического сока. Напомню, что общий желчный проток объединяется с главным панкреатическим протоком. Вместе они ведут в двенадцатиперстную кишку, но желчь и панкератический сок попадают туда далеко не всегда, а только при открытии сфинктера Одди. Точнее при его расслаблении. 

Холецистокинин действует по трём фронтам: на сфинктер Одди, на поджелудочную железу и на желчный пузырь. Эффекты:

• Сфинктер Одди. Расслабление — желчь и поджелудочный сок попадают в двенадцатиперстную кишку; 
• Поджелудочная железа. Увеличивает секрецию ферментов переваривания в сок; 
• Желчный пузырь. Стимулирует сокращение желчного пузыря, что увеличивает количество желчи в общем желчном протоке.

Это не всего его эффекты, но сейчас интересуют только они. 

Вот в двенадцатиперстной кишке оказались желчь и панкреатический сок. А дальше-то что? Бикарбонаты увеличивают pH среды, поэтому на липиды теперь могут подействовать ферменты переваривания — достигнут оптимум pH для их работы. Вспоминаем, что липиды представляют собой большие капли. Сейчас ферменты могут подействовать только на ограниченном участке липида. Так что такое переваривание будет недостаточно эффективным.

Тут и подключается желчь. Она синтезируется печенью, откуда попадает в желчный пузырь, где и хранится. Желчь — это раствор, в состав которого входят неорганические и органические компоненты. Неорганические — это вода и разные ионы: калия, натрия и другие. Неорганический компонент составляет 95%, большая часть — вода. 

Органический компонент — это желчные кислоты, холестерин и фосфолипиды. Ещё немного желчных пигментов. На это приходится всего 5%, но именно эти проценты так важны для нас. Если взять эти 5% за 100 %, то мы увидим, что из них: 65% — желчные кислоты, 25% — фосфолипиды, а остальное приходится на холестерин и желчные пигменты. Так что большая часть желчи (если забить на воду) — это желчные кислоты и фосфолипиды. 

Их кое-что объединяет — это амфифильные молекулы. Желчные кислоты синтезируются из холестерина, но имеют намного больше гидрофильных групп. Желчных кислот много и с ними есть свои особенности. Держите статейку, в которой всё расписал. Основной фосфолипид желчи — фосфатидилхолин, но его называют проще — лецитин.

За счёт таких амфифильных молекул можно уменьшить липидную каплю. Как? Когда желчные кислоты и фосфолипиды попадают в просвет двенадцатиперстной кишки, то они присоединяются к липидным каплям с помощью своих гидрофобных частей. Но их гидрофильные участки остаются на поверхности капли. Капля становится лучше растворима в воде. Её гидрофильные участки могут образовывать водородные связи. Этот приводит к снижению поверхностного натяжения. Капля начинает распадаться — образуются капельки поменьше. Так происходит несколько раз, пока капли не станут минимального размера. 

Этот процесс называется эмульгация. Если сказать совсем просто, то эмульгация — это смешивание гидрофобных липидов с водой. Молекулы, которые снижают поверхностное натяжение и обеспечивают смешивание, называются — эмульгаторы. 

Только этого и ждали ферменты. Теперь они могут подействовать на большей площади. На триацилглицеролы действуют два фермента: проколипаза и панкреатическая липаза. Они синтезируются поджелудочной железой. Вместе с панкреатическим соком они попадают в двенадцатиперстную кишку.

Проколипаза — это профермент. Он не активен. Активируется с помощью ограниченного протеолиза. Этим занимается другой фермент — трипсин. О трипсине поговорим, когда дойдём до переваривания белков. Трипсин отщепляет немного аминокислот от проколипазы, что приводит к образованию колипазы — активного фермента. 

Колипаза имеет гидрофобные участки, с помощью которых она присоединяется к маленькой липидной капле. Правильнее назвать колипазу белковым коферментом, потому что сама по себе она не катализирует реакцию. Колипаза что-то вроде якоря. Этот якорь обеспечивает присоединение водорастворимой панкреатической липазы к липидной капле.

Панкреатическая липаза обладает каталитической активностью. Она начинает разрушать эфирные связи в молекулах триацилглицеролов и диацилглицеролов. Строение активного центра такого, что она может отщеплять жирные кислоты только в первом и третьем положении. Но не во втором. 

