Lipid Metabolism •Lipid Catabolism •Lipid Biosynthesis ผศ.ดร. จันทรพร ทองเอกแกว Sc. 325 อาคารวิจัย คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี

1

Lipid Catabolism • การยอยลิปดจากอาหาร การดูดซึมและการขนสงลิปด ไปยังสวนตางๆ ของรางกาย (Digestion, Mobilization and Transport of fatty acids) • การสลายกรดไขมัน Oxidation of Fatty acid (βoxidation) • คีโตนบอดี้ (Ketone Bodies)

2

Lipid Biosynthesis • การสังเคราะห Fatty acid (saturated/unsaturated)

• การสังเคราะห Lipid ชนิดตางๆ ไดแก Triacylglycerol, Membrane phospholipid, Sphingolipid, Cholesterol, steroids and isoprenoids 3

Lipids

คือสารอินทรียท ี่ไมละลายในน้ํา แตละลายไดดีใน ตัวทําละลายอินทรีย (Organic solvent) 4

ลิปดจากอาหาร (Dietary Lipid) • Triacylglycerols, phospholipids, sterol esters •

Principal sources: dairy products, meats

5

Digestion, Mobilization and Transport of fatty acid)

การยอยไขมัน (Digestion) • ทําการยอยลิปด ที่รางกายเก็บสะสมไว (Storage lipid) หรือจากอาหาร (Dietary lipid) :Triacyglycerol • Enzyme :- Lipase • เกิดการยอยบริเวณลําไสเล็ก 6

การดูดซึมไขมัน (Mobilization and Transport of fatty acid) Bile salt Large fat droplets

Micelles of Triglycerides Mono, diglycerides, free fatty acid and glycerol

Lymp Blood plasma

Glycerol + fatty acids oxidized

Energy

storage

Adipose tissue 7

Uptake of dietary lipid in the Intestine of vertebrate animal and delivery of fatty acid to muscle and adipose tissue

8

Mobilization of fats from adipose cells Hormone : Glucagon Ephinephrine ACTH (Adrenocorticotropic Hormone)

9

Lipolysis

Hormone (Adrenalin, Glucagon, ACTH) Receptor Activates

ATP

Adenylyl Cyclase

c-AMP

Activates lipase Triacylglycerols

Glycerol + Fatty acids

Adipose Cell

Blood

10

Acylglycerol Lipases Diacylglycerol (DAG) Triacylglycerol Lipase

OH

Diacylglycerol Lipase

Triacylglycerol (TAG)

OH 3 fatty acid +

OH OH Glycerol

Monoacylglycerol Lipase

+ fatty acid

OH

OH

Monoacylglycerol (MAG)

+ 2 fatty acid 11

การสลายกรดไขมัน Oxidation of Fatty acid (βoxidation) • Fatty acid oxidation cycle มี 2 ขั้นตอน

คือ

1. การกระตุนและการขนยายกรดไขมัน (fatty acid activation and transport) ไปยังเนื้อเยื่อไมโตคอนเดรีย 2. การสลายกรดไขมัน (Oxidation of fatty acid) เกิด ในชัน้ เมทิกซของไมโตคอนเดรีย 12

1. การกระตุนและการขนยายกรดไขมัน (fatty acid activation and transport) ไปยังเนือ้ เยื่อไมโตคอนเดรีย 1

มี 3 ขั้นตอน คือ 1. Activation 2. Transfer to carnitine 2 3. Transfer to innermitochondrial membrane

3 13

2. การสลายกรดไขมัน (Oxidation of fatty acid) • โดยกระบวนการ β - oxidation • เกิดบริเวณชั้น matrix ของ mitochondria • ประกอบดวย 4 ปฏิกิริยา คือ 1. First Dehydrogenation 2. Hydration 3. Second Dehydrogenation 4. Cleavage 14

