Lipolýza je metabolický proces, prostredníctvom ktorého sa triacylglyceroly (TAG) rozkladajú hydrolýzou na svoje základné molekuly: glycerol a voľné mastné kyseliny (FFA). Ukladanie tuku v tele prebieha prostredníctvom tukových TAG a využíva sa na teplo, energiu a izoláciu. Telo využíva tukové zásoby ako hlavný zdroj energie počas hladovania, pričom šetrí bielkoviny. Celkovo sú tuky kvantitatívne najdôležitejším palivom v tele a čas, ktorý človek vydrží bez jedla, závisí najmä od množstva tuku uloženého v tukovom tkanive. Lipolýza je teda obzvlášť dôležitá v stave metabolizmu nalačno, keď hladina glukózy v krvi klesla. Vyskytuje sa však aj pri nestimulovaných (bazálnych podmienkach). [1]Glycerol produkovaný lipolýzou je zdrojom uhlíka pre glukoneogenézu v pečeni. FFA sú transportované v krvi naviazané na albumín a sú buď oxidované v tkanivách procesom nazývaným beta-oxidácia, alebo konvertované na ketolátky. Vedľajšie produkty beta-oxidácie, ATP a NADH, podporujú glukoneogenézu. FFA sa v pečeni premieňajú na ketolátky, ktoré slúžia ako zdroj energie pre mozog, čím sa znižuje ďalšia spotreba už vyčerpanej glukózy v krvi. FFA sa v tele využívajú na výrobu energie alebo biosyntetické cesty okrem bieleho tukového tkaniva (WAT), kde sa ukladajú. V metabolickom stave „nalačno“, keď je telo zbavené živín, WAT uvoľňuje FFA a glycerol na zásobovanie netukových tkanív. [2] Hlavné enzýmy, ktoré sa podieľajú na lipolýze, tvoria adipóznu triglyceridovú lipázu (ATGL), hormón-senzitívnu lipázu (HSL) a monoglyceridovú lipázu (MGL).
Základy
Syntéza triacylglyceroluTAG, ktoré poskytujú telu významný zdroj energie, sa získavajú zo stravy alebo sú syntetizované endogénne, hlavne v pečeni. V krvi sa transportujú ako lipoproteíny a ukladajú sa v tukovom tkanive. Medzi hlavné triedy krvných lipoproteínov patria lipoproteíny s vysokou hustotou (HDL), lipoproteíny so strednou hustotou (IDL), lipoproteíny s nízkou hustotou (LDL), lipoproteíny s veľmi nízkou hustotou (VLDL) a chylomikróny. Chylomikróny prechádzajú syntézou v tenkom čreve a transportujú dietetické TAG z tenkého čreva do tkanív, ako sú svaly a tukové tkanivo. Pečeň syntetizuje VLDL v pečeni a transportuje TAG z pečene do tkanív rovnakým spôsobom. HDL majú viacero funkcií v porovnaní s metabolizmom lipidov, vrátane integrálnej úlohy pri premene VLDL na LDL. HDL tiež slúži ako rezervoár pre esenciálne apoproteíny, ako je Apo C-II. Apo C-II aktivuje lipoproteínovú lipázu, enzým zodpovedný za trávenie a rozklad TAG. K syntéze zásob TAG v tukovom tkanive dochádza v najedenom stave po jedle.Hydrolýza triacylglyceroluPočas obdobia nedostatku energie je WAT stimulovaná homeostatickou kontrolou, aby sa posunula smerom k vyšším čistým rýchlostiam lipolýzy. Táto zmena stavu výživy objasňuje tento kompenzačný proces a je regulovaná prostredníctvom hormonálnych a biochemických signálov. Lipolýza prebieha usporiadaným a kontrolovaným spôsobom, pričom v každom kroku pôsobia rôzne enzýmy. Katecholamíny sú primárnymi aktivátormi lipolýzy, pričom na ňu vplývajú aj iné hormóny a zložky potravy. Každá z týchto látok sa viaže a pracuje na svojich príslušných membránovo viazaných receptoroch, aby vyvolala signálnu kaskádu s jediným cieľom, aktivovať HSL. ATGL vykonáva prvý krok hydrolýzy TAG (teda obmedzuje rýchlosť), pričom generuje diacylglyceroly