Cholesterol

Cholesterol je lipid zo skupiny steroidov. Sumárny vzorec je C₂₇H₄₅OH. Jeho názov pochádza z gréčtiny: chole znamená žlč a stereos znamená pevný, pretože cholesterol prvýkrát izolovali zo žlčových kameňov.

Štruktúra molekuly cholesterolu.

Cholesterol je životne dôležitá látka, ktorá je súčasťou bunkových membrán, nervových obalov, steroidných hormónov a žlčových kyselín.

Výskyt

Cholesterol sa nachádza v bunkovej membráne eukaryotických buniek. V ľudskom tele sa nachádza vo všetkých tkanivách vrátane krvi buď voľný alebo estericky viazaný s vyššou karboxylovou kyselinou. Voľný cholesterol sa zúčastňuje na stavbe bunkových stien. Väčšina telesného cholesterolu nepochádza zo stravy, ale syntetizuje sa priamo v organizme. Najväčšia koncentrácia cholesterolu je v tkanivách, kde sa cholesterol syntetizuje (pečeň), alebo kde sa nachádzajú pevnejšie bunkové membrány (mozog, miecha).

Cholesterol je známy v súvislosti s kardiovaskulárnymi ochoreniami spojenými so zvýšenou hladinou lipoproteínov v krvi (ateroskleróza, hypercholesterolémia).

Biosyntéza cholesterolu

Cholesterol je neesenciálna zložka potravy človeka, t.j. nemusí byť prijímaný v potrave, pretože organizmus disponuje schopnosťou syntézy cholesterolu z intermediátu metabolizmu, ktorým je acetylkoenzým A čiže cholesterol vzniká z kyseliny octovej.

Od skvalénu ku lanosterolu

Premena skvalénu na lanosterol pôsobením skvalénepoxidázy a skvalénoxidcyklázy

Skvalén je nenasýtený rozvetvený biogénny uhľovodík, ktorého priestorová štruktúra je podobná steránovému tetracyklickému steránu. Reakcia katalyzovaná skvalénepoxidázou, ktorá je lokalizovaná v endoplazmatickom retikule, vedie na vznik epoxidového heterocyklu skvalénoxidu. Skvalénoxid sa premieňa pôsobením skvalénoxidcyklázy až na lanosterol.

Premenu skvalénu na lanosterol môžeme rozdeliť na tri časti:

• prvá časť: tvorba epoxidového heterocyklu pomocou skvalénepoxidázy, čím zo skvalénu vznikne skvalénoxid
• druhá časť: cyklizácia skvalénoxidu, pri ktorej vzniknú všetky štyri cykly stránového skeletu. Konečným produktom tejto časti je tvorba protosterolového katiónu.
• tretia časť je charakteristická:
  • hydridovými posunmi
  • metylovými posunmi
  • elimináciou za tvorby dvojitej väzby.

Prvá časť: tvorba epoxidového cyklu

Skvalénepoxidáza je oxidoreduktáza, ktorá na premenu skvalénu na skvalénoxid vyžaduje jednu molekulu NADPH a jednu molekulu kyslíka O₂, pričom iba jeden atóm kyslíka molekuly O₂ skončí v cieľovej molekule. Druhý atóm kyslíka vytvorí molekulu vody H₂O, čiže slúži ako akceptor elektrónov. Keďže redukcia dvoch atómov kyslíka v molekule O₂ vyžaduje štyri elektróny, ďalšie dva elektróny na redukciu druhého atómu kyslíka poskytne substrát (zároveň sa tento redukovaný atóm kyslíka naviaže na molekulu substrátu). Z opísaného mechanizmu je jasné, že skvalénepoxidáza je monooxygenáza.

Druhá časť: cyklizácia skvalénoxidu za tvorby protosterolového katiónu

Skvalénoxidcykláza je enzým, ktorý umožňuje (okrem iného) cyklizáciu skvalénoxidu na protosterolový karbkatión. Vytvorenie všetkých štyroch cyklov steránového jadra začína nukleofilným atakom eopxidového kruhu susednou dvojitou väzbou, ktorá poskytne elektróny na tvorbu σ-väzby medzi C5 a C4. Tým sa kladný náboj presunie z protonizovaného kyslíka epoxidového kruhu na uhlík C10. Tým sa úspešne uzvarel cyklus-A steránového jadra.