β - oxidation

1. การขจัดไฮโดรเจน ครั้งที่ 1 (First Dehydrogenation) FAD FADH2

Acyl CoA dehydrogenase

Fatty acyl CoA

2-Enoyl-CoA

• เรงปฏิกิริยาโดยเอนไซม Acyl CoA dehydrogenase • ได 1 FADH2 15

2. การเติมน้ํา (Hydration) H2O

Enoyl CoA hydratases

2-Enoyl-CoA

3-Hydroxyacyl-CoA

16

3. การขจัดไฮโดรเจน ครั้งที่ 2 (Second Dehydrogenation) NAD+ NADH

3-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase

3-Hydroxyacyl-CoA

3-Ketoacyl-CoA

• เรงปฏิกิริยาโดยเอนไซม 3-Hydroxyacyl CoA dehydrogenase

• ได 1 NADH 17

4. การตัดพันธะไทโอเอสเทอร (Thiolytic cleavage) Acetyl-CoA

3-Ketoacyl-CoA thiolase

3-Ketoacyl-CoA

Fatty acyl CoA - 2C

- ในแตละรอบของ β - oxidation จะยอย fatty acid ออกทีละ 2 หนวยของคารบอน ในรูปของ acetyl CoA และ - ไดพลังงานในรูปของ FADH2 และ NADH 18

ภาพรวมของการเกิดบีตาออกซิเดชัน่ (Overview of β - oxidation)

Acyl CoA (Cx) + CoASH + FAD +NAD++ H2O

Acyl CoA (Cx-2) + acetyl19CoA + FADH2 + NADH

ภาพรวมของการยอยสลายกรดไขมัน (Overview of fatty acid oxidation cycle)

20

การยอยสลายกรดปาลมิติก (β - oxidation ของ palmitic acid)

Palmitic acid

Palmitoyl CoA ATP

AMP+PPi

7 cycles

Palmitoyl CoA (C16) + 8CoASH + 7FAD +7NAD++ 7H2O

8Acetyl CoA + 7FADH2 + 7NADH 21

พลังงานที่ไดรับจาก 1 acetyl CoA จาก TCA cycle • 3 NADH • 1 FADH2 • 1 GTP (ATP) = 3(x3 ATP)+1(2 ATP) + 1 ATP = 12 ATP

TCA cycle

22

Total energy of 1 molecule of palmitic acid Palmitoyl CoA (C16) + 8CoASH + 7FAD +7NAD++ 7H2O

8Acetyl CoA + 7FADH2 + 7NADH

(8x12) + (7x2) + (7x3) -1 = 96+14+21-1 = 130 ATP

23

การเกิดบีตาออกซิเดชั่นของกรดไขมันชนิดไมอิ่มตัว (β-Oxidation of Unsaturated Fatty Acids) H H CH 3 (CH2 )7 -C=C-CH 2 (CH2 )6 COSCoA

Oleoyl CoA Beta Oxidation (3 Cycles)

H Isomerase H H CH 3 (CH2 )7 -CH2 -C=C-COSCoA CH 3 (CH2 )7 -C=C-CH 2 COSCoA 2 H trans-Δ 3 cis-Δ

Continuation of β-Oxidation 24

การเปรียบเทียบพลังงานที่ไดรับจากกรดไขมันอิ่มตัวและไมอมิ่ ตัวที่มี จํานวนคารบอนเทากัน • unsaturated Fatty acid < saturated Fatty acid Fatty acid

Acetyl CoA

FADH2

Total NADH Energy

Stearic acid (C18:0)

9

8

8

147

Oleic acid (C18:1,Δ9)

9

7

8

145

เนื่องจากในรอบที่ 4 ไมตองเขาสูขั้นตอน dehydrogenation ครั้งที่ 1(-1 FADH2)

25

การเกิดบีตาออกซิเดชัน่ ของกรดไขมันที่มีจํานวนคารบอนเปนเลขคี่ (Oxidation of Odd-Chain Fatty Acids) ไดจาก Plants, marine organism

