Жирные кислоты

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