1 ЛИПИДОЛОГИЯ (Липиды биологических мембран Биоэффекторные липиды) Курс лекций 2016 г. г Профессор Владимир Виленович Безуглов Руководитель у д лаборатории р р оксилипинов ИБХ РАН ЛЕКЦИЯ 2 ЛЕКЦИЯ Ц 2 ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ Жирные кислоты – основной компонент липидных структур. Насыщенные и ненасыщенные кислоты. кислоты Эссенциальные жирные кислоты. Номенклатура полиеновых жирных кислот. Биосинтез насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Арахидоновая и докозагексаеновая кислоты. Транспорт жирных кислот в организме. Последствия недостаточности эссенциальных жирных кислот. р р кислоты. Транс-жирные Биологические эффекты жирных кислот. 2 The first Chapter: definitions and a description of his method of elementary analysis based on solvent solubility, crystallization, t lli ti saponification, ifi ti melting lti point, i t di distillation, till ti and d salt fractionation. The second Chapter: a description of all the species of fats and d th their i saponification ifi ti products. d t IIn thi this part, t iis d described ib d how to resolvd the soap of sheep fat into two distinct components leading to the discovery of stearic acid, different from the early described "margaric margaric acid acid" by its melting point. The third Chapter: a description of the preparation and isolation of the saponification products. The fourth Chapter: a comparison of the different animal fats. The fifth Chapter: Th Ch t a comparative ti examination i ti off his hi analyses with regard to atomic relations and a discussion of saponification. The sixth Th i th Ch Chapter t iis a summary and d a series i off conjectures j t on the immediate components of fats. Recherches chimiques sur les corps gras d'origine animale Paris, FG Levrault, 1823. In-8°, XVI-484 p. et pl. Chevreul M E (1786 – 1889) ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУР ЛИПИДОВ неполярная липоид амфифил полярная гидроид 4 ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СТРУКТУРЫ ЛИПИДОВ Жирные кислоты кислоты, жирные спирты Глицерин Сфингозин Холестерин Полярные модификаторы (фосфаты (фосфаты, углеводы, аминокислоты и аминоспирты) 5 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИНОВ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ – карбоновые кислоты с длинной алифатической (углеводородной) цепью. У большинства живых организмов организмов. ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ – вещества, синтезируемые в природе ферментативной конденсацией нескольких молекул малонил- кофермента А с длиной цепи от 4 атомов углерода (до 28 и выше) 6 7 КЛАССЫ ЛИПИДОВ A. Жирные кислоты B. Производные C. Продукты превращений КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИРНЫХ КИСЛОТ Жирные кислоты A 1. насыщенные (пальмитиновая, стеариновая) 2. моноеновые (олеиновая, пльмитолеиновая) 3 полиеновые (линолевая, 3. (линолевая линоленовая) 4. пентадиеновые (арахидоновая, д докозагексаеновая) ) 5. разветвленные, изо- и антизо- кислоты (18метил-эйкозановая) и др. (туберкулостеариновая) 6. циклические 7 содержащие гетероатомы в цепи 7. 