Propionate

(ไดจาก การหมักของ คารโบไฮเดรตใน rumen ของสัตวเคี้ยวเอื้อง) ATP + HCO3ADP + Pi

Methylmalonyl CoA Methylmalonyl B12 Succinyl B12

Succinyl CoA

26 TCA cycle

การเปรียบเทียบการยอยสลายกรดไขมันที่มีจํานวนคารบอนเปนเลขคูและเลขคี่

27

คีโตนบอดี้ (Ketone bodies) •

•

ใชเปนแหลงพลังงานในสภาวะอดอาหารหรือในผูปวย โรคเบาหวาน (As a fuel for starvation condition or diabetes)

เกิดจากการสลาย Fatty acid

Acetyl CoA

TCA cycle สลายไมทัน Acetyl CoA รวมกันเอง • สังเคราะหที่บริเวณตับ 28

การสังเคราะห Ketone bodies (Ketogenesis)

29

การสังเคราะห Ketone bodies (Ketogenesis) Acetyl CoA + Acetyl CoA Acetoacetyl CoA Acetyl CoA β-Hydroxy-β-methylglutaryl CoA Acetoacetyl CoA CO2

NADH +H+ NAD

Acetone

β-Hydroxybutyrate

30

Ketone bodies excess Lower blood pH acidosis shock 31

การยอยสลายคีโตนบอดี้ (oxidation of ketone bodies)

2

TCA cycle 32

Lipid Biosynthesis • Acetyl CoA excess

Fatty acid synthesis •

เกิดปฏิกิริยาในสวน cytoplasm 33

การนํา Acetyl CoA ออกจาก mitochondria

Citrate transport system

34

Fatty acid synthesis

ประกอบดวย 7 ปฏิกิริยา ใน Cytoplasm 1. Biosynthesis of malonyl CoA

HCO3- + ATP + acetyl-CoA

ADP + Pi + malonyl-CoA 35

2. Priming reaction Acetyl CoA + ACP-SH

Acetyl-ACP

3. Malonyl transfer step Malonyl CoA +ACP-SH

Malonyl-ACP

36

4. Condensation

5. First reduction 6. Dehydration

7. Second reduction 37

Fatty acid synthesis

• การสังเคราะหกรดไขมันจะตองใช ATP และ NADPH จํานวนมาก ไดมาจาก pentose phosphate pathway และ การทํางานของ malic enzyme

• NADPH

• ผลผลิตที่ไดเริ่มตนจะเปน กรดปาลมติ กิ (palmitic acid (C16:0)) 38

Fatty Acid Biosynthesis: Sources of NADPH Pentose Phosphate Pathway: CHO OH

NADP+

CO2-

NADPH + H+

OH

NADP+

NADPH + H+

HO

HO

OH OH OP 6-Phosphogluconate

OH OH OP Glucose-6phosphate

Malic Enzyme:

NADP+

HO-CH-CO2 Malate

CO2

NADPH + H+

-

CH2CO2

-

OH O OH OH OP Ribulose-5phosphate

O CH3CCO2-

Malic Enzyme CO 2

Pyruvate 39

สมการการสังเคราะหกรดไขมัน 1 รอบ (1) Acetyl CoA + HCO3- + ATP

malonyl-CoA + ADP + Pi

(2) Acetyl CoA + malonyl CoA + 2NADPH + 2H+ + 2ACP-SH (C2)

(C3)

Butyryl-ACP + 2NADP+ + H2O + CO2 (C4)

(1) + (2) 2Acetyl CoA + ATP + 2NADPH + 2H+ + 2ACP-SH Butyryl-ACP + 2NADP+ + H2O + ADP + Pi

40

สมการการสังเคราะหกรดปาลมิติก (C16:0) (1) 7Acetyl CoA + 7HCO3- + 7ATP

7malonyl-CoA + 7ADP + 7Pi

(2) Acetyl CoA + 7malonyl CoA + 14NADPH + 14H+ + 14ACP-SH Palmitate + 14NADP+ + 7H2O + 7CO2

(1) + (2) 8Acetyl CoA + 7ATP + 14NADPH + 14H+ + 14ACP-SH Palmitate + 14NADP+ + 7H2O + 7ADP + 7Pi

41

Comparison of Fatty acid synthesis and β-oxidation pathways β-Oxidation Pathway

Fatty Acid Synthesis

mitochondrial matrix

cytosol

Acyl carriers (thiols)