a FFA. HSL vykonáva druhý krok a hydrolyzuje DAG, pričom vytvára monoacylglyceroly a FFA.Problematika obávDefektná lipolýza v netukových tkanivách zhoršuje ich normálnu funkciu, čo vedie k nadmernej akumulácii TAG a ochoreniu ukladania lipidov. [2] Naopak, nadbytok FFA v dôsledku neregulovanej lipolýzy vedie k lipotoxicite v netukových tkanivách. Neschopnosť zabaliť FFA do lipidových kvapiek spôsobuje chronické zvýšenie cirkulujúcich FFA, čo môže viesť k chronickému zápalu, mitochondriálnej dysfunkcii a bunkovej smrti. [3]BunkováAko už bolo opísané, hormóny sa viažu na receptory bunkového povrchu (tj norepinefrín viaže beta-adrenergné receptory), aby stimulovali lipolýzu v adipocytoch. Je známe, že množstvo proteínov spojených s lipidovými kvapôčkami moduluje rýchlosti bazálnej (nestimulovanej) a stimulovanej lipolýzy. Tieto proteíny zahŕňajú CGI-58 a perilipín. Perilipín je hlavný proteín nachádzajúci sa v spojení s lipidovými kvapôčkami v adipocytoch. [4] Vo WAT existujú dva dôležité mechanizmy regulujúce lipolýzu: aktivácia ATGL pomocou CGI-58 a fosforylácia HSL a perilipínu sprostredkovaná proteínkinázou A (PKA).V bazálnom stave je CGI-58 naviazaný na perilipín, vďaka čomu nie je schopný viazať alebo aktivovať ATGL. ATGL aj HSL sa nachádzajú v cytosóle.V stimulovanom stave ß-adrenergné receptory signalizujú adenylylcyklázu, aby generovala cAMP. cAMP potom viaže PKA, čo vedie k zvýšenej aktivite enzýmu. PKA potom fosforyluje HSL a perilipín, čo spôsobí translokáciu HSL z cytosolu na povrch lipidovej kvapky. Fosforylovaný perilipín teraz uvoľňuje CGI-58, aby sa mohol viazať a aktivovať ATGL. Podobne ako HSL, aj ATGL sa musí translokovať z cytosolu na povrch lipidovej kvapky. Je dôležité poznamenať, že MGL je lokalizovaný na povrchu lipidovej kvapky, v cytosóle a ER nezávisle od metabolického stavu. [5]MolekulárnaLipidy majú rôzne štruktúry, ale všetky sú podobné v tom, že sú nerozpustné vo vode. Mastné kyseliny majú zvyčajne párny počet atómov uhlíka, majú dĺžku 16 až 20 uhlíkov a môžu byť nasýtené alebo nenasýtené (posledné platí, že obsahujú dvojité väzby). Sú opísané počtom uhlíkov, ktoré obsahujú, a polohami dvojitých väzieb, ak nejaké existujú. Napríklad kyselina arachidónová má 20 uhlíkov a štyri dvojité väzby a zapisuje sa ako 20:4, A5,8,11,14 alebo 20:4(ω-6).Všetky prirodzene sa vyskytujúce mastné kyseliny majú dvojité väzby v cis konfigurácii. Klasifikácia polynenasýtených mastných kyselín je často podľa polohy prvej dvojitej väzby od omega-konca (uhlík najvzdialenejší od karboxylovej skupiny). Bežnými príkladmi sú omega-3 a omega-6 mastné kyseliny. Monoacylglyceroly (monoglyceridy), diacylglyceroly (diglyceridy) a triacylglyceroly (triglyceridy) obsahujú jednu, dve a tri mastné kyseliny esterifikované na glycerol.FunkciaMastné kyseliny sú prenášané na albumín v krvi. V tkanivách, ako sú svaly a obličky, mastné kyseliny podliehajú oxidácii na energiu. V pečeni sa mastné kyseliny premieňajú na ketolátky, ktoré sú oxidované tkanivami, ako sú svaly a obličky. Počas hladovania (po trvaní pôstu asi tri a viac dní) mozog využíva ketolátky na energiu. Ketónové telieska, acetoacetát a β-hydroxybutyrát slúžia ako zdroj paliva. Pečeň využíva glycerol ako zdroj uhlíka na glukoneogenézu, ktorá produkuje glukózu pre tkanivá vrátane mozgu a červených krviniek.
