生物化学与分子生物学/血浆脂蛋白及其代谢

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脂质代谢 - 脂质的构成、功能及分析 - 脂质的消化与吸收 - 甘油三酯代谢 - 磷脂代谢 - 胆固醇代谢 - 血浆脂蛋白及其代谢

血脂是血浆所含脂质的统称[编辑]

血浆脂质包括甘油三酯、磷脂、胆固醇及其酯,以及游离脂肪酸等。磷脂主要有卵磷脂(约70%)、神经鞘磷脂(约20%)及脑磷脂(约10%)。血脂有两种来源,外源性脂质从食物摄取入血,内源性脂质由肝细胞、脂肪细胞及其他组织细胞合成后释放入血。血脂不如血糖恒定,受膳食、年龄、性别、职业以及代谢等影响,波动范围较大

血浆脂蛋白是血脂的运输形式及代谢形式[编辑]

血浆脂蛋白可用电泳法和超速离心法分类[编辑]

不同脂蛋白所含脂质和蛋白质不一样,其理化性质如密度、颗粒大小、表面电荷、电泳行为,免疫学性质及生理功能均有不同,据此可将脂蛋白分为不同种类。

  • 电泳法按电场中的迁移率对血浆脂蛋白分类 不同脂蛋白的质量和表面电荷不同,在同一电场中移动的快慢不一样。α-脂蛋白(α-lipoprotein)泳动最快,相当于α1-球蛋白位置;β-脂蛋白(β-lipoprotein)相当于β-球蛋白位置;前β-脂蛋白(pre-β-lipoprotein)位于β-脂蛋白之前,相当于α2-球蛋白位置;乳糜微粒(chylomicron, CM)不泳动,留在原点(点样处)。
  • 超速离心法按密度对血浆脂蛋白分类 不同脂蛋白因含脂质和蛋白质种类和数量不同,密度也不同。将血浆在一定密度盐溶液中超速离心,脂蛋白会因密度不同而漂浮或沉降。通常用Svedberg漂浮率(Sf)表示脂蛋白上浮或下沉特性。在26℃、密度为1.063的NaCl溶液、每达因/克作用下,上浮10-13cm/s,即为1Sf单位,即1Sf=10-13(cm/s)/(dyn/g)=10-13s。乳糜微粒含脂最多,密度最小,易上浮;其余脂蛋白按密度由小到大依次为极低密度脂蛋白

(very low density lipoprotein, VLDL)、低密度脂蛋白(lowdensity lipoprotein, LDL)和高密度脂蛋白(high density lipoprotein, HDL); 分别相当于电泳分类中的CM、前β-脂蛋白、β-脂蛋白及α-脂蛋白。
人血浆还有中密度脂蛋白(intermediate density lipoprotein, IDL)和脂蛋白(a) [lipoprotein (a), Lp(a)]。IDL是VLDL在血浆中向LDL转化的中间产物,组成及密度介于VLDL及LDL之间。Lp(a)的脂质成分与LDL类似,蛋白质成分中,除含一分子载脂蛋白BlOO外,还含一分子载脂蛋白A(apolipoprotein A), 是一类独立脂蛋白,由肝产生,不转化成其他脂蛋白。因蛋白质及脂质含噩不同,HDL 还可分成亚类,主要有HDL2及HDL3

血浆脂蛋白是脂质与蛋白质的复合体[编辑]

