生物化學與分子生物學/血漿脂蛋白及其代謝

維基教科書,自由的教學讀本
跳至導覽 跳至搜尋

脂質代謝 - 脂質的構成、功能及分析 - 脂質的消化與吸收 - 甘油三酯代謝 - 磷脂代謝 - 膽固醇代謝 - 血漿脂蛋白及其代謝

血脂是血漿所含脂質的統稱[編輯]

血漿脂質包括甘油三酯、磷脂、膽固醇及其酯,以及游離脂肪酸等。磷脂主要有卵磷脂(約70%)、神經鞘磷脂(約20%)及腦磷脂(約10%)。血脂有兩種來源,外源性脂質從食物攝取入血,內源性脂質由肝細胞、脂肪細胞及其他組織細胞合成後釋放入血。血脂不如血糖恆定,受膳食、年齡、性別、職業以及代謝等影響,波動範圍較大

血漿脂蛋白是血脂的運輸形式及代謝形式[編輯]

血漿脂蛋白可用電泳法和超速離心法分類[編輯]

不同脂蛋白所含脂質和蛋白質不一樣,其理化性質如密度、顆粒大小、表面電荷、電泳行為,免疫學性質及生理功能均有不同,據此可將脂蛋白分為不同種類。

  • 電泳法按電場中的遷移率對血漿脂蛋白分類 不同脂蛋白的質量和表面電荷不同,在同一電場中移動的快慢不一樣。α-脂蛋白(α-lipoprotein)泳動最快,相當於α1-球蛋白位置;β-脂蛋白(β-lipoprotein)相當於β-球蛋白位置;前β-脂蛋白(pre-β-lipoprotein)位於β-脂蛋白之前,相當於α2-球蛋白位置;乳糜微粒(chylomicron, CM)不泳動,留在原點(點樣處)。
  • 超速離心法按密度對血漿脂蛋白分類 不同脂蛋白因含脂質和蛋白質種類和數量不同,密度也不同。將血漿在一定密度鹽溶液中超速離心,脂蛋白會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℃、密度為1.063的NaCl溶液、每達因/克作用下,上浮10-13cm/s,即為1Sf單位,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;其餘脂蛋白按密度由小到大依次為極低密度脂蛋白

(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); 分別相當於電泳分類中的CM、前β-脂蛋白、β-脂蛋白及α-脂蛋白。
人血漿還有中密度脂蛋白(intermediate density lipoprotein, IDL)和脂蛋白(a) [lipoprotein (a), Lp(a)]。IDL是VLDL在血漿中向LDL轉化的中間產物,組成及密度介於VLDL及LDL之間。Lp(a)的脂質成分與LDL類似,蛋白質成分中,除含一分子載脂蛋白BlOO外,還含一分子載脂蛋白A(apolipoprotein A), 是一類獨立脂蛋白,由肝產生,不轉化成其他脂蛋白。因蛋白質及脂質含噩不同,HDL 還可分成亞類,主要有HDL2及HDL3

血漿脂蛋白是脂質與蛋白質的複合體[編輯]

  • 血漿脂蛋白中的蛋白質稱為載脂蛋白 迄今已從人血漿脂蛋白分離出20多種載脂蛋白(apolipoprotein, apo) , 主要有apoA、B、C、D及E等五大類。載脂蛋白在不同脂蛋白的分佈及含量不同,apoB48是CM特徵載脂蛋白,LDL幾乎只含apo B100,HDL主要含apo AⅠ及apo AⅡ。
  • 不同脂蛋白具有相似基本結構 大多數載脂蛋白如 apo AⅠ、AⅡ、CⅠ、CⅡ、CⅢ及E等均具雙性α-螺旋 (amphipathic α helix)結構,不帶電荷的疏水胺基酸殘基構成α-螺旋非極性面,帶電荷的親水胺基酸殘基構成α-螺旋極性面。在脂蛋白表面,非極性面借其非極性疏水胺基酸殘基與脂蛋白內核疏水性較強的甘油三酯(triglycerides, TG)及膽固醇酣(cholesterol ester, CE)以疏水鍵相連,極性面則朝外,與血漿的水相接觸。磷脂及游離膽固醇具有極性及非極性基團,可以借非極性疏水基團與脂蛋白內核疏水性較強的TG及CE以疏水鍵相連,極性基團朝外,與血漿的水相接觸。所以,脂蛋白是以TG及CE為內核,載脂蛋白、磷脂及游離膽固醇單分子層覆蓋於表面的複合體,保證不溶於水的脂質能在水相的血漿中正常運輸。脂蛋白一般呈球狀,CM及VLDL主要以TG為內核, LDL及HDL則主要以CE為內核。