Ещё панкреатическая липаза действует на 1,2-диацилглицеролы, которые образовались под действием липазы языка и липазы желудка.

При работе панкреатической липазы образуются: жирные кислоты и 2-моноацилглицеролы. И тут возникает положительная обратная связь. 2-моноацилглицерол содержит две гидроксильные группы и гидрофобную жирную кислоту. Не напоминает желчные кислоты и фосфолипиды? Да — это амфифильное соединение. Оно также обладает эмульгирующим эффектом на липидные капли. Поэтому образование 2-моноацилглицеролов приводит к распаду липидных капель. Они становятся всё меньше и меньше. Понятное дело, что в таких условиях ускоряется гидролиз липида.

Этим заканчивается переваривание жиров или гидролиз жиров — образованием 2-моноацилглицеролов и свободных жирных кислот. 

Но с пищей также поступали: фосфолипиды, холестерол и его эфиры. Что с ними? 

Холестерол переваривать не нужно — его не до чего разрушать. А вот эфиры нужно. Для этого есть фермент — холестеролэстераза. Также синтезируется поджелудочной железой. Холестеролэстераза гидролизует эфирную связь между холестеролом и жирной кислотой.

Глицерофосфолипиды перевариваются при участии двух ферментов: фосфолипазы А₂ и фосфолипазы A₁ (другое название — лизофосфолипаза). Фосфолипаза А₂ отщепляет жирную кислоту во втором положении глицерофосфолипида. А лизофосфолипаза в первом.

Далее от них отщепляются спиртовые и фосфатные группы. Если расщеплять глицерофосфохолин, то мы получим глицерол, холин и фосфорную кислоту. 

Всасывание продуктов переваривания

Когда образуются жирные кислоты, 2-моноацилглицеролы и холестерол, то они образуют еще меньшие липидные капли — мицеллы. Их размер всего около 100 нм. В них также могут входить желчные кислоты и фосфолипиды.  Все эти молекулы амфифильны, но каждая имеет небольшой гидрофильный участок и большой гидрофобный. Гидрофобные участки прячутся внутри молекулы, а гидрофильные обращены к водной среде. 

Из-за этого мицеллы хорошо растворимы в воде, поэтому они спокойно плавают в кишечном содержимом. Постепенно мицеллы приближаются к мембране энтероцита (клетки тонкого кишечника). Когда они сблизятся с ней, то мицелла разрушится и всё её содержимое попадёт в цитоплазму энтероцита. С помощью простой диффузии.

Внутри мицеллы прячутся ещё одни ребята — жирорастворимые витамины: A, D, E и K. Они попали в ЖКТ с пищей, но теперь им нужно всосаться. Для них мицеллы — это такси, которое доставит витамины в энтероцит.

Уточню, что всасываются продукты переваривания в тонкой кишке. В подвздошной кишке их всасывается меньше, чем в тощей.

Ресинтез липидов

Липиды попали в энтероцит, но на этом сложности не заканчиваются. Тут есть парочка проблем:

1) Жирные кислоты, 2-моноацилглицеролы и холестерол —  это амфифильные молекулы. Что ещё включает амфифильные молекулы? Мембраны! Только в мембранах эти амфифильные молекулы специальные: холестерол, фосфо- и гликолипиды. Холестерол придаёт ей жёсткость. 

А теперь представляем ситуацию после еды. Богатой жирами, конечно же. Много жирных кислот, 2-моноацилглицеролов (2-МАГ) и холестерола устремились в клетку. Часть из них случайно может встроиться в мембрану. Холестерол может придать ей чрезмерную жестокость за счёт своих колец. А жирные кислоты и 2-МАГ не подходят для неё вовсе — у них слишком маленькая гидрофильная головка. Мы получим мембрану, которая не удовлетворяет потребности клетки. 

Эту проблему можно решить, если сразу же отправить эти молекулы в кровь. Всосались? Ну и валите отсюда, вы тут не нужны. Идея неплохая, но и не хорошая. Эти молекулы имеют большую гидрофобную часть. Поэтому они достаточно легко проходят через мембрану клетки. Значит, что они залетят в первую попавшуюся клетку, которой, может быть, эти ребята сейчас не требуются. А вдруг эта клетка не умеет их метаболизировать? В эритроците нет митохондрий, если в него попадёт жирная кислота, то он не сможет её окислить. Нет окисления — нет получения энергии.  