Mechanizmus
Syntéza triacylglyceroluSú syntetizované dvoma spôsobmi: (1) z FFA produkovaných ako vedľajší produkt účinku lipoproteínovej lipázy na chylomikróny a VLDL a (2) z glycerolovej skupiny odvodenej od glukózy. V pečeni a tukovom tkanive poskytuje glycerol-3-fosfát (G3P) glycerolovú skupinu. Pečeň môže premeniť glycerol na G3P cez medziprodukt alebo priamo, pretože má enzým glycerolkinázu. Tukovým bunkám chýba tento enzým a musia produkovať G3P výlučne prostredníctvom medziproduktu. Ukladanie TAG v tukovom tkanive je sprostredkované inzulínom, ktorý stimuluje tukové bunky k sekrécii lipoproteínovej lipázy a k vychytávaniu glukózy, ktorá sa premieňa na glycerol (cez medziprodukt DHAP) na syntézu triacylglycerolu. V tomto procese sa glukóza premieňa na DHAP, ktorý je redukovaný NADH za vzniku G3P. v konečnom dôsledku G3P reaguje s dvoma mastnými acyl CoA molekulami za vzniku kyseliny fosfatidovej. Fosfátová skupina sa odštiepi za vzniku diacylglycerolu, ktorý reaguje s iným mastným acylom CoA za vzniku triacylglycerolu.Hydrolýza triacylglyceroluAko už bolo uvedené, v období nedostatku energie je WAT stimulovaný hormonálnymi a biochemickými signálmi na zvýšenie lipolýzy. Lipolýza prebieha usporiadaným a kontrolovaným spôsobom, pričom v každom kroku pôsobia rôzne enzýmy. Súčasný model lipolýzy identifikuje tri hlavné zahrnuté enzýmy: ATGL, HSL a MGL. Katecholamíny, najmä norepinefrín, sú primárnymi aktivátormi lipolýzy vyvolanej hladovaním, pričom vplyv majú aj iné hormóny. Patria sem kortizol, glukagón, rastový hormón (GH) a adrenokortikotropný hormón (ACTH).Diétne zlúčeniny, ako je kofeín a vápnik, tiež stimulujú lipolýzu. Každá z týchto látok sa viaže a pôsobí na ich príslušné membránovo viazané receptory a vyvoláva signalizačnú kaskádu pomocou spoločného druhého posla, cyklického AMP. Cyklický AMP sa potom viaže a aktivuje proteínkinázu A (PKA). Akonáhle je PKA enzymaticky aktívna, fosforyluje HSL, najdôležitejší z troch enzýmov zapojených do iniciácie lipolýzy, pretože je enzymaticky aktivovaná vo všetkých štádiách hydrolýzy. ATGL vykonáva prvý krok hydrolýzy TAG, pričom generuje diacylglyceroly a FA. Jeho aktivita je prísne regulovaná dvoma pomocnými proteínmi: CGI-58 a G0S2. CGI-58 koaktivuje hydrolázovú aktivitu ATGL a G0S2 inaktivuje hydrolázovú aktivitu ATGL. HSL vykonáva druhý krok a hydrolyzuje DAG, pričom vytvára monoacylglyceroly a FA.
Metabolizmus mastných kyselín
Mastné kyseliny s krátkym a stredne dlhým reťazcom voľne difundujú do cytosólu a mitochondrií buniek. Mastné kyseliny s dlhým reťazcom musia prejsť proteínom sprostredkovaným transportom cez bunkovú membránu do cytosolu prostredníctvom translokázy mastných kyselín (FAT) alebo proteínu viažuceho mastné kyseliny (FABP). Acyl-CoA syntáza potom premieňa mastné kyseliny na mastný acyl-CoA. Mastný acyl-CoA musí byť teraz transportovaný do mitochondrií cez vonkajšiu mitochondriálnu membránu, a to pomocou karnitín palmitoyltransferázy-I (CPT-I), kde sa stáva mastným acylkarnitínom. Mastný acyl-karnitín je potom transportovaný cez vnútornú membránu do mitochondriálnej matrice karnitín acyl-translokázou (CAT) a konvertovaný späť na mastný acyl-CoA pomocou palmitoyltransferázy-II (CPT-II), kde je teraz pripravený na oxidáciu.Beta oxidáciaBeta oxidácia je degradácia mastných kyselín odstránením dvoch uhlíkov naraz. Je to primárna cesta pre katabolizmus mastných kyselín a prebieha v mitochondriálnej matrici tkanív, ako sú pečeň, svaly a tukové tkanivo. Dvojuhlíkové fragmenty sa postupne odstraňujú z karboxylového konca mastného acyl-CoA, čím vzniká NADH, FADH a acetyl CoA, ktorý sa používa v cykle TCA na výrobu ATP. Mastné kyseliny s nepárnym počtom uhlíkov nakoniec poskytujú jeden mól propionyl-CoA, ktorý sa premení na sukcinyl CoA, takže je použiteľný v cykle TCA. Beta oxidácia je tiež dôležitá ako primárny regulátor pohybu cez komplex pyruvátdehydrogenázy (PDH). Keď je rýchlosť oxidácie mastných kyselín vysoká, aktivita PDH klesá, čo obmedzuje glykolýzu,Syntéza ketónovHladiny ketónov sú nízke