NeuAcβ2
реклама
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 7 2 СФИНГОЛИПИДЫ КАК БИОЭФФЕКТОРЫ Сфинголипиды Сфинголипиды:: структура, биосинтез, биосинтез, б биологические ф функции. «Сфингомиелиновый цикл». Сфинголипиды как вторичные мессенджеры. Участие сфинголипидов в процессах роста и апоптоза клеток. клеток. Гликосфинголипиды как межклеточные медиаторы и иммуномодуляторы. иммуномодуляторы Сфинголипиды в патологии. БИОЭФФЕКТОРНЫЕ ЛИПИДЫ Жирные кислоты Неоксигенированные производные Эфиры (фосфолипиды, лизофосфолипиды, ди- и моноацилглицерины) Оксигенированные производные Оксилипины: циклооксигеназные (простагландины и тромбоксаны) ванилоиды, ациламинокислоты,) липоксигеназные (лейкотриены, (лейкотриены липоксины, гепоксилины) Структурные аналоги (сфинголипиды) эпоксигеназные (эпокси-, ( дигидроксипроизводные) Амиды (этаноламиды, Изо-оксилипины 4 НАЧАЛО НЕЙРОХИМИИ От Шевреля к Тудикуму Johann Ludwig Wilhelm Thudichum , 1829 - 1901 Chevreul M E (1786 – 1889) Recherches chimiques sur les corps gras d'origine animale P i FG Levrault, Paris, L lt 1823. In-8°, XVI-484 p. Трактат р по химическому составу мозга. Thudichum JLW A Treatise on the Chemical Constitution of the Brain. London, Bailliere, Tindall, and Cox, 1884 6 “sphingosin” was chosen by J. L. W. Thudichum in “commemoration of the many enigmas which it has presented to the inquirer inquirer” Выделил д из мозга и предложил р д названия для новых липидов: церамиды, сфингомиелин, цереброзиды, сульфатиды HERBERT EDMUND CARTER 1910 — 2007 Установил структуру сфингозина, сфингозина первый его синтезировал, ввёл термин термин «сфинголипиды» ф д ((1947). ) Также уустановил структуру фитосфингозина, фитогликолипидов (инозитфосфорилцерамид). Предложил концепцию мезоуглерода в прохиральном центре. “Among the lipide constituents there are at least three, the cerebrosides, sphingomyelins and gangliosides, which are derivatives of the base sphingosine. Sphingosine also may be present in other compounds. p As a matter of convenience it is proposed that the term sphingolipides be used to designate these substances.” 7 ПРОДОЛЖЕНИЕ ИСТОРИИ В конце ц 1930-х годов д биохимик Эрнст р Кленк выделил новую подгруппу кислых сфинголипидов из мозга пациентов, страдающих амавротической идиотией й (болезнь (б Т С Тея-Сакса, GM2 GM2-ганглиозидоз) ) — редким наследственным заболеванием . Он назвал эти вещества ганглиозидами, ганглиозидами а их кислый компонент – нейраминовой кислотой. В 1962 Рихард Кун установил структуру Nацетилнейраминовой кислоты, (сиаловая или лактаминовая кислота). ) В 1963 Кун и Вейганд расшифровали структуру ганглиозида GM1. OH OR1 NHR2 D-эритро-2-амино-4E-октадецен-1,3-диол р р д ц , д ((d18:1)) сфингенин ф Сфингозины (R1=R2=H) Ц Церамиды (R1=H, H R2 = Acyl) A l) Сфингофосфолипиды R1 = PO3X Сфингомиелин Церамидфосфоэтанолам ин Церамидфосфат Сф Сфингозинфосфат ф ф Сфингозинфосфохолин Сфингогликолипиды R1 = carbohydrate Глюкозилцерамид Галактозилцерамид Лактозилцерамид Ганглиозиды С Сульфатиды ф 10 СФИНГОЗИН И ЕГО ИЗОМЕР 11 СФИНГЕНИН И СФИНГАНИН ВИДЫ СФИНГОЗИНОВЫХ ОСНОВАНИЙ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ В ЦЕРАМИДАХ h - альфа-гидрокси 14 БИОСИНТЕЗ ЦЕРАМИДА Синтез начинается с конденсации пальмитиновой кислоты с серином при катализе серин-пальмитоил трансферазой (SPT) Образовавшийся кетосфинганин восстанавливается до сфинганина (KDS) Сфинганин ацилируется жирной кислотой с образованием дигидроцерамида (CerS) Только после этого происходит введение транс-двойной транс двойной связи с помощью десатуразы (DES) Serine palmitoyltransferase Ketosphinganine reductase Dihydroceramide syntase Dihydroceramide y dehydrogenase y g ФЕРМЕНТЫ СИНТЕЗА ЦЕРАМИДОВ ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ МЕХАНИЗМ СИНТЕЗА 3-КЕТОСФИНГАНИНА C16:0-CoA >> C18:0-CoA J. Biochem. 2009;146(4)549–562 РОЛЬ ПИРИДОКСАЛЯ В КАТАЛИЗЕ 18 ОСНОВАНИЯ ШИФФА ((ИМИНЫ,, АЗОМЕТИНЫ) Реакция конденсации альдегида ( (кетона) ) с первичным амином – реакция Шиффа 19 ХУГО ШИФФ (HUGO SCHIFF) 1834 – 1915 20 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СУБСТРАТЫ SPT Предполагаемые противораковые препараты, хорошо переносятся. ДЕГИДРОЦЕРАМИД ДЕСАТУРАЗНЫЙ Й КОМПЛЕКС L. Geeraert, G. P. Mannaerts and P. P. Van Veldhoven. Biochem. J. (1997) 327, 125-132 23 СФИНГОМИЕЛИНОВЫЙ (ЦЕРАМИДНЫЙ) (Ц Д ) ЦИКЛ Ц SPT, serine palmitoyl transferase; KDS, 3-keto-dihydrosphingosine reductase; CDase, ceramidase; C S ceramide CerS, id synthase; th DES DES, dihydroceramide dih d id desaturase; d t SK sphingosine SK, hi i kinase; ki SPP SPPase, sphingosine phosphate phosphatase; CK, ceramide kinase; C1PP, ceramide-1-phosphate phosphatase; SMase, sphingomyelinase; SMS, sphingomyelin synthase; PC, phosphatidylcholine; DAG, diacylglycerol; GCS, glucosylceramide synthase; GCase,glucosyl ceramidase. БИОСИНТЕЗ СФИНГОМИЕЛИНА SMS1 – аппарат р Гольжи SMS2 – аппарат Гольжи, плазматическая мембрана Церамид – отрицательный регулятор клеточной пролиферации А Апоптоз Фосфатидилхолин – важный структурный компонент мембран X Сфингомиелинсинтаза Сф Диацилглицерин – митогенный фактор PE П Пролиферация ф Сфингомиелин – важный структурный компонент мембран ceramide ceramidephospho ethanolamine ИНДУКТОРЫ СФИНГОМИЕЛИНОВОГО ЦИКЛА • витамин D3 • фактор некроза опухолей TNFα • арахидоновая кислота • брефельдин А, дексаметазон • арабинозилфуранозилцитозин • интерлейкин-1β, γ-интерферон • ионизирующая радиация • отсутствие сыворотки в среде ( для культур клеток) • эндоканнабиноиды ((через CB1 рецептор)) Factor neutral sphingomyelinase activation (FAN) (FAN). СФИНГОМИЕЛИНАЗЫ Сфингомиелиназа Кислая (aSMase) Секреторная (sSMase) Нейтральная (nSMase) Нейтральная Щелочная Щ (bSMase) Кофакторы активаторы Локализация Лизосомы + Zn2+ -Zn2+ +Mg2+ Гольжи -Mg2+ Цитозоль HL-60 Oxidized LDL , TNF-α Желчные Ж кислоты Мембраны кишечник ХОЛЕСТЕРИН, СФИНГОМИЕЛИН И АМИЛОИДНЫЙ Й ПЕПТИД NATURE CELL BIOLOGY VOLUME 7 | NUMBER 11 | NOVEMBER 2005. P. 1118 29 Model of γ-secretase activity in lipid homeostasis. The γ-secretase activity regulates different lipid metabolic enzymes and lipid levels levels. This model predicts that the combined effects of cellular cholesterol and sphingomyelin (SM) levels control γ-secretase