不同來源脂蛋白具有不同功能和不同代謝途徑[編輯]

乳糜微粒主要轉運外源性甘油三酯及膽固醇[編輯]

乳糜微粒(chylomicron, CM)代謝途徑又稱外源性脂質轉運途徑或外源性脂質代謝途徑。食物脂肪消化後,小腸黏膜細胞用攝取的中長鏈脂肪酸再合成甘油三酯(triglyceride, TG), 並與合成及吸收的磷脂和膽固醇,加上apo B48、apo AⅠ、apo AⅡ、apo AⅣ等組裝成新生CM,經淋巴道入血,從高密度脂蛋白(highdensity lipoprotein, HDL)獲得apo C及apo E, 並將部分apo AⅠ、apo AⅡ、apo AⅣ轉移給HDL,形成成熟CM。apo CⅡ激活骨骼肌、心肌及脂肪等組織毛細血管內皮細胞表面脂蛋白脂肪酶(lipoproteinlipase, LPL) , 使CM中TG及磷脂逐步水解,產生甘油、脂肪酸及溶血磷脂。隨着CM內核TG不斷被水解,釋出大量脂肪酸被心肌、骨骼肌、脂肪組織及肝組織攝取利用,CM顆粒不斷變小,表面過多的apo AⅠ、apo AⅡ、apo AⅣ、apo C、磷脂及膽固醇離開CM顆粒,形成新生HDL。CM最後轉變成富含膽固醇酯(cholesterol ester, CE)、apo B48及 apo E的CM殘粒(remnant), 被細胞膜LDL受體相關蛋白(LDL receptor related protein, LRP)識別、結合併被肝細胞攝取後徹底降解。apo CⅡ是LPL不可缺少的激活劑,無apo CⅡ時,LPL活性很低;加入apo CⅡ後,LPL活性可增加10~50倍。正常人CM在血漿中代謝迅速,半壽期為5~15分鐘,因此正常人空腹12~14小時血漿中不含CM。

極低密度脂蛋白主要轉運內源性甘油三酯[編輯]

極低密度脂蛋白(verylow density lipoprotein, VLDL)是運輸內源性TG的主要形式,其血漿代謝產物低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)是運輸內源性膽固醇的主要形式,VLDL及LDL代謝途徑又稱內源性脂質轉運途徑或內源性脂質代謝途徑。肝細胞以葡萄糖分解代謝中間產物為原料合成TG,也可利用食物來源的脂肪酸和機體脂肪酸庫中的脂肪酸合成TG,再與apo BlOO、E以及磷脂、膽固醇等組裝成VLDL。此外,小腸黏膜細胞亦可合成少量VLDL。VLDL分泌入血後,從高密度脂蛋白(high density lipoprotein, HDL)獲得apo C, 其中apo CⅡ激活肝外組織毛細血管內皮細胞表面的脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase, LPL)。和CM代謝一樣,VLDL中TG在LPL作用下,水解釋出脂肪酸和甘油供肝外組織利用。同時,VLDL表面的apo C、磷脂及膽固醇向HDL轉移,而HDL膽固醇酷又轉移到VLDL。該過程不斷進行,VLDL中TG不斷減少,CE逐漸增加,apo B100及E相對增加,顆粒逐漸變小,密度逐漸增加,轉變為中密度脂蛋白(intermediate density lipoprotein, IDL)。IDL膽固醇及TG含量大致相等,載脂蛋白則主要是apo B100及apo E。肝細胞膜LRP可識別和結合IDL,因此部分IDL被肝細胞攝取、降解。未被肝細胞攝取的IDL(在人約佔總IDL50%, 在大鼠約佔10%),其TG被LPL及肝脂肪酶(hepaticlipase, HL)進一步水解,表面apo E轉移至HDL。這樣,IDL中剩下的脂質主要是CE,剩下的載脂蛋白只有apo B100, 轉變為LDL。VLDL在血液中的半壽期為6~12小時。