2) Организму понадобятся специальные белки-переносчики, которые будут связывать жирные кислоты, 2-моноацилгилцеролы и холестерол. И относить их туда, куда нужно. Сложновато. Придётся иметь слишком много белков в крови. Отдельно для жирных кислот, 2-МАГ и холестерола.

Поэтому энтероцит ресинтезирует липиды. В основном в виде жиров и эфиров холестерола. Он снова делает эти молекулы максимально гидрофобными — образуются липидные капли. Для чего? Смотрите, если мы сделаем липидную каплю, то её можно облепить белками. Эти белки придадут капле гидрофильные свойства, да ещё и будут специфическими. Мы сможем отправить эту молекулу в кровь — она спокойно путешествует там, потому что обладает гидрофильностью. Эти белки смогут специфически связаться с рецепторами. А эти рецепторы будут находиться только на тех клетках, которые метаболизируют липиды. Так липиды попадут туда, где они действительно требуются. Не придётся синтезировать кучу белков-переносчиков, которые всегда должны находиться в крови, чтобы во-время подхватить жирную кислоту или холестерол. 

Есть и второе биологическое значение для ресинтеза липидов. Не все жирные кислоты будут включены в реситнез. Только с длинной алифатической цепью — больше ~ 12 атомов углерода. Из них можно вытащить больше энергии, поэтому выгоднее доставить их тканям: для получения АТФ или запаса энергии в виде жира.

И ещё одно — в ресинтез включаются жирные кислоты, которые синтезируются в самом организме. Энтероцит умеет синтезировать жирные кислоты самостоятельно. И эти жирные кислоты включатся в ресинтез липидов. Получается, что такой жир или эфир холестерола будут максимально приближены к нашему собственному. Каждый вид животных синтезирует свой особый жир, включая человека.

Жирные кислоты, которые имеют меньше 12 атомов, попадают сразу же в кровь. Там они подхватываются специальным белком — альбумином. Одна из его функций — транспорт жирных кислот. Но альбуминов недостаточно много для того, чтобы транспортировать все жирные кислоты, которые образовались в процессе переваривания. Как мы обсуждали это выше. Так что предпочтительнее ресинтезировать липид, а потом облепить его белками. У таких частичек есть своё название — хиломикроны. 

Ресинтез липидов идёт в несколько этапов

Активация жирных кислот

На первом этапе клетка увеличивает реакционную способность жирной кислоты. С помощью присоединения к ней коэнзима А. Реакцию катализирует ацил-коэнзим А-синтетаза. Она использует энергию АТФ для того, чтобы создать макроэргическую связь между жирной кислотой и коэнзимом А. Так синтезируется ацил-коэнзим А. 

На втором этапе синтезируются жиры, эфиры холестерола и фосфолипиды. 

Ресинтез жиров или триацилглицеролов

У нас остался 2-моноацилглицерол, который можно использовать для синтеза жира. Сначала к нему присоединяется первая жирная кислота. С помощью фермента моноацилглицерол-ацилтрансферазы. Сократим название до МАГ-ацилтрансферазы. Этот фермент присоединяет жирную кислоту к первому атому 2-МАГ. Образуется 1,2-диацилглицерол (1,2-ДАГ). 

Дальше подключается второй фермент — диацилглицерол-ацилтрансфераза. Или ДАГ-ацилтрансфераза. Она присоединяет вторую активированную жирную кислоту к третьему атому 1,2-ДАГ. Вот и наш новенький жир.

Синтез эфиров холестерола

К холестеролу можно присоединить всего одну жирную кислоту, поэтому нам потребуется один фермент — ацил-коэнзим А:холестерол-ацилтрансфераза. Или сокращённо АХАТ. 

О синтезе фосфолипидов поговорим в другой статье, потому что он везде одинаков. Пока запомните реситнез жиров и эфиров холестерола. 

Далее эти гидрофобные молекулы будут облеплены белками, чтобы отправить их в кровь. Но об этом в следующей статье.