  • 血浆脂蛋白中的蛋白质称为载脂蛋白 迄今已从人血浆脂蛋白分离出20多种载脂蛋白(apolipoprotein, apo) , 主要有apoA、B、C、D及E等五大类。载脂蛋白在不同脂蛋白的分布及含量不同,apoB48是CM特征载脂蛋白,LDL几乎只含apo B100,HDL主要含apo AⅠ及apo AⅡ。
  • 不同脂蛋白具有相似基本结构 大多数载脂蛋白如 apo AⅠ、AⅡ、CⅠ、CⅡ、CⅢ及E等均具双性α-螺旋 (amphipathic α helix)结构,不带电荷的疏水氨基酸残基构成α-螺旋非极性面,带电荷的亲水氨基酸残基构成α-螺旋极性面。在脂蛋白表面,非极性面借其非极性疏水氨基酸残基与脂蛋白内核疏水性较强的甘油三酯(triglycerides, TG)及胆固醇酣(cholesterol ester, CE)以疏水键相连,极性面则朝外,与血浆的水相接触。磷脂及游离胆固醇具有极性及非极性基团,可以借非极性疏水基团与脂蛋白内核疏水性较强的TG及CE以疏水键相连,极性基团朝外,与血浆的水相接触。所以,脂蛋白是以TG及CE为内核,载脂蛋白、磷脂及游离胆固醇单分子层覆盖于表面的复合体,保证不溶于水的脂质能在水相的血浆中正常运输。脂蛋白一般呈球状,CM及VLDL主要以TG为内核, LDL及HDL则主要以CE为内核。

不同来源脂蛋白具有不同功能和不同代谢途径[编辑]

乳糜微粒主要转运外源性甘油三酯及胆固醇[编辑]

乳糜微粒(chylomicron, CM)代谢途径又称外源性脂质转运途径或外源性脂质代谢途径。食物脂肪消化后,小肠黏膜细胞用摄取的中长链脂肪酸再合成甘油三酯(triglyceride, TG), 并与合成及吸收的磷脂和胆固醇,加上apo B48、apo AⅠ、apo AⅡ、apo AⅣ等组装成新生CM,经淋巴道入血,从高密度脂蛋白(highdensity lipoprotein, HDL)获得apo C及apo E, 并将部分apo AⅠ、apo AⅡ、apo AⅣ转移给HDL,形成成熟CM。apo CⅡ激活骨骼肌、心肌及脂肪等组织毛细血管内皮细胞表面脂蛋白脂肪酶(lipoproteinlipase, LPL) , 使CM中TG及磷脂逐步水解,产生甘油、脂肪酸及溶血磷脂。随着CM内核TG不断被水解,释出大量脂肪酸被心肌、骨骼肌、脂肪组织及肝组织摄取利用,CM颗粒不断变小,表面过多的apo AⅠ、apo AⅡ、apo AⅣ、apo C、磷脂及胆固醇离开CM颗粒,形成新生HDL。CM最后转变成富含胆固醇酯(cholesterol ester, CE)、apo B48及 apo E的CM残粒(remnant), 被细胞膜LDL受体相关蛋白(LDL receptor related protein, LRP)识别、结合并被肝细胞摄取后彻底降解。apo CⅡ是LPL不可缺少的激活剂,无apo CⅡ时,LPL活性很低;加入apo CⅡ后,LPL活性可增加10~50倍。正常人CM在血浆中代谢迅速,半寿期为5~15分钟,因此正常人空腹12~14小时血浆中不含CM。

极低密度脂蛋白主要转运内源性甘油三酯[编辑]