8 ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ДЛИНЕ Длина ( C атомов)) <8 Название Сокращение Short (короткие) SCFA 8—12 Medium (средние) MCFA 14—18 Long (длинные) LCFA >20 Very long (очень длинные) VLCFA 9 10 НАСЫЩЕННЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ Наиболее распространены кислоты с длиной цепи 14, 16 и 18 углеродных атомов (10 – 40% всех ЖК). Входят в состав глицеро глицеро- и сфинголипидов. сфинголипидов 16 Пальмитиновая гексадекановая C16:0 1 метилен метил карбоксил ОСНОВНЫЕ НАСЫЩЕННЫЕ КИСЛОТЫ систематическое тривиальное сокращенное этановая уксусная C2:0 бутановая масляная C4:0 додекановая лауриновая C12:0 тетрадекановая р миристиновая р C14:0 гексадекановая пальмитиновая C16:0 октадекановая стеариновая C18:0 эйкозановая арахиновая C20:0 докозановая бегеновая C22:0 тетракозановая лигноцериновая C24:0 11 БИОСИНТЕЗ НАСЫЩЕННЫХ КИСЛОТ Acetyl CoA + 7 malonyl CoA + 14 NADPH + 14 H+→ Palmitate + 7 CO2 + 8 CoA + 14 NADP+ + 6H2O Синтаза жирных кислот (FAS) FAS-I у животных, единый комплекс ферментативных субъединиц. субъединиц FAS-II у растений, отдельные ферменты (в митохондриях у животных) Растущая цепь жирной кислоты связана с белком через р тиоэфирную связь. O - O O (Acyl Carrier Proteine) O Serine O SH P O N H OH pantetheine N H 12 ЭЛОНГАЦИЯ ЖИРНЫХ КИСЛОТ Элонгация жирных кислот у животных осуществляется в цикле четырёх реакций с участием малонил-коэнзима А. Идентифицировано 7 типов элонгаз ELOVL 1 to 7 (Elongation of very-long-chain fatty acid). ELOVL 1,3,6 участвуют в элонгации насыщенных и мононенасыщенных кислот. субстратная специфичность С16 → С18 С18 → С20 С20 → С22, С24 Локализация: эндоплазматический ретикулум (преобладает) митохондрии, пероксисомы 13 МОНОНЕНАСЫЩЕННЫЕ (МОНОЕНОВЫЕ) ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ 9 Олеиновая 9-цис-октадеценовая C18:1 9 Элаидиновая 9-транс-октадеценовая 9t-C18:1 COOH 14 ОБОЗНАЧЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДВОЙНОЙ СВЯЗИ 9 COOH ω9 ∆9 n-9 Олеиновая 9-цис-октадеценовая C18:1 18 1 9 18:1ω9 18:1n-9 9c-C18:1 15 16 ОСНОВНЫЕ МОНОЕНОВЫЕ КИСЛОТЫ Систематическое Тривиальное Короткое цис-9-тетрадеценовая миристолевая C14:1n-5 цис-9-гексадеценовая пальмитолеиновая C16:1n-7 цис 6 октадеценовая цис-6-октадеценовая петрозелиновая C18:1n 12 C18:1n-12 цис-9-октадеценовая олеиновая C18:1n-9 р д ц транс-9-октадеценовая элаидиновая д 9t-C18:1 цис-11-октадеценовая цис-вакценовая C18:1n-7 транс-11-октадеценовая вакценовая 11t-C18:1 цис-11-эйкозеновая гондоевая C:20:1n-9 цис-13-докозеновая эруковая C22:1n-9 цис 15 тетракозеновая цис-15-тетракозеновая нервоновая C24:1n 9 C24:1n-9 17 ТРАНС-ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ В ОРГАНИЗМЕ ЖВАЧНЫХ ЖИВОТНЫХ 18 ∆9-ДЕСАТУРАЗА СТЕАРОИЛ-КОА-ДЕСАТУРАЗА (SCD EC 1 (SCD; 1.14.99.5) 14 99 5) C18 0 C18:0 9 COOH C18:1 The half-life Th h lf lif of hepatic SCD is only 3 5h 3–5 Необходима для синтеза эфиров холестерина; индуцируется диетарным холестерином ИНГИБИРОВАНИЕ SCD ПРИВОДИТ К ВОСПАЛЕНИЮ И ЛИПОТОКСИЧНОСТИ Линолевая кислота ингибирует ру SCD в большей степени чем снижает активность FAS. Current Opinion in Lipidology 2010, 21:192–197 19 ДЕСАТУРАЗЫ – ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МЕМБРАННЫЕ МЕТАЛЛОФЕРМЕНТЫ Десатуразы жирных кислот являются частью мультикомпонентных систем, которые катализируют син-дегидрогенизацию неактивированного участка алифатической цепи эфира (ацил-липиды) или тиоэфира (ацилтранспортный р р белок или ацил-CoA). ц ) Этот процесс р ц зависит от наличия кислорода и никотинамидадениндинуклеотида. Локализация: эндоплазматический ретикулум 20 Разветвлённые РАЗВЕТВЛЕННЫЕ И Д ДРУГИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ КИСЛОТЫ 10R-метилстеариновая, туберкулостеариновая Изо- O H2 C H3C OH Антизо- CH3 Нео- 21 РАЗВЕТВЛЕННЫЕ И ДРУГИЕ Д МОДИФИЦИРОВАННЫЕ КИСЛОТЫ 4,8,12-триметилдодекановая Ладдерановая 8-(pentacyclo[6.4.0.02,7.03,6.09,12]dodecan-4-yl)octanoic acid Рицинолевая 10R-гидрокси-9c-октадеценовая Фурановые кислоты 22 23 ПОЛИНЕНАСЫЩЕННЫЕ (ПОЛИЕНОВЫЕ) КИСЛОТЫ Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК, PUFA) – жирные кислоты с числом двойных связей более одной. Метиленразделённые жирные кислоты содержат одну CH2-группу между цис-двойными й связями. Пентадиеновые кислоты – полиненасыщенные жирные кислоты, содержащие систему из двух метиленразделённых двойных связей. Пентадиеновый фрагмент НОМЕНКЛАТУРА ПОЛИЕНОВЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ Линолевая кислота 9,12-октадекадиеновая кислота 18:2ω6 18:2n-6 12 ω6 n-6 9 COOH 6 ∆9 24 25 ПОЛИНЕНАСЫЩЕННЫЕ (ПОЛИЕНОВЫЕ) КИСЛОТЫ Систематическое Тривиальное Сокращённое 9,12-октадекадиеновая линолевая C18:2n-6 9,12,15-октадекатриеновая альфа-линоленовая C18:3n-3 6,9,12-октаекадиеновая гамма-линоленовая C18:3n-6 6,9,12,15-октадекатетраеновая стеаридоновая C18:4n-3 8,11,14-эйкозатриеновая дигомо-гамма-линоленовая C20:3n-6 5,8,11,14-жйкозатетраеновая арахидоновая C20:4n-6 5,8,11,14,17-эйкозапентаеновая EPA C20:5n-3 7,10,13,16,19-докозапентаеновая DPA, клупанодоновая C22:5n-3 4 7 10 13 16 19-докозагексаеновая 4,7,10,13,16,19-докозагексаеновая DHA C22:6n-3 5,8,11-эйкозатриеновая кислота Мида C20:3n-9 26 ‘ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ Истоки 1929 - 1930 год Работы G. G Burr и M. M Burr о существовании эссенциальных жирных кислот и об эссенциальности линолевой кислоты 27 МОЖНО ЛИ ЗАМЕНИТЬ В ДИЕТЕ ЖИРЫ УГЛЕВОДАМИ? JBC_82_345_1929 СИМПТОМЫ НЕДОСТАТОЧНОСТИ 28 29 ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ ЖИРЫ JBC (1930) v. 87, p. 587 Маковое масло – 60-70% линолевой, 13-24% олеиновой, 13-18% 13 18% пальмитиновой 30 31 ЭССЕНЦИАЛЬНОСТЬ •Невозможность Невозможность эндогенного синтеза линолевой кислоты и альфалиноленовой кислоты (незаменимость) •Уникальные биологические эффекты фф жирных кислот и их производных и существенная у роль р в регуляции р у жизненно важных процессов ( (эссенциальность) ) НЕДОСТАТОЧНОСТЬ ЭССЕНЦИАЛЬНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ (LNA < 1%) •Кожные симптомы (дерматозы, увеличение проницаемости для воды и др.) •Снижение веса •Нарушение ру системы кровообращения р р щ (увеличение (у проницаемости капилляров, увеличение сердца) •Дегенерация или нарушение у функций у многих органов (почки – увеличение размера и кровоизлияния; лёгкие – накопление холестерина; уменьшение щитовидной железы; изменения надпочечников; атрофия селезенки и тимуса) •Нарушение системы воспроизведения •Изменение жирнокислотного состава липидов мембран, мембран снижение эффективности митохондрий 32 33 ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ КИСЛОТЫ Линолевая кислота (ω6) – масла зерновых (подсолнечное). Альфа-линоленовая кислота (ω3)– льняное масло, зеленые листовые овощи овощи. Арахидоновая кислота (ω6) – постное красное мясо, курятина, яичные желтки, материнское молоко. Докозагексаеновая кислота (ω3) – жирная рыба и рыбий жир, морепродукты, яйца. C18:0 ∆9D ω9 9 растения ∆12D ∆15D 34 ∆9 COOH животные морские организмы ∆12D ∆6D ∆15D ∆5D ∆6D ∆5D БИОСИНТЕЗ ПНЖК В РАСТЕНИЯХ ω9 9 COOH C18:1 Олеиновая кислота ∆12D ω6 15 12 9 6 COOH C18:2 Линолевая кислота ∆15D 15 ω3 3 12 9 6 α-Линоленовая кислота COOH C18:3 35 БИОСИНТЕЗ ПНЖК У ЖИВОТНЫХ Линолевая 18:2ω6 12 9 6 COOH ∆6 - десатураза COOH GLA, 18:3ω6 элонгаза COOH ∆5 - десатураза COOH 5,8,11,14-эйкозатетраеновая, 5 8 11 14 й арахидоновая кислота, AA, 20:4ω6 DHGL, 20:3ω6 36 18:1ω9 олеиновая 18:2ω6 18:3ω3 α-линоленовая ∆6 - десатураза 18:2ω9 18:3ω6 18:4ω3 элонгаза 20:2ω9 20:3ω6 20:4ω3 ∆5 - десатураза д 20:3ω9 Mead acid 20:4ω6 AA 20:5ω3 EPA 37 20:4ω6 AA 20:5ω3 EPA elongation g 22:4ω6 22:5ω3 elongation 24:4ω6 Недостаток DHA или αлиноленовой кислоты во время беременности приводит к снижению (часто – необратимому) когнитивных функций новорожденного, изменению его поведения и снижению функции сетчатки. 