Lipidy a biomembrány

Transkript

1 Lipidy a biomembrány Tomáš Kučera tomas.kucera@lfmotol.cuni.cz Ústav lékařské chemie a klinické biochemie 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Fakultní nemocnice v Motole 2017

2 Lipidy Definice nepolární (hydrofobní) látky biologického původu, rozpustné v organických rozpouštědlech (ve vodě omezeně či vůbec) Hlavní funkce strukturní složky biologických membrán energetická zásoba (triacylglyceroly) tepelná (a elektrická) izolace ochrana před infekcí, nárazy a vysušením vitamíny a hormony a jejich prekurzory žlučové kyseliny solubilizace lipidů

3 Mastné kyseliny FA (z angl. fatty acid) důležitá složka většiny ostatních lipidů uhlovodíkový řetězec (4 36 ) s karboxylem na konci amfipatické nepolární část polární část 16- mastná kyselina: H 3 (H 2 ) 14 nasycené nebo nenasycené volná rotace kolem vazby žádná rotace kolem vazby = esterifikované či volné soli s alkalickými kovy mýdla

4 Mastné kyseliny různě dlouhé SFA (< 6 ) MFA (6 12 ) LFA (12 22 ) (14 20) VLFA (> 22 ) nižší (< 10 ) vyšší (> 12 )

5 Mastné kyseliny Příklad: oktadeka-9,12-dienová kyselina γ 4 β 3 α 2 1 H 18- MK se dvěma cis dvojnými vazbami v poloze 9 a 12 kyselina linolová (9,12-oktadekadienová) n ω cis,cis-18:2 9,12 či 18:2 cis,cis-ω6 či cis,cis-18:2 n 6 či all cis-18:2 9,12 či 18:2-ω6 či all cis-18:2(9,12) či 18:2(9c,12c)

6 Mastné kyseliny obvykle lineární uhlovodíkový řetězec sudý počet uhlíkových atomů dvojné vazby v cis konfiguraci rigidní ohyb na každé vazbě H kyselina stearová kyselina 18:1(11c) kyselina olejová kyselina linolová teplota tání FA klesá s kratším řetězcem nenasyceností blízkostí první vazby = ke karboxylu

7 Některé běžné mastné kyseliny Triviální název Zkratka Systematický název b.t. ( ) Vzorec Nasycené laurová 12:0 dodekanová 44,2 H myristová 14:0 tetradekanová 52,0 H palmitová 16:0 hexadekanová 63,1 H stearová 18:0 oktadekanová 69,6 H arach(id)ová 20:0 eikosanová 75,4 H behenová 22:0 dokosanová 81,0 H lignocerová 24:0 tetrakosanová 84,2 H S jednou dvojnou vazbou (MUFA) palmitolejová 16:1ω7 hexadec-9-enová 0,5 H olejová 18:1ω9 oktadec-9-enová 13,4 H eruková 22:1ω9 dokosa-13-enová H nervonová 24:1ω9 tetrakosa-15-enová 39,0 H Se dvěma dvojnými vazbami linolová 18:2ω6 oktadeka-9,12-dienová 9,0 H Se třemi dvojnými vazbami ( PUFA ) α-linolenová 18:3ω3 oktadeka-9,12,15-trienová 17,0 H γ-linolenová 18:3ω6 oktadeka-6,9,12-trienová H Se čtyřmi dvojnými vazbami arachidonová 20:4ω6 eikosa-5,8,11,14-tetraenová 49,5 H S pěti dvojnými vazbami timnodonová (EPA) 20:5ω3 eikosa-5,8,11,14,17-pentaenová 54,0 H klupanodonová (DPA) 22:5ω3 dokosa-7,10,13,16,19-pentaenová H Se šesti dvojnými vazbami cervonová (DHA) 22:6ω3 dokosa-4,7,10,13,16,19-hexaenová H esenciální jsou linolová a α-linolenová