低密度脂蛋白主要轉運內源性膽固醇[編輯]

人體多種組織器官能攝取、降解低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL), 肝是主要器官,約50%的LDL在肝降解。腎上腺皮質、卵巢,睾丸等組織攝取及降解LDL能力亦較強。血漿LDL降解既可通過LDL受體(LDL receptor)途徑完成,也可通過單核-吞噬細胞系統完成。正常人血漿LDL,每天約45%被清除,其中2/3經LDL受體途徑,1/3經單核吞噬細胞系統。血漿LDL半壽期為2~4天。
1974年,M.S.Brown及J.L.Goldstein首先在人成纖維細胞膜表面發現了能特異結合LDL的LDL受體。他們純化了該受體,證明它是839個胺基酸殘基構成的糖蛋白,分子質量160000。後來發現,LDL受體廣泛分佈於全身,特別是肝、腎上腺皮質、卵巢、睾丸、動脈壁等組織的細胞膜表面,能特異識別、結合含apo B100或apo E的脂蛋白,故又稱apoB/E受體(apoB/E receptor)。當血漿LDL與LDL受體結合後,形成受體-配體複合物在細胞膜表面聚集成簇,經內吞作用進入細胞,與溶酶體融合。在溶酶體蛋白水解酶作用下,apo B100被水解成胺基酸;膽固醇酷則被膽固醇酯酶水解成游離膽固醇和脂肪酸。
游離膽固醇在調節細胞膽固醇代謝上具有重要作用:

  • 抑制內質網HMG-CoA還原酶(HMG-CoA reductase) , 從而抑制細胞自身膽固醇合成;
  • 從轉錄水平抑制LDL受體基因表達,抑制受體蛋白合成,減少細胞對LDL進步攝取;
  • 激活內質網脂醯-CoA:膽固醇脂醯轉移酶(acyl-CoA:cholesterol acyl transferase, ACAT), 將游離膽固醇酷化成膽固醇酯在細胞質貯存。

同時,游離膽固醇還有重要生理功能:

  • 被細胞膜攝取,構成重要的膜成分;
  • 在腎上腺、卵巢及睾丸等固醇激素合成細胞,可作為類固醇激素合成原料。

LDL被該途徑攝取、代謝多少,取決於細胞膜上受體多少。肝、腎上腺皮質、性腺等組織LDL受體數目較多,故攝取LDL亦較多。
血漿LDL還可被修飾成如氧化修飾LDL(oxidized LDL, Ox-LDL), 被清除細胞即單核-吞噬細胞系統中的巨噬細胞及血管內皮細胞清除。這兩類細胞膜表面有清道夫受體(scavenger receptor, SR) , 可與修飾LDL結合而清除血漿修飾LDL。

高密度脂蛋白主要逆向轉運膽固醇[編輯]