activity in amyloid precursor protein (APP) cleavage. This signal is then transmitted via amyloid beta peptide (Aβ) release to regulate lipid biosynthetic pathways, which differs for Aβ40 and Aβ42. SM levels are predominantly downregulated by Aβ42, due to activation of the SM degrading enzyme neutral sphingomyelinase (nSMase) (nSMase). By contrast contrast, Aβ40 downregulates cholesterol de novo synthesis, due to inhibition of hydroxymethylglutaryl-CoA reductase (HMGR) activity. The interaction between Aβ42 and nSMase seems to be direct;; it is currentlyy unknown whether this is the case for the interaction of Aβ40 with HMGR. This regulation induces a feedback mechanism, as the same lipids that influence the γ-secretase microenvironment adjust the rate of γsecretase cleavage g of APP/C99 p presumably y by y the concomitant change g in membrane composition. The anticipated additional modulation by other γsecretase substrates or products, further APP secretases and non-γ-secretase lipid regulation are not implemented in this model. NATURE CELL BIOLOGY VOLUME 7 | NUMBER 11 | NOVEMBER 2005. P. 1118 Концентрация кислой сфингомиелиназы на поверхности B-лимфоцита после стимуляции через CD95/Fas/Apo-I Частичная активация CD95 Транслокация ASM (секунды) Образование церамида Кластеризация CD95, Концентрирование каспазы 8 Тотальная активация и апоптоз ЦЕРАМИД Ц Д ((CER)) OH OH NH O О Основные пути биосинтеза б •Синтез de novo •Гидролиз сфингомиелина •Гидролиз р гликозилцерамидов р •Гидролиз церамидфосфата СТРУКТУРА Ц ЦЕРАМИДОВ КОЖИ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЦЕРАМИДОВ Компоненты клеточных мембран (индуцируют слияние рафтов) Регулируют проницаемость мембран, взаимодействуя с ионными каналами (ингибирует n-K+-канал в лимфоцитах и д клетках сосудов) уд ) KCa-канал в гладкомышечных Ингибирование роста клеток, торможение клеточного цикла Индукция старения клеток Индукция апоптоза Индукция аутофагии (освобождение клетки от избытка поврежденных о ре е органелл ор а е и белков) бе о ) Внутриклеточные мишени NF-kB (фактор транскрипции) CAPK (церамид-активируемые протеинкиназы) САРР (церамид-активируемая протеинфосфатаза) РКСζ (изоформа протеинкиназы С) Rb (белковый продукт гена ретинобластомы) Фосфолипазы А2, С и D ЦЕРАМИД-1-ФОСФАТ ЦЕРАМИД 1 ФОСФАТ (CER-1P) (CER 1P) OH O O NH P OH O- X+ O Ca22+ PIP3 CER-1PP CERT CERK CER-1P CER CER CER Loxosceles reclusus C16:0, C18:0 Golgi X SPH-1P апоптоз CER CER-1P выживание SM БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ЦЕРАМИД-1-ФОСФАТА Регулятор клеточного роста и выживания Ингибирует апоптоз Стимулирует синтез ДНК и деление клеток Ингибирует кислую сфингомиелиназу, и серинпальмитоилтрансферазу (уменьшает пул церамида)) Важный медиатор воспаления (через активацию фосфолипазы ф ф А2 и простагландины)) Механизм: через GPCR ЦЕРАМИДАЗЫ CER SPH Церамидаза Локализация Специфичность к ЖК Кислая ASAH1 Лизосомы р д длины д Средней Нейтральная ASAH2 Плазматическ ая мембрана C16 до >C24 Щелочная ACER1 ACER2 ACER3 ЭПР Гольжи ЭПР, Гольжи Очень длинные Очень длинные 18:1, 20:1, 20:4 СФИНГОЗИН-1-ФОСФАТ (SPH-1P) • Как внутриклеточный мессенджер S1P участвует в росте и выживаемости клеток. Существует р ущ у динамическое равновесие между S1P и Cer, которые действуют в противоположном направлении. S1P защищает клетки от апоптоза. • Как внеклеточный модулятор (S1P связывается EDG семейством рецепторов, экспрессированных на поверхности р р различных клеток)) S1P р регулирует у ру подвижность клеток и является важным регулятором ангиогенеза. МЕТАБОЛИЗМ S1P, РЕЦЕПТОРЫ И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА Chem. Rev. 2011, 111, 6299–6320 РЕЦЕПТОРЫ Ц SPH-1P СФИНГОЗИНФОСФОРИЛХОЛИН (SPC) OH O O P OH O N+ NH2 Концентрация в плазме – 50 нМ; в сыворотке – 130 нМ (из тромбоцитов) O Митогенный фактор CH O CR Модулирует перестройкуHO CH O O CH O P OH CH O CR актинового ц цитоскелета autotaxin OH HO O CH ЛФК CHРегулирует апоптоз и аутофагию в O P OCH CH N (CH ) O O эндотелиальных клетках сосудов CR OH C ЛФХ O Участвует в заживлении ран ран, O CH P стимулируя пролиферацию O CH HO цФК Медиатор воспаления 2 2 2 2 2 2 + 3 3 - 2 2 Механизм: GPCR, модуляция внутриклеточного Ca2+ ДЕЙСТВИЕ СФИНГОЗИНФОСФОРИЛХОЛИНА НА ЭНДОТЕЛИЙ СОСУДОВ 43 Proposed actions of SPC on blood vessels in normal physiological conditions (intact endothelium) and in pathophysiological conditions (where there is disruption to the endothelial layer). Abbreviations: endo, endothelium; VSM, vascular smooth muscle;; HDL,, high g densityy lipoproteins; p p ; endo adhesion,, endothelial adhesions proteins; NFjB, nuclear factor-jB; NO, nitric oxide; TGFb2, transforming growth factor-b2. In normal physiological conditions SPC bound to circulating lipoproteins, particularly HDL, may predominantly act via effects on endothelial cells to protect against the development of cardiovascular disease. Unbound circulating SPC is unlikely to impact on this due to the rapid metabolism of SPC in vivo. However, when the integrity of the endothelial layer is damaged, for example as a result of vascular injury during angioplasty, this will attract platelets to the injury site. Activated platelets will secrete various factors including the sphingolipids S1P and SPC which can act directly on vascular smooth muscle cells. In this pathophysiological th h i l i l situation, it ti SPC can play l a role l in i initiating i iti ti vascular l di disease via i inflammation, migration and proliferation in vascular smooth muscle cells. G.F. Nixon et al. / Progress in Lipid Research 47 (2008) 62–75 РЕГУЛЯЦИЯ Ц РОСТА И АПОПТОЗА КЛЕТОК dihydroSph dihydroCer нет эффекта Пролиферация клеток Sph p Sph-1-P p Sph-1-PChol p Cer Апоптоз нет эффекта dihydroSph dihydroCer GlcCer Сer-1-P СФИНГОГЛИКОЛИПИДЫ (ГЛИКОСФИНГОЛИПИДЫ) НЕЙТРАЛЬНЫЕ •Моногликозилцерамиды - цереброзиды (глюкозил- галактозилцерамиды) (глюкозил-, •Лактозилсерамиды •Глобозиды КИСЛЫЕ •Сульфатиды С ф •Ганглиозиды НЕЙТРАЛЬНЫЕ ГЛИКОСФИНГОЛИПИДЫ цереброзиды 2 % от сухого веса серого вещества и 12% от сухого веса белого вещества мозга. Глюкозилцерамиды – основные липиды кожи. Галактозилцерамиды – важный компонент структуры и функции миелина и фактор дифференцировки олигодендроцитов. 