8 Některé méně běžné mastné kyseliny Triviální název Zkratka Systematický název ω Vzorec S lichým řetězcem 13:0 tridekanová H 15:0 pentadekanová H 17:0 heptadekanová H 17:1(9c) cis-heptadec-9-enová 8 H Větvené (MUFA) iso-tridekanová iso13:0 11-methyldodekanová 7 H iso-tetradekanová iso14:0 12-methyltridekanová H iso-pentadekanová iso15:0 13-methyltetradekanová H iso-hexadekanová iso16:0 14-methylpentadekanová H iso-heptadekanová iso17:0 15-methylhexadekanová H anteiso-tridekanová anteiso13:0 10-methyldodekanová anteiso-pentadekanová anteiso15:0 12-methyltetradekanová anteiso-heptadekanová anteiso17:0 14-methylhexadekanová H H H fytanová 3,7,11,15-tetramethylhexadekanová H pristanová 2,6,10,14-tetramethylpentadekanová H Konjugovaná kyselina linolová (LA) 18:2(9c,11t) 9-cis,11-trans-oktadeka-9,11-dienová 8 H 18:2(10t,12c) 10-trans,12-cis-oktadeka-10,12-dienová 7 H S trojnou vazbou tarirová 18:1(6a) oktadec-6-ynová H

9 Některé opravdu exotické MK např. haliklonyn (47 MK): 14-oxo-4,5,6,28,33,37,42,45- oktahydroxy-trans-26,trans-43-dien-2,31,34,46- tetrayn-heptatetrakontanová kyselina H H H H (H2) 7 (H2) 10 (H2) 4 H H H H H cyklopropanový až cyklohexanový kruh epoxy-, cyklické peroxidy, SH a disulfidy... podobná pestrost i u mastných alkoholů H H H

10 Přehled lipidů Jednoduché lipidy estery FA s alkoholy tuky a oleje (acylglyceroly, glyceridy): alkohol = glycerol vosky: alkohol = (mono)alkohol s dlouhým řetězcem Složené lipidy estery FA s alkoholy + další složky fosfolipidy FA + glycerol + fosfát + obvykle další složka glykolipidy obsahují cukry glykoacylglyceroly FA + glycerol + cukr glykosfingolipidy FA + sfingosin + cukr (+ kyselina sialová) sfingolipidy obsahují ceramid (amid FA a sfingosinu) sfingomyeliny ceramid + fosfocholin glykosfingolipidy viz výše dvozené lipidy další biologické hydrofobní látky, např. steroidy, eikosanoidy, dokosanoidy, karotenoidy a další terpenoidy, lipofilní vitamíny

11 Jednoduché lipidy Estery mastných kyselin a alkoholů Vosky (ceridy) alkohol je dlouhý, jednosytný mastný nejmastnější z lipidů u živočichů konečné metabolity obvykle ochranná funkce kutikula rostlin lanolin včelí vosk včelí vosk hlavní složka 15 H H 61 myricylpalmitát triakontylhexadekanoát karnaubový vosk hlavní složka 25 H H 61 myricylcerotát triakontylhexakosanoát

12 Jednoduché lipidy H2 H H R H2 R1 H H H R2 H2 H glycerol MK (FA) H2 R3 triacylglycerol Triacylglyceroly (triglyceridy, neutrální tuky a oleje) nejběžnější lipidy v potravě zásoba energie vysoce redukované kompaktní (dehydrované) ochranné vrstvy glycerolová páteř + 3 esterifikované FA většinou smíšené

13 Složené lipidy sfingolipidy, glycerolipidy fosfolipidy glycerofosfolipidy (PE, PS, P, PG, DPG, PI; plasmalogeny) sfingomyeliny glykolipidy glykoacylglyceroly glykosfingolipidy cerebrosidy gangliosidy všechny složené lipidy obsahují nepolární řetězce ( ocasy ) FA obsahují polární část (glycerol, karbonyly FA, obvykle P i, skupinu polární hlavy jsou amfipatické

14 Glycerofosfolipidy (fosfoglyceridy) běžná součást biologických membrán glycerolová páteř hydroxyly na 1 a 2 esterifikovány FA 3 esterifikován P i Kyseliny fosfatidové R 2 H 2 H H 2 P R 1 nejjednodušší fosfolipidy v membránách jen v malém množství jen intermediáty při syntéze triacylglycerolů a glycerofosfolipidů

15 Glycerofosfolipidy H 2 R 1 R 2 H H 2 P X polární hlava (z angl. polar head) P i většinou dále esterifikován k H další polární látky (v obrázku značena X) např. serinu, cholinu, ethanolaminu, glycerolu, inositolu obě FA jsou obvykle různé amfipatické (komplexní polární část)