新生高密度脂蛋白 (high density lipoprotein, HDL)主要由肝合成,小腸可合成部分。在CM及VLDL代謝過程中,其表面apo AⅠ、apo AⅡ、apo AⅣ、apo C以及磷脂、膽固醇等脫離亦可形成。HDL可按密度分為HDL1、HDL2及HDL3。HDL1也稱作HDLc,僅存在於攝取高膽固醇膳食後血漿,正常人血漿主要含HDL2及HDL3。新生HDL的代謝過程實際上就是膽固醇逆向轉運(reverse cholesterol transport, RCT)過程,它將肝外組織細胞膽固醇,通過血液循環轉運到肝,轉化為膽汁酸排出,部分膽固醇也可直接隨膽汁排入腸腔。
RCT第一步是膽固醇自肝外細胞包括動脈平滑肌細胞及巨噬細胞等移出至HDL。大量研究證明,HDL是細胞膽固醇移出不可缺少的接受體(acceptor)。存在於細胞間液中富含磷脂及apo AⅠ、含較少游離膽固醇(free cholesterol, FC)的新生HDL,呈盤狀,根據電泳位置將其稱為前β1-HDL,能作為FC接受體,促進細胞膽固醇外流。
巨噬細胞、腦、腎、腸及胎盤等組織細胞膜存在ATP結合盒轉運蛋白Al(ATP-binding cassette transporter Al, ABCAl), 又稱為膽固醇流出調節蛋白(cholesterol-efflux regulatory protein, CERP), 可介導細胞內膽固醇及磷脂轉運至細胞外,在RCT中發揮重要作用。ABCAl為ABC轉運蛋白超家族成員,是2261個胺基酸殘基組成的跨膜蛋白。ABCAl有4個結構域,其中2個為跨膜結構域,含由12個疏水模體(motif)構成的疏水區,膽固醇可能通過該疏水區從細胞內流出至細胞外;另2個結構域為伸向細胞質的 ATP 結合部位,能為膽固醇跨膜轉運提供能量。
RCT 第二步是 HDL 所運載的膽固醇的醋化及膽固醇酯的轉運。新生 HDL 從肝外細胞接受的FC, 分佈在 HDL 表面。在血漿卵磷脂:膽固醇脂肪醯基轉移酶 (lecithin: cholesterol acyl transferase, LCAT)作用下,HDL 表面卵磷脂的2位脂醯基轉移至膽固醇3位羥基生成溶血卵磷脂及膽固醇酷(cholesterol ester, CE)。CE 在生成後即轉入 HDL 內核,表面則可繼續接受肝外細胞 FC,消耗的卵磷脂也可從肝外細胞補充。該過程反覆進行,HDL內核CE不斷增加,雙脂層盤狀 HDL 逐步膨脹為單脂層球狀並最終轉變為成熟 HDL。LCAT 由肝實質細胞合成和分泌,在血漿中發揮作用,HDL 表面的apo AⅠ是 LCAT 激活劑。
實際上,HDL 成熟過程是多種酶及蛋白質參與的逐漸演變過程。新生 HDL 接受 FC 後,在 LCAT作用下將 FC 酯化成 CE。HDL 中的 apo D 是一種轉脂蛋白,能將 CE 由 HDL 表面轉移至內核。隨着該過程的不斷進行,新生HDL先轉變為密度較大、顆粒較小的HDL3。血漿膽固醇酯轉運蛋白(cholesterol ester transfer protein, CETP)能促成HDL和VLDL之間的CE和TG交換,迅速將CE由HDL轉 移至VLDL,將TG由VLDL轉移至HDL。血漿中還存在磷脂轉運蛋白(phospholipid transfer protein, PTP), 能促進磷脂由HDL向VLDL轉移。HDL在血漿LCAT、apo A、apo D及CETP和PTP共同作用下,將從肝外細胞接受的FC不斷酯化,酯化的膽固醇酯約80%轉移至VLDL和LDL,20%進入HDL內核。同時,HDL表面的apo E及C轉移到VLDL,而TG又由VLDL轉移至HDL。由於HDL內核的CE及TG不斷增加,使HDL顆粒進一步增大、密度逐步降低,由HDL3轉變為密度更小、顆粒更大的HDL2。在高膽固醇膳食後血漿中,HDL2還可大量地進一步轉變為HDL1
RCT最後一步在肝進行。機體不能將膽固醇徹底分解,只能在肝轉化成膽汁酸排出或直接以FC形式通過膽汁排出。肝細胞膜存在HDL受體(HDL recepter)、LDL受體及特異的apo E受體。研究表明,血漿 CE的90%以上來自HDL,其中約70%在CETP作用下由HDL 轉移至VLDL,後者再轉變成LDL通過 LDL受體途徑在肝被清除;20%通過 HDL受體在肝被清除;10%由特異的apo E受體在肝被清除。機體通過這種機制,還可將外周組織衰老細胞膜中的膽固醇轉運至肝代謝並排出。HDL 的血漿半壽期為3~5天。
除參與RCT 外,HDL 還是apo CⅡ貯存庫。CM及VLDL進入血液後,需從HDL獲得 apo CⅡ才能激活LPL,水解其TG。CM及VLDL中TG水解完成後,apo CⅡ又回到HDL。