24:5ω3 ∆6 - desaturation d t ti 24:5ω6 24:6ω3 partial β-oxidation 22:5ω6 DPAω6 22:6ω3 DHA В липидах внешнего сегмента палочек содержание DHA может достигать 50 – 70% от всех жирных кислот. В сером веществе мозга PS содержит до 37%, а PE до 24% DHA. PS PE PS, 38 БИОСИНТЕЗ DHA ТРЕБУЕТ УЧАСТИЯ ФЕРМЕНТОВ В РАЗЛИЧНЫХ КОМПАРТМЕНТАХ КЛЕТКИ slow fast 39 C22:6N-3 В ФОТОРЕЦЕПТОРАХ RPE - retinal pigment epithelium IPM interphotoreceptor matrix N.G. Bazan,, M.F. Molina,, W.C. Gordon ANRNutr_31_321_2011 22:6n-3 lysoPtdCho 41 Docosahexaenoic acid (DHA) (22:6) delivery to photoreceptors, photoreceptor membrane renewal, and synthesis y of neuroprotectin p D1 ((NPD1). ) DHA ((22:6)) or immediate p precursors are obtained by diet. Once within the liver, hepatocytes incorporate 22:6 into 22:6-phospholipid (22:6-PL)-lipoproteins, which are then transported to the choriocapillaris. 22:6 crosses Bruch’s membrane from the subretinal circulation and is taken up by the retinal pigment epithelium (RPE) cells lining the back of the retina to subsequently be sent to the underlying photoreceptors. This targeted delivery route from the liver to the retina is referred to as the 22:6 long loop. Then 22:6 passes through the interphotoreceptor p p matrix ((IPM)) and into the p photoreceptor p inner segment, g where it is incorporated into phospholipids for cell membrane, organelles, and disk membrane biogenesis. As new 22:6-rich disks are synthesized at the base of the photoreceptor outer segment, older disks are pushed apically toward the RPE cells. Photoreceptor tips are phagocytized by the RPE cells each day day, removing the oldest disks disks. The resulting phagosomes are degraded within the RPE cells, and 22:6 is recycled back to photoreceptor inner segments for new disk membrane biogenesis. This local recycling is referred to as the 22:6 short loop. Upon inductive signaling, such as pigment-epithelium derived factor (PEDF), 22:6 can be obtained from a phospholipid pool for the synthesis of neuroprotectin D1 (NPD1). ANRNutr_31_321_2011_Docosahexaenoic Acid Signalolipidomics in Nutrition DHA selects proteins for vision and brain development The unique q molecular structure of DHA allows for q quantum transfer and communication of - electrons, which explains the precise repolarization of retinal membranes and the cohesive, organized neural signaling which characterizes higher intelligence. intelligence M.A. Crawford, et al., A quantum theory for the irreplaceable role off docosahexaenoic acid in neural cell signalling throughout evolution, Prostaglandins Leukotrienes Essent. Fatty Acids 42 43 ТРАНСПОРТ ЖИРНЫХ КИСЛОТ В свободной форме – нековалентно связанные с альбумином и другими гидрофобными белками плазмы (7.5 (7 5 ±2.5 2 5 nM M в плазме человека). ) В эфирной форме: триглицериды; эфиры холестерина; фосфолипиды; карнитин (для транспорта в митохондрии). Транспорт DHA в мозг осуществляется в комплексе с альбумином и в виде DHA-лизолецитина, генерируемого е ер р е о о печенью, е е ю и связанного с за о о с а альбумином. б о 44 БЕЛКИ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ПЕРЕНОСЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ Fatty