Coenzyme-A

phosphopantetheine (ACP) & cysteine

Electron acceptors/donor

FAD & NAD+

NADPH

2-C product/donor

acetyl-CoA

malonyl-CoA (& acetylCoA)

Pathway location

42

การสรางกรดไขมันทีม่ คี ารบอนมากกวา 16 อะตอม • สารตนตอ คือ Palmitate • ใช malonyl CoA และ NADPH เปนตัวเพิ่ม คารบอน • เอนไซมที่ใชอยูใน endoplasmic reticulum หรือ microsome • สามารถเติมคารบอนเพิ่มขึ้นครั้งละ 2 ตัว (C16 C18 C20) เรียกวา microsomal chain elongation system

Palmitate (C16:0) Malonyl CoA 2NADPH

Stearate (C18:0) Malonyl CoA 2NADPH

Arachidate (C20:0) 43

การสรางกรดไขมันทีม่ ีพันธะคู • สารตนตอ คือ Palmitate • สรางพันธะคูโดยใช O2 และ NADPH ทําปฏิกิริยากับ Fatty acyl CoA

• เอนไซมที่ใชอยูใน endoplasmic reticulum หรือ microsome เรียกวา microsomal

Palmitoyl CoA (C16:0) O2 NADPH

Palmitoleyl CoA (C16:1 cis Δ9)

desaturase system 44

การสรางกรดไขมันทีม่ ีพันธะคู (ตอ) • การสรางพันธะคูใ นสัตวเลี้ยงลูกดวยนมไมสามารถสรางเกินตําแหนง ที่ 9 เชน Palmitoleic acid (C16:1, Δ9) , Oleic acid (C18:1, Δ9)

• ดังนัน้ สัตวจงึ ไมสามารถสราง Linoleic acid (C18:2, Δ9,12) และ Linolenic acid (C18:3, Δ9,12,15) ตองไดรับจากพืช จึงเรียกกรดไขมัน 2 ชนิดนี้วา กรดไขมันจําเปน (Essential fatty acid) 45

46

การควบคุมการสังเคราะหกรดไขมัน • ถูกควบคุมดวยเมตาบอลิสมของคารโบไฮเดรต Glucose

Glyceride3-phosphate

Triglyceride phosphoglyceride

pyruvate Palmitoyl CoA Ketone bodies Malonyl CoA

Acetyl CoA OAA

citrate

x

citrate

x

Acetyl CoA

mitochondria

OAA

47

Triglyceride synthesis Glucose

Glycerol

glycolysis

48

Phospholipid Synthesis Ethanolamine Choline

CTP

Phosphatidate

Phosphoryl (Ethanolamine) (Choline)

H2O

PPi

CDP-diacylglycerol inositol CMP

Pi

Diacylglycerol CDP-ethanlamine CDP-choline

Phosphatidyl inositol

CMP

Phosphatidyl ethanolamine Phosphatidyl choline Serine Ethanolamine

Phosphatidyl serine

49

ตัวที่สาํ คัญซึ่งเปนองคประกอบของสมองคือ •Phosphatidyl ethanolamine โดยที่ X คือ ethanolamine + -CH2-CH2-NH3 •Phosphatidyl choline โดยที่ X คือ choline + -CH2-CH2-N(CH3)3 50

Sphingolipid Palmitoyl CoA Synthesis

Serine

3-ketosphinganine Sphinganine Dihydroceramide

Ceramide

Sphingomyelin Galactosyl Glucosyl ceramide ceramide Complex glycosphingolipids

51

Sphingomyelin

x= phosphocholine เปนองคประกอบสวนใหญของ Brain cell membrane

52

Glycosphingolopids or neutral glycolipids

โดยที่ X เปน carbohydrate

= Sphingosine(N-alcohol) + 1 fatty acid + mono-,di-,tri-, oligosaccharide

carbohydrate 53

X = glucose เรียกวา Glucosylcerebroside X = Lactose เรียกวา Lactosylceramide

X

54

Gangliosides

O group

X เปน oligosaccharide เชน การจดจําของหมูเลือด N-acetylgalactosamine

A group Galactose

B group

oligosaccharide 55

Cholesterol and cholesterol derivative synthesis

56

แหลงของโคเลสเตอรอล (Sources of cholesterol)