16 Glycerofosfolipidy Fosfatidylinositoly (PI) R 2 H 2 H R 1 membránové lipidy signální molekuly H 2 P H H H H H Fosfatidylcholiny (lecithiny, P) R 2 H 2 H H 2 P R 1 H 3 H 2 H 2 N + H 3 běžné membránové lipidy H 3

17 Glycerofosfolipidy Plasmalogeny H 2 H R 1 R 2 H H 2 P X fosfolipidy typu enoletherů glycerolu u savců R 1 (mastný alkohol) obvykle 16:0, 18:0, či 18:1 R 2 obvykle PUFA X=obvykle ethanolamin či cholin (nebo serin) mozek a svaly PAF (z angl. platelet activating factor) agregace krevních destiček R 1 = 16:0, R 2 = acetyl, X= cholin R 2 acetyl vyšší rozpustnost

18 Sfingolipidy deriváty aminoalkoholu sfingosinu H H H H H 2 H H H 2 H H N H 2 H NH H H H (H 2 ) 12 (10 14) R (H 2 ) 12 H 3 sfingosin H 3 ceramid amidy sfingosinu a FA = ceramidy ostatní sfingolipidy obsahují další polární látku, esterifikovanou k terminálnímu H sfingosinu.

19 Sfingolipidy Sfingomyeliny (fosfosfingolipidy) H 3 H 3 N + H 2 H 2 P H 3 H H 2 H H NH H H R (H 2) 12 H 3 ceramidy s fosfocholinem nebo fosfoethanolaminem v polární hlavě běžná součást buněčné membrány v mozkové a nervové tkáni

20 Glykosfingolipidy běžné ve vnější vrstvě buněčné membrány řetězce sacharidů orientovány ven erebrosidy β,d-glc (nebo β,d-gal) H 2 H NH H H R H H (H 2) 12 H 3 ceramidy s monosacharidem (glukosou nebo galaktosou) v polární části Gangliosidy H 3 NH H H 2 H H H H H kyselina N-acetylneuraminová ceramidy s oligosacharidem, obsahujícím sialovou kyselinu, v polární hlavě

21 Glykolipidy glykoacylglyceroly R 2 R 2 H 2 H 2 H R 1 β-d-gal H 2 H 2 H H R 1 1,6-α-D-Gal H mono- a digalaktosyldiacylglyceroly sulfochinovosyldiacylglyceroly 3S H 2 H důležité složky rostlinných membrán thylakoidní membrána

22 dvozené lipidy Isoprenoidy isopren geranen farnesen geranylgeranen fyten skvalen fytoen monoterpeny (menthol, limonen, kafr, pinen, geraniol) seskviterpeny (humulen, zingiberen) diterpeny (geranylgeraniol, taxadien, kahweol, kafestol, fytol řetězce chlorofylu, vitamínů E a K) triterpeny (steroidy) tetraterpeny (karotenoidy vitamín A)

23 Steroidy cholesterol H 21 H3 18 H H H3 27 H3 důležitá složka membrán rigidní systém kruhů a krátký větvený uhlovodíkový ocas hydrofobní amfipatie (slabá) způsobená H prekurzor vitamínu D žlučových kyselin pohlavních hormonů hormonů kůry nadledvin

24 Biologické membrány lipidy v polárním prostředí agregace do komplexů, v nichž jsou polární hlavičky v kontaktu s vodou a nepolární ocasy se sebou navzájem, chráněny před vodou možná uspořádání: micely různé struktury kulovité micely stabilní forma FA dvojvrstva stabilní forma amfipatických lipidů, např. fosfolipidů zdroj

25 Biologické membrány (fosfo)lipidová dvojvrstva s vnořenými a povrchovými proteiny zdroj Stryer, L.: Biochemistry, W. H. Freeman and ompany, 1981 (2. vydání) integrální proteiny zanořeny do hydrofobní vrstvy membrány transmembránové periferní proteiny vázány k povrchu membrány mnohé proteiny i lipidy nesou oligosacharidové řetězce

26 Fluidita biologických membrán vnitřní prostředí membrány obvykle velmi fluidní tekutý stav uhlovodíkové řetězce neuspořádané a ve stálém pohybu (vyšší teploty) krystalický stav ocasy FA zcela napřímené, velmi uspořádaná struktura (nižší teploty) Voet, D., Voet, J. G.: Biochemistry, John Wiley & Sons, Inc., 2011 (4. vydání) Stryer, L