47 ГЛОБОЗИДЫ Глобозид I GalNAcβ1 3Galα1 4Galβ1 4Glcβ Cer GalNAcβ1-3Galα1-4Galβ1-4Glcβ-Cer Глобозиды ( в почках и эритроцитах – основные нейтральные гликолипиды)) – рецепторы ряда токсинов и HIV, содержание повышено при раке. СУЛЬФАТИДЫ 3-sulfo-Gal1-1Cer – мозг, почки, ЖКТ, эндометрий 3-O-SO3-GlcA1-3Gal1-4GlcNAc1-3Gal1-4Glc1-1Cer 3-O-SO3-GlcA1-3(Gal1-4GlcNAc1-3)2Gal1-4Glc1-1Cer – периферическая ф нервная система GlcA – глюкуроновая кислота Активность • Дифференцировка Д фф нейрональных клеток • Образование и поддержание миелиновой оболочки • Адгезия лейкоцитов к селектинам ГАНГЛИОЗИДЫ 50 51 БИОСИНТЕЗ ГЛИКОСФИНГОЛИПИДОВ 53 БИОСИНТЕЗ ГЛИКОСФИНГОЛИПИДОВ Ceramide, formed by condensation of serine and palmitoyl-CoA on the cytoplasmic face of ER, reaches the Golgi by vesicular or non-vesicular transport from the ER. Ceramide has three fates. a) in the ER lumen, ceramide is converted to galactosylceramide (GalCer) followed by sulfatide synthesis in the Golgi. b) ceramide is transported by vesicles to the cytoplasmic face of the Golgi where GlcCer is y GlcCer is transported p to several cellular sites: 1)) to the trans-Golgi g or synthesized. back to ER by FAPP2; 2) transport to cytoplasmic side of plasma membrane by unknown mechanisms; 3) from Golgi to the plasma membrane through exocytosis. In the trans Golgi lumen, the transfer of a β-galactose onto GlcCer by lactosylceramide synthase (LacCer synthase) forms LacCer. Addition of sialic acid to LacCer initiates synthesis of gangliosides or sialo-GSL series c) ceramide reaches the mid-Golgi via ceramide transfer protein (CERT) where sphingomyelin is formed within the lumen. Ceramide can be generated from sphingomyelin in the lysosome or on plasma membrane by aSMase and nSMase. Newly synthesized GSLs can be transported to extracellular matrix through exocytosis. Membrane GSLs transport into cytosol t l via i endocytosis d t i and d reach h tto th the llysosome. IIntracellular t ll l or extracellular t ll l GSLs GSL are degraded stepwise by lysosomal hydrolases to sphingosine and free fatty acids. • • • • БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГАЛАКТОЗИЛСФИНГОЗИНА (ПСИХОЗИНА) И ГЛЮКОЗИЛСФИНГОЗИНА Накапливаются в мозге при болезни Гоше (GlcSph) и болезни Краббе (GalSph). Индуцируют апоптоз клеток Влияют на функции митохондрий (GalSph стимулирует митохондриальное дыхание до 700% и ингибирует окислительное ф ф фосфорилирование). ) Рецептор GPR65 (психозин): активация дифференциации или апоптоза Т-клеток. Болезнь Краббе – лейкодистофия, психозинлипидозис, прогрессирующая гибель олигодендроцитов. Смерть в раннем возрасте до 36 месяцев. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГАНГЛИОЗИДОВ Сокращение Формула GM1 Gal(1→3)GalNAc1→4(NeuAc2→3)Gal1→4Glc→Cer GM2 GalNAc1→4(NeuAc2→3)Gal1→4Glc→Cer GM3 (NeuAc2→3)Gal1→4Glc→Cer GD1a (NeuAc2→3)Gal1→3GalNA1→(NeuAc2→3)4Gal1→4Glc →Cer Gal1→3GalNA1→(NeuAc2→8)(NeuAc2→3)4Gal1→4Glc→ Cer (NeuAc2→8)(NeuAc2→3)4Gal1→4Glc→Cer GD1b GD3 GT1 (NeuAc2→3)Gal1→3GalNA1→(NeuAc2→8)(NeuAc2→3)4 Gal1→4Glc→Cer Полисиаловая кислота OH O HO OH HN OH O OH Входит в состав OH молекул адгезии адгезии, в O частности нервных N-ацетилнейраминовая клеток человека, а кислота также в состав гликанов OH O OH клеточных стенок O OH некоторых патогенных HO бактерий (напр. E. coli OH HN K1), помогая им избегать атаки OH O иммунной системы OH хозяина. N-гликолилнейраминовая N гликолилнейраминовая кислота (маркер эмбриональных и раковых клеток) ТАУРО GM2 ТАУРО-GM2 Необычное Н б производное ганглиозида GM2 — конъюгат GM2 и таурина (тауро-GM2) обнаружен в мозге пациентов с болезнью Tay-Sachs. Предполагают, что нейрональные ткани могут синтезировать этот конъюгат для удаления избытка GM2, резко (до 50 раз) возрастающего при этом заболевании. ГЛИКОСФИНГОЛИПИДЫ КАК БИОЭФФЕКТОРЫ Регуляция у роста и апоптоза клеток р Модулирование иммунного ответа ганглиозидами: ингибирование бласттрансформации В и Т лимфоцитов, угнетение цитотоксической активности NK клеток, связывание цитокинов (IL-1, IL-2, MIF) Антигены Эффекторная Эффе тор а активность а т в ост зав зависит, с т в основном, от структуры углеводной цепи ГАНГЛИОЗИДЫ КАК РЕЦЕПТОРЫ ТОКСИНОВ СТОЛБНЯКА И БОТУЛИЗМА РОЛЬ ГАНГЛИОЗИДОВ Д В РАЗВИТИИ МОЗГА ГЛИКОСФИНГОЛИПИДЫ Л ОС ОЛ Д И РАК • • • • Нарушение биосинтеза гликолипидов. изменение их состава. увеличение содержания GlcCer, LacCer и GM3 Появление опухолеспецифических антигенов, антигенов (в том числе карциноэмбриональных) гликолипидной природы (LacCer, GM3, GM2, GD3, GD2 и др). Н Нарушение б биосинтеза сфингоидных ф оснований йи накопление в сфинголипидах сфинганина предшественника сфингозина. В крови раковых больных повышено содержание ганглиозидов. Иммунизация раковых больных N-Ac-GM3 для снижения уровня этого ганглиозида в крови ГЛИКОСФИНГОЛИПИДЫ И АТЕРОСКЛЕРОЗ В атеросклеротических бляшках аорты повышено содержание ганглиозидов, особенно GM3, приблизительно р в 10 р раз. содержание д р нейтральных гликосфинголипидов меняется незначительно. В атеросклеротических бляшках изменен состав нейтральных гликолипидов: минорный компонент гладкомышечной й ткани аорты GlcCer Gl C становится основным в бляшках и появляется LacCer. В крови больных повышено содержание ганглиозидов и появляются антитела к ганглиозиду ду GM3. 3 БОЛЕЗНИ, СВЯЗАННЫЕ С НАРУШЕНИЕМ МЕТАБОЛИЗМА ГЛИКОСФИНГОЛИПИДОВ Название Накапливаемый гликолипид Отсутствующий фермент Болезнь Сандхоффа, болезнь Тея-Сакса (GM2ганглиозидоз, типы I, II, III) Ганглиозид GM2 GalNAc–Gal (Sia)–Glc-Cer гексозаминидаза GM1-ганглиозидоз Ганглиозид GM1 Galβ GalNAc Gal(Sia) Glc Galβ–GalNAc-Gal(Sia)-GlcCer β - галактозидаза Болезнь Фабри Galα–Galβ-Glc-Cer Galα Galβ Cer Galα–Galβ-Cer α - галактозидаза Болезнь Гоше GlcCer β - глюкозидаза Болезнь Нимана-Пика Нимана Пика сфингомиелин сфингомиелиназа Болезнь Фарбера церамид церамидаза Болезнь Краббе Galβ–Cer β - галактозидаза БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ СФИНГОЛИПИДОВ Структурные ру ур компоненты мембран р (сфингомиелин) Компоненты рецепторных комплексов (ганглиозиды) Антигены (гликосфинголипиды) Вторичные мессенджеры (церамид, сфингозин, сфингозин-1-фосфат и др.) Внеклеточные модуляторы (сфингозин-1-фосфат, GlcCer, GM3 и др.)