acid transport proteins (FATPs) membrane cytosolic membrane, Fatty acid binding proteins (FABPs) Fatty acid translocases (FATs) Long chain fatty acyl-CoA binding proteins (ACBPs) ИЗМЕНЕНИЯ В СОСТАВЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ФОСФОЛИПИДОВ МИТОХОНДРИЙ Д ПРИ НЕДОСТАТКЕ Д ЭССЕНЦИАЛЬНЫХ Ц ЖИРНЫХ КИСЛОТ 45 g/100g total FA 35 30 25 Mead acid 20 Normal EFA defficient 15 10 5 0 16:00 18:00 18:1n-9 18:2n-6 20:3n-9 20:3n-6 20:4n-6 20 : 3n 9 0.04 20 : 4n 6 20 : 3n 9 0.53 EFA defficient 20 : 4n 6 НЕДОСТАТОЧНОСТЬ ЭССЕНЦИАЛЬНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ (LNA < 1%) Причины: Причины: •Недостаток Недостаток в пище •Нарушение абсорбции •Нарушение десатуразной системы (Reyes; Prader Prader-Willi Willi syndromes) •Избыток олеиновой и транс-кислот в пище Показатели: Кислота Мида – общая недостаточность эссенциальных кислот DPA(n-6) – недостаточность n-3 кислот 46 Curr O Opin Lipid dol. 2014 JJun; 25(3): 200–206 6. ТРАНСПОРТ Д ДИЕТАРНЫХ ЛИПИДОВ 47 СООТНОШЕНИЕ ОМЕГА3 И ОМЕГА6 КИСЛОТ В ГРУДНОМ МОЛОКЕ Диета в среднем по стране р Отношение ω6/ω3 Япония 4 Великобритания 7 США 14 СОДЕРЖАНИЕ Ω3- И Ω6-КИСЛОТ В РАЗЛИЧНЫХ ПРОДУКТАХ ПИТАНИЯ 50 К ВОПРОСУ О ПАЛЬМОВОМ МАСЛЕ African Oil Palm (Elaeis guineensis Molecules 2015, 20, 17339-17361 51 SN 2 ГИПОТЕЗА SN-2 Eur. J. Lipid Sci. Technol. 2014, 116, 1301–1315 Гидролиз липидов Липазы, гидролазы, амидазы Синтез de novo Десатуразы, элонгазы Свободные жирные кислоты COOH Включение в мембранные липиды Амидирование, этерификация эндоканнабиноиды и родств. соед. Оксигенация до оксилипинов Биологические эффекты 52 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ЖИРНЫХ КИСЛОТ •Основные структурные компоненты мембранных фосфолипидов •Модуляция М ф ф фосфолипаз (PLA2, PLC) •Ингибирование синтеза фосфоинозитидов •Медиаторы Медиаторы активации сфингомиелинового цикла •Активация протеинкиназ •Модуляция уровня внутриклеточного Ca++ •Модулирование гормонального сигнала (специфическое снижение рецепторного связывания стероидных гормонов) •Регуляции Регуляции транскрипции генов (лиганды для транскрипционных факторов PPAR, SREBP, NFκ B, RXR) • Модуляция ионных каналов •Модуляция М транспорта нейротрансмиттеров й • Модификация мембранных белков 53 РЕЦЕПТОРЫ Ц ЖИРНЫХ КИСЛОТ IChs GPCRs long-FFA short-FFA short-FFA long-FFA PUFA TRAAK PUFA TREK 1 TREK-1 PUFA L-Ca L Ca2+-C C PUFA v-Na v Na+-C C ω-3 3 PUFA TRPV1 GPR40 GPR41 GPR43 GPR 120 54 55 CLA- Conjugated Linolenic Acid HO HO 9c,11t O 10t,12c O CLA оказывает ингибирующий эффект на эпидермальный канцерогенез, индуцированный химическими агентами. CLA в рационе увеличивает продукцию иммуноглобулинов в лимфоцитах селезенки крыс и уменьшает антигенстимулированный выброс гистамина и простагландина E2 из трахеи чувствительных морских свинок. CLA в рационе добровольцев (4.2 г/день) приводит к уменьшению массы жира, но и увеличивает процессы перекисного окисления. 56 57 БИОСИНТЕЗ CLA 58 ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ •Обеспечивают запас энергетического материала •Являются незаменимым структурным компонентом •Обладают выраженной биологической активностью активностью, действуя как регуляторы функционирования важных систем организма р •Являются интегрирующим фактором (поддерживают стабильность системы) ЛЕКЦИЯ 3 ЛИПИДЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН Биологические мембраны: функции и компоненты Мембранные белки Углеводы в мембранах Основные типы мембранных липидов Фосфолипиды Ремоделинг жирных кислот Сфингомиелин Холестерин 59