Karbkatión na C10 je elektrofilný, preto prijme elektróny π-väzby medzi uhlíkmi C8 a C9, čím sa vytvorí σ-väzba medzi uhlíkmi C10 a C9 a kladný náboj sa presunie z C10 na C8. Týmto sa uzavrel cyklus-B steránového jadra.

Karbkatión na C8 je elektrofilný, preto prijme elektróny π-väzby medzi uhlíkmi C13 a C14, čím sa vytvorí σ-väzba medzi uhlíkmi C14 a C8 a kladný náboj sa presunie z C8 na C13. Týmto sa uzavrel cyklus-C steránového jadra. Tu treba podotknúť, že z dvoch možností (tvorba sekundárne karbkatiónu vs. tvorba terciárneho karbkatiónu), vzniká nestabilnejší sekundárny karbkatión.

Karbkatión na C13 je elektrofilný, preto prijme elektróny π-väzby medzi uhlíkmi C17 a C20, čím sa vytvorí σ-väzba medzi uhlíkmi C17 a C13 a kladný náboj sa presunie z C13 na C20. Týmto sa uzavrel cyklus-D steránového jadra (cyklopentánový kruh).

Touto cyklizačnou sekvenciou sme získali protosterolový karbkatión, ktorý nesie kladný náboj na C20 a patrí medzi terciárne karbkatióny.

Tretia časť: tvorba lanosterolu z protosterolového karbkatiónu

Skvalénoxidcykláza je enzým, ktorý umožňuje aj tvorbu lanosterolu z protosterolového karbkatiónu pomocou hydrodových a metylových posunov.

Od lanosterolu ku cholesterolu

Od lanosterolu ku cholesterolu

Lanosterol (1) sa premieňa na cholesterol v sekvencií 19 krokov, ktorá si vyžaduje deväť rôznych enzýmov, pričom 2 z nich katalyzujú viaceré kroky (oxidácie metylových skupín: metyl (alkán) → hydroxymetyl (alkohol) → formyl (aldehyd) → karboxylová skupina → oxid uhličitý/formiát). Tri metylové skupiny lanosterolu (C30, C31 a C32) sa oxidujú a sú odstránené ako formiát (kyselina mravčia), respektíve ako oxid uhličitý.

Premenu lanosterolu (1) na cholesterol môžeme rozdeliť na dve časti:

• prvá časť: odstránenie troch metylových skupín naviazaných na uhlík C4 a C14. Produktom prvej časti je zymosterol (16).
• druhá časť, v ktorej prebiehajú:
  • izomerizácie, pri ktorých sa presúva dvojitá väzba v B-kruhu steránového jadra
  • redukcia dvojitej väzby v bočnom reťazci medzi uhlíkmi C24-C25.

Významným intermediátom druhej časti je 7-dehydrocholesterol (19), z ktorého fotolýzou pôsobením slnečného žiarenia vzniká cholekalciferol - vitamín D₃.

Prvá časť: odstránenie metylových skupín lanosterolu

1. štiepenie σ-väzby C32-C14

Ako prvá sa odstraňuje metylová skupina viazaná na C14 steránového jadra, ktorá tvorí uhlík C32. Najskôr prebieha hydroxylácia C32 metylovej skupiny lanosterolu (1) za vzniku hydroxymetylovej skupiny pomocou lanosterol-14α-demetylázy, ktorá katalyzuje oxidáciu uhlíka C32 až po štiepenie väzby uhlík-uhlík: C32-C14. Oxidácia primárneho alkoholu 3β-hydroxylanost-8-én-32-olu (2) na aldehyd 3β-hydroxylanost-8-én-32-ál (3) je nasledovaná oxidáciou aldehydu (3) Baeyerovou - Villigerovou oxidáciou za vzniku formylovaného alkoholu 14α-formyloxy-lanost-8-en-3β-olu (4), ktorý eliminačnou reakciou prejde na alkén cholestatrién (5), pri ktorej sa odštiepi uhlík C32 vo forme formiátu (HCOOH). Získaná dvojitá väzba sa redukuje na jednoduchá väzbu pomocou Δ¹⁴-sterolreduktázy, čím vznikne 14-demetyllanosterol (6).