血漿脂蛋白代謝紊亂導致脂蛋白異常血症[編輯]

不同脂蛋白的異常改變引起不同類型高脂血症[編輯]

血漿脂質水平異常升高,超過正常範圍上限稱為高脂血症(hyperlipidemia)。在目前臨床實踐中,高脂血症指血漿膽固醇或(和)甘油三酯超過正常範圍上限,一般以成人空腹12~14小時血漿甘油三酯超過 2.26mmol/L(200mg/dl), 膽固醇超過6.2lmmol/L(240mg/dl), 兒童膽固醇超過4.14mmol/L (160mg/dl)為高脂血症診斷標準。事實上,在高脂血症血漿中,一些脂蛋白脂質含量升高,而另外脂蛋白脂質含量可能降低。因此,有人認為將高脂血症稱為脂蛋白異常血症(dyslipoproteinemia)更為合理。傳統的分類方法將脂蛋白異常血症分為六型。

脂蛋白異常血症分型
分型 血漿脂蛋白變化 血脂變化
乳糜微粒升高 甘油三酯↑↑↑  膽固醇↑
Ⅱa 低密度脂蛋白升高 膽固醇↑↑
Ⅱb 低密度及極低密度脂蛋白同時升高 膽固醇↑↑ 甘油三酯↑↑
中間密度脂蛋白升高(電泳出現寬β帶) 膽固醇↑↑ 甘油三酯↑↑
極低密度脂蛋白升高 甘油三酯↑↑
極低密度脂蛋白及乳糜微粒同時升高 甘油三酯↑↑↑  膽固醇↑

脂蛋白異常血症還可分為原發性和繼發性兩大類。原發性脂蛋白異常血症發病原因不明,已證明有些是遺傳性缺陷。繼發性脂蛋白異常血症是繼發於其他疾病如糖尿病、腎病和甲狀腺功能減退等。

血漿脂蛋白代謝相關基因遺傳性缺陷引起脂蛋白異常血症[編輯]

現已發現,參與脂蛋白代謝的關鍵酶如LPL及LCAT, 載脂蛋白如apo AⅠ、apo B、apo CⅡ、apo CⅢ和apo E, 以及脂蛋白受體如LDL受體等的遺傳性缺陷,都能導致血漿脂蛋白代謝異常,引起脂蛋白異常血症。在這些已經闡明發病分子機制的遺傳性缺陷中,Brown MS及 Goldstein JL對LDL受體研究取得的成就最為重大,他們不僅闡明了LDL受體的結構和功能,而且證明了LDL受體缺陷是引起家族性高膽固醇血症的重要原因。LDL受體缺陷是常染色體顯性遺傳,純合子攜帶者細胞膜 LDL受體完全缺乏,雜合子攜帶者LDL受體數目減少一半,其 LDL 都不能正常代謝,血漿膽固醇 分別高達15.6~20.8mmol/L(600~800mg/dl)及7.8~10.4mmol/L(300~400mg/dl,攜帶者在20歲前就發生典型的冠心病症狀。