počas normálneho kŕmenia a fyziologického stavu. Používajú ich srdce a kostrové svaly na uchovanie limitovanej glukózy pre použitie v mozgu a erytrocytoch. Počas stavu nalačno sa mastné kyseliny oxidujú v pečeni na acetyl CoA, ktorý sa premieňa na ketolátky acetoacetát a beta-hydroxybutyrát. Tieto vysoké hladiny ketónov tiež inhibujú aktivitu PDH a oxidáciu mastných kyselín, aby šetrili glukózu a umožnili vstup do mozgu, kde môžu slúžiť ako zdroje energie. Normálne počas pôstu svaly metabolizujú ketolátky tak rýchlo, ako ich pečeň uvoľňuje, čím zabraňuje ich hromadeniu v krvi. Ak sa ketóny v krvi dostatočne zvýšia, môže to viesť ku ketoacidóze, ktorá je obzvlášť rozšírená u ľudí s cukrovkou I. typu a vyžaduje starostlivé sledovanie.TestovanieV súčasnosti existuje niekoľko stratégií na odhadovanie lipolýzy, ktoré vo všeobecnosti spadajú do dvoch kategórií: metódy bez aktivity a metódy založené na aktivite. Metódy, ktoré nie sú založené na aktivite, zahŕňajú stanovenie množstva asociovaných enzýmov a regulačných proteínov. Metódy založené na aktivite zahŕňajú priame meranie aktivity asociovaných enzýmov. [2]Za posledných niekoľko rokov sa objavili nové a aktualizované informácie a názory na lipolýzu sa zmenili. Teraz je známe, že meranie expresie mRNA alebo proteínu používané v metódach, ktoré nie sú založené na aktivite, často nestačí na odhad kapacity lipolýzy. Je potrebná kombinácia metód. [2]PatofyziológiaNeutrálne lipidové ukladanie s myopatiou (NLSDM) – zriedkavá dedičná porucha vznikajúca v dôsledku mutácií v géne ATGL, ktorá vedie k systémovej akumulácii TAG, myopatii, srdcovým abnormalitám a hepatomegálii. [6]Chanarin-Dorfmanov syndróm alebo NLSD s ichtyózou (NLSD-I) je výsledkom mutácií v CGI-58, aktivátore ATGL. Vykazujú tiež systémovú akumuláciu TAG, miernu myopatiu a hepatomegáliu, ale vyskytujú sa aj s ichtyózou, čo je kožná porucha charakterizovaná suchou, zhrubnutou a šupinatou pokožkou. [6]Familiárna parciálna lipodystrofia (FPLD) typu 4 je spojená s mutáciou v géne PLIN1 kódujúcom perilipín 1. Fenotypicky je charakterizovaná stratou podkožného tuku z končatín. Histologicky má šesť pacientov s touto mutáciou malé adipocyty so zvýšenou infiltráciou makrofágov a hojnou fibrózou. [7]Familiárna parciálna lipodystrofia (FPLD) typu 6 sa vyskytuje v dôsledku mutácie v géne LIPE kódujúceho hormón-senzitívnu lipázu. Je charakterizovaná abnormálnou distribúciou podkožného tuku, a teda komplikáciami, ktoré sú s ňou bežne spojené. Patria sem dysregulovaná lipolýza, inzulínová rezistencia, diabetes mellitus, zvýšené ukladanie tuku v telesných orgánoch a dyslipidémia; u iných sa môže dokonca vyvinúť svalová dystrofia, čo naznačuje zvýšená sérová kreatínfosfokináza. [8]Existuje mnoho porúch metabolizmu tukov, ktoré sa prejavujú závažnými a špecifickými charakteristikami, ale nie sú tu diskutované, pretože sú mimo rámca lipolýzy, konkrétne. Tieto zahŕňajú, ale nie sú obmedzené na poruchy oxidácie mastných kyselín (FAOD), ako je nedostatok MCAD alebo primárny nedostatok karnitínu a peroxizomálne poruchy, ako je Zellwegerov syndróm a adrenoleukodystrofia.
Klinický význam
Zmeny v lipolýze sú často spojené s obezitou. Tieto zmeny zahŕňajú zvýšenú bazálnu rýchlosť lipolýzy, ktorá môže podporovať rozvoj inzulínovej rezistencie a tiež zníženú schopnosť reagovať na stimulovanú lipolýzu. [9] Kombinácia zosilnenej lipolýzy a narušenej lipogenézy v konečnom dôsledku podporuje inzulínovú rezistenciu v dôsledku uvoľňovania cytokínov a lipidových metabolitov. Okrem toho tukové tkanivo ľudí rezistentných na inzulín vykazuje nedostatok proteínov zapojených do mitochondriálnej funkcie. Zdroje energie odvodené od mitochondrií fungujú pri lipogenéze v tukovom tkanive. [10] Obezita je charakterizovaná predovšetkým nadbytkom WAT v dôsledku hypertrofie adipocytov, ktorá je výsledkom zvýšeného ukladania TAG. Obezita je rozšírený zdravotný problém na celom svete kvôli jej spojeniu s niekoľkými poruchami, vrátane inzulínovej rezistencie, cukrovky typu II, hypertenzie a aterosklerózy.