2. štiepenie σ-väzby C30-C4

14-demetyllanosterol (6) vstupuje do podobnej sekvencie oxidačných reakcií ako lanosterol, pričom sa však oxiduje 4α-metylová skupina pôsobením sterol-4α-metyloxidázy. Produktom je karboxylová kyselina: 4β-metyl-4α-karboxycholesta-8,24-dien-3β-ol (9), ktorá dekarboxyluje, pričom súčasne dôjde ku:

• inverzii konfigurácie na dekarboxylovanom uhlíku C4: metylová skupina sa presunie na druhú stranu steránového jadra: získame 4α-metylovú skupinu, ktorá môže byť oxidovaná sterol-4α-metyloxidázou.
• oxidícii uhíka C3 premenou hydroxylovej skupiny na oxoskupinu.

Ketón 3-oxo-4-metylzymosterol (10) musí byť zredukovaný na sekundárny alkohol 4α-methyl-cholesta-8,24-dien-3β-ol (11) pomocou steroid-3-oxoreduktázy, aby sa mohla byť odstránená aj tretia metylová skupina.

3. štiepenie σ-väzby C31-C4

Sekundárny alkohol 4α-methyl-cholesta-8,24-dien-3β-ol (11) nesie metylovú skupinu na C4 v správnej polohe (4α), preto sa stáva substrátom pre sterol-4α-metyloxidázu, ktorá zoxiduje aj druhú metylovú skupinu viazanú na uhlíku C4 za uvoľnenia oxidu uhličitého. Produktom sterol-4α-metyloxidázy je znova ketón: zymosterón (15), ktorý je zredukovaný na sekundárny alkohol pomocou steroid-3-oxoreduktázy, čím vznikne zymosterol (16).

Druhá časť: premena zymosterolu na cholesterol

Zymosterol (16) ako produkt odštiepovania metylových skupín z lanosterolu (1) vstupuje do druhej časti premeny, ktorá začne migráciou dvojitej väzby katalyzovanej Δ⁸-Δ⁷-sterolizomerázou, čím vznikne izomér zymosterolu: lantosterol (17). Pôsobením sterol-Δ²⁴-reduktázy sa zredukuje dvojitá väzba na bočnom uhľovodíkovom reťazci lantosterolu, čím sa získa latosterol (18). Po tomto redukčnom ktorku nasleduje oxidačný krok katalyzovaný Δ⁷-sterol-Δ⁵-desaturázou, ktorá vytvorí konjugovanú dvojitú väzbu k už existujúcej dvojitej väzbe, a vznikne 7-dehydrocholesterol (19), z ktorého fotolýzou pôsobením slnečného žiarenia vzniká cholekalciferol - vitamín D₃. Pri syntéze cholesterolu však 7-dehydrocholesterol (19) podľahne redukčnej reakcii katalyzovanej Δ⁷-sterolreduktázou, ktorá vytvorí cholesterol.

Degradácia cholesterolu

Molekula cholesterolu je bohatá na redukované atómy uhlíka (podobne ako mastné kyseliny), preto by mohla byť zdrojom energie. Organizmy však nedisponujú enzýmami, ktoré by dokázali rozložiť cholesterol na oxid uhličitý a vodu za zisku energie uloženej v molekule cholesterolu. Z dôvodu, že syntéza cholesterolu je energeticky veľmi náročná, organizmus prísne reguluje biosyntézu cholesterolu (i.e. syntetizuje len minimálne množstvo cholesterolu) a jeho degradáciu. Degradácia cholesterolu súvisí v jeho premenami na iné látky, ktoré majú svoj význam v organizme:

• žlčové kyseliny - cholesterol sa premieňa na žlčové kyseliny, ktoré vykonávajú enterohepatálny obeh, i.e. vylučujú sa ako súčasť žlče do duodena, odtiaľ putujú do tenkého čreva, odkiaľ sa spätne resorbujú do krvi, ktorou sa dostávajú späť do pečene, kde boli syntetizované z cholesterolu. Enterohepatálny obeh však nemá sto percentnú účinnosť a teda dochádza ku stratám žlčových kyselín. To sa považuje za hlavný proces, ktorým sa cholesterol (premený na žlčové kyseliny) vylučuje z organizmu.
• steroidné hormóny - cholesterol sa v endokrinných žľazách premieňa na steroidné hormóny, ktoré sú signalizačnými molekulami, ktoré musia byť degradované veľmi účinne a rýchlo po ukončení ich funkcie v organizme. Degradácia steroidných hormónov preto môže byť tiež považovaná za cestu, ktorou sa z tela vylučuje cholesterol vo forme degradačných produktov steroidných hormónov.