极低密度脂蛋白(verylow density lipoprotein, VLDL)是运输内源性TG的主要形式,其血浆代谢产物低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)是运输内源性胆固醇的主要形式,VLDL及LDL代谢途径又称内源性脂质转运途径或内源性脂质代谢途径。肝细胞以葡萄糖分解代谢中间产物为原料合成TG,也可利用食物来源的脂肪酸和机体脂肪酸库中的脂肪酸合成TG,再与apo BlOO、E以及磷脂、胆固醇等组装成VLDL。此外,小肠黏膜细胞亦可合成少量VLDL。VLDL分泌入血后,从高密度脂蛋白(high density lipoprotein, HDL)获得apo C, 其中apo CⅡ激活肝外组织毛细血管内皮细胞表面的脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase, LPL)。和CM代谢一样,VLDL中TG在LPL作用下,水解释出脂肪酸和甘油供肝外组织利用。同时,VLDL表面的apo C、磷脂及胆固醇向HDL转移,而HDL胆固醇酷又转移到VLDL。该过程不断进行,VLDL中TG不断减少,CE逐渐增加,apo B100及E相对增加,颗粒逐渐变小,密度逐渐增加,转变为中密度脂蛋白(intermediate density lipoprotein, IDL)。IDL胆固醇及TG含量大致相等,载脂蛋白则主要是apo B100及apo E。肝细胞膜LRP可识别和结合IDL,因此部分IDL被肝细胞摄取、降解。未被肝细胞摄取的IDL(在人约占总IDL50%, 在大鼠约占10%),其TG被LPL及肝脂肪酶(hepaticlipase, HL)进一步水解,表面apo E转移至HDL。这样,IDL中剩下的脂质主要是CE,剩下的载脂蛋白只有apo B100, 转变为LDL。VLDL在血液中的半寿期为6~12小时。

低密度脂蛋白主要转运内源性胆固醇[编辑]

人体多种组织器官能摄取、降解低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL), 肝是主要器官,约50%的LDL在肝降解。肾上腺皮质、卵巢,睾丸等组织摄取及降解LDL能力亦较强。血浆LDL降解既可通过LDL受体(LDL receptor)途径完成,也可通过单核-吞噬细胞系统完成。正常人血浆LDL,每天约45%被清除,其中2/3经LDL受体途径,1/3经单核吞噬细胞系统。血浆LDL半寿期为2~4天。
1974年,M.S.Brown及J.L.Goldstein首先在人成纤维细胞膜表面发现了能特异结合LDL的LDL受体。他们纯化了该受体,证明它是839个氨基酸残基构成的糖蛋白,分子质量160000。后来发现,LDL受体广泛分布于全身,特别是肝、肾上腺皮质、卵巢、睾丸、动脉壁等组织的细胞膜表面,能特异识别、结合含apo B100或apo E的脂蛋白,故又称apoB/E受体(apoB/E receptor)。当血浆LDL与LDL受体结合后,形成受体-配体复合物在细胞膜表面聚集成簇,经内吞作用进入细胞,与溶酶体融合。在溶酶体蛋白水解酶作用下,apo B100被水解成氨基酸;胆固醇酷则被胆固醇酯酶水解成游离胆固醇和脂肪酸。
游离胆固醇在调节细胞胆固醇代谢上具有重要作用:

  • 抑制内质网HMG-CoA还原酶(HMG-CoA reductase) , 从而抑制细胞自身胆固醇合成;
  • 从转录水平抑制LDL受体基因表达,抑制受体蛋白合成,减少细胞对LDL进步摄取;
  • 激活内质网脂酰-CoA:胆固醇脂酰转移酶(acyl-CoA:cholesterol acyl transferase, ACAT), 将游离胆固醇酷化成胆固醇酯在细胞质贮存。

同时,游离胆固醇还有重要生理功能:

  • 被细胞膜摄取,构成重要的膜成分;
  • 在肾上腺、卵巢及睾丸等固醇激素合成细胞,可作为类固醇激素合成原料。

LDL被该途径摄取、代谢多少,取决于细胞膜上受体多少。肝、肾上腺皮质、性腺等组织LDL受体数目较多,故摄取LDL亦较多。
血浆LDL还可被修饰成如氧化修饰LDL(oxidized LDL, Ox-LDL), 被清除细胞即单核-吞噬细胞系统中的巨噬细胞及血管内皮细胞清除。这两类细胞膜表面有清道夫受体(scavenger receptor, SR) , 可与修饰LDL结合而清除血浆修饰LDL。

高密度脂蛋白主要逆向转运胆固醇[编辑]