57

ชนิดของโคเลสเตอรอลในเลือด 1. แอล ดี แอล โคเลสเตอรอล (LDL Cholesterol) เปนไขมันที่เปนตนเหตุและ เปนตัวการที่สําคัญที่สุดของโรค หลอดเลือดแดงตีบตัน 2. เอช ดี แอล โคเลสเตอรอล (HDL Cholesterol) เปนไขมันที่มีหนาที่ปองกันและตอตานการเกิดโรคหลอดเลือด แข็ง 3. วี แอล ดี แอล โคเลสเตอรอล VLDL (คือ คาไตรกลีเซอไรด หาร ดวย 5) ถามีคาสูงก็เพิ่มความเสี่ยงตอการเกิดโรคหลอดเลือด แดงแข็ง

58

Schematic view of cholesterol transport though blood stream 59

60

การอุดตันของหลอดเลือดจากการมีโคเลสเตอรอลไปเกาะที่ผนังหลอด เลือดเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

61

โรคหัวใจขาดเลือด (Ischemic Heart Disease, Coronary Heart Disease, Arteriosclerotic Heart Disease) อาการของโรคหัวใจขาดเลือด แบงออกเปน 3 พวกคือ 1. Myocardial Infarction เปนภาวะที่กลามเนื้อหัวใจตาย ผูปวยพวกนี้อาจตายไดทันที เมื่อเกิดเปนโรคนี้ ครั้งแรกเลย ในพวกที่รอดตายก็จะเกิด แผลเปนทีห่ วั ใจ 62

โรคหัวใจขาดเลือด (Ischemic Heart Disease, Coronary Heart Disease, Arteriosclerotic Heart Disease) (ตอ)

2. Angina Pectoris มีอาการของโรคหัวใจขาดเลือดชั่วขณะ ผูปวยเหลานี้ เสี่ยงตอการเกิด Myocardial Infarction หรือตายทันที ได 3. Sudden Death มีอาการหัวใจวายเสียชีวิตปจจุบันทันดวน 63

การควบคุมระดับโคเลสเตอรอล เราสามารถควบคุมระดับโคเลสเตอรอลได 3 วิธี คือ 1. ควบคุมอาหาร • หลีกเลี่ยงการรับประทานอาหารที่มีปริมาณโคเลสเตอรอลสูง ไดแก ไขแดง เครื่องในสัตว เนือ้ สัตวสวนที่ติดมันทุกชนิด สมองสัตว อาหารทะเลบางชนิด เชน หอยนางรม ปลาหมึก • ควรใชน้ํามันพืชแทนน้ํามันสัตว เนือ่ งจากน้ํามันที่สกัดจากเมล็ด พืชจะมีกรดลิโนเลอิค (Linoleic acid) ที่เปนตัวนํา Cholesterol ไปเผาผลาญไดดี 64

การควบคุมระดับโคเลสเตอรอล (ตอ) 2. ออกกําลังกาย • การออกกําลังกายเปนประจําจะชวยเพิ่มระดับเอช ดี แอล โคเลสเตอรอล และชวยลดแอล ดี แอล โคเลสเตอรอล และ ไตรกลีเซอไรดได 3. ใชยาชวยลดระดับไขมันในเลือด • ทั้งนี้ ตองอยูในดุลยพินิจของแพทยเปนผูส ั่งการและ ติดตามรักษา 65

ระดับไขมันที่ดี ที่กอใหเกิดโรคหัวใจไดนอย คือ • ระดับโคเลสเตอรอลต่ํากวา 200 มก./ดล. • ระดับไตรกลีเซอรไรดต่ํากวา 200 มก./ดล. • ระดับเอ็ช ดี แอล โคเลสเตอรอล สูงกวา 50 มก./ ดล. • อัตราสวนโคเลสเตอรอล : เอ็ช ดี แอล ต่ํากวา 4 66