新生高密度脂蛋白 (high density lipoprotein, HDL)主要由肝合成,小肠可合成部分。在CM及VLDL代谢过程中,其表面apo AⅠ、apo AⅡ、apo AⅣ、apo C以及磷脂、胆固醇等脱离亦可形成。HDL可按密度分为HDL1、HDL2及HDL3。HDL1也称作HDLc,仅存在于摄取高胆固醇膳食后血浆,正常人血浆主要含HDL2及HDL3。新生HDL的代谢过程实际上就是胆固醇逆向转运(reverse cholesterol transport, RCT)过程,它将肝外组织细胞胆固醇,通过血液循环转运到肝,转化为胆汁酸排出,部分胆固醇也可直接随胆汁排入肠腔。
RCT第一步是胆固醇自肝外细胞包括动脉平滑肌细胞及巨噬细胞等移出至HDL。大量研究证明,HDL是细胞胆固醇移出不可缺少的接受体(acceptor)。存在于细胞间液中富含磷脂及apo AⅠ、含较少游离胆固醇(free cholesterol, FC)的新生HDL,呈盘状,根据电泳位置将其称为前β1-HDL,能作为FC接受体,促进细胞胆固醇外流。
巨噬细胞、脑、肾、肠及胎盘等组织细胞膜存在ATP结合盒转运蛋白Al(ATP-binding cassette transporter Al, ABCAl), 又称为胆固醇流出调节蛋白(cholesterol-efflux regulatory protein, CERP), 可介导细胞内胆固醇及磷脂转运至细胞外,在RCT中发挥重要作用。ABCAl为ABC转运蛋白超家族成员,是2261个氨基酸残基组成的跨膜蛋白。ABCAl有4个结构域,其中2个为跨膜结构域,含由12个疏水模体(motif)构成的疏水区,胆固醇可能通过该疏水区从细胞内流出至细胞外;另2个结构域为伸向细胞质的 ATP 结合部位,能为胆固醇跨膜转运提供能量。
RCT 第二步是 HDL 所运载的胆固醇的醋化及胆固醇酯的转运。新生 HDL 从肝外细胞接受的FC, 分布在 HDL 表面。在血浆卵磷脂:胆固醇脂肪酰基转移酶 (lecithin: cholesterol acyl transferase, LCAT)作用下,HDL 表面卵磷脂的2位脂酰基转移至胆固醇3位羟基生成溶血卵磷脂及胆固醇酷(cholesterol ester, CE)。CE 在生成后即转入 HDL 内核,表面则可继续接受肝外细胞 FC,消耗的卵磷脂也可从肝外细胞补充。该过程反复进行,HDL内核CE不断增加,双脂层盘状 HDL 逐步膨胀为单脂层球状并最终转变为成熟 HDL。LCAT 由肝实质细胞合成和分泌,在血浆中发挥作用,HDL 表面的apo AⅠ是 LCAT 激活剂。
实际上,HDL 成熟过程是多种酶及蛋白质参与的逐渐演变过程。新生 HDL 接受 FC 后,在 LCAT作用下将 FC 酯化成 CE。HDL 中的 apo D 是一种转脂蛋白,能将 CE 由 HDL 表面转移至内核。随着该过程的不断进行,新生HDL先转变为密度较大、颗粒较小的HDL3。血浆胆固醇酯转运蛋白(cholesterol ester transfer protein, CETP)能促成HDL和VLDL之间的CE和TG交换,迅速将CE由HDL转 移至VLDL,将TG由VLDL转移至HDL。血浆中还存在磷脂转运蛋白(phospholipid transfer protein, PTP), 能促进磷脂由HDL向VLDL转移。HDL在血浆LCAT、apo A、apo D及CETP和PTP共同作用下,将从肝外细胞接受的FC不断酯化,酯化的胆固醇酯约80%转移至VLDL和LDL,20%进入HDL内核。同时,HDL表面的apo E及C转移到VLDL,而TG又由VLDL转移至HDL。由于HDL内核的CE及TG不断增加,使HDL颗粒进一步增大、密度逐步降低,由HDL3转变为密度更小、颗粒更大的HDL2。在高胆固醇膳食后血浆中,HDL2还可大量地进一步转变为HDL1
RCT最后一步在肝进行。机体不能将胆固醇彻底分解,只能在肝转化成胆汁酸排出或直接以FC形式通过胆汁排出。肝细胞膜存在HDL受体(HDL recepter)、LDL受体及特异的apo E受体。研究表明,血浆 CE的90%以上来自HDL,其中约70%在CETP作用下由HDL 转移至VLDL,后者再转变成LDL通过 LDL受体途径在肝被清除;20%通过 HDL受体在肝被清除;10%由特异的apo E受体在肝被清除。机体通过这种机制,还可将外周组织衰老细胞膜中的胆固醇转运至肝代谢并排出。HDL 的血浆半寿期为3~5天。
除参与RCT 外,HDL 还是apo CⅡ贮存库。CM及VLDL进入血液后,需从HDL获得 apo CⅡ才能激活LPL,水解其TG。CM及VLDL中TG水解完成后,apo CⅡ又回到HDL。

血浆脂蛋白代谢紊乱导致脂蛋白异常血症[编辑]

不同脂蛋白的异常改变引起不同类型高脂血症[编辑]

血浆脂质水平异常升高,超过正常范围上限称为高脂血症(hyperlipidemia)。在目前临床实践中,高脂血症指血浆胆固醇或(和)甘油三酯超过正常范围上限,一般以成人空腹12~14小时血浆甘油三酯超过 2.26mmol/L(200mg/dl), 胆固醇超过6.2lmmol/L(240mg/dl), 儿童胆固醇超过4.14mmol/L (160mg/dl)为高脂血症诊断标准。事实上,在高脂血症血浆中,一些脂蛋白脂质含量升高,而另外脂蛋白脂质含量可能降低。因此,有人认为将高脂血症称为脂蛋白异常血症(dyslipoproteinemia)更为合理。传统的分类方法将脂蛋白异常血症分为六型。

脂蛋白异常血症分型
分型 血浆脂蛋白变化 血脂变化
乳糜微粒升高 甘油三酯↑↑↑  胆固醇↑
Ⅱa 低密度脂蛋白升高 胆固醇↑↑
Ⅱb 低密度及极低密度脂蛋白同时升高 胆固醇↑↑ 甘油三酯↑↑
中间密度脂蛋白升高(电泳出现宽β带) 胆固醇↑↑ 甘油三酯↑↑
极低密度脂蛋白升高 甘油三酯↑↑
极低密度脂蛋白及乳糜微粒同时升高 甘油三酯↑↑↑  胆固醇↑

脂蛋白异常血症还可分为原发性和继发性两大类。原发性脂蛋白异常血症发病原因不明,已证明有些是遗传性缺陷。继发性脂蛋白异常血症是继发于其他疾病如糖尿病、肾病和甲状腺功能减退等。

血浆脂蛋白代谢相关基因遗传性缺陷引起脂蛋白异常血症[编辑]

现已发现,参与脂蛋白代谢的关键酶如LPL及LCAT, 载脂蛋白如apo AⅠ、apo B、apo CⅡ、apo CⅢ和apo E, 以及脂蛋白受体如LDL受体等的遗传性缺陷,都能导致血浆脂蛋白代谢异常,引起脂蛋白异常血症。在这些已经阐明发病分子机制的遗传性缺陷中,Brown MS及 Goldstein JL对LDL受体研究取得的成就最为重大,他们不仅阐明了LDL受体的结构和功能,而且证明了LDL受体缺陷是引起家族性高胆固醇血症的重要原因。LDL受体缺陷是常染色体显性遗传,纯合子携带者细胞膜 LDL受体完全缺乏,杂合子携带者LDL受体数目减少一半,其 LDL 都不能正常代谢,血浆胆固醇 分别高达15.6~20.8mmol/L(600~800mg/dl)及7.8~10.4mmol/L(300~400mg/dl,携带者在20岁前就发生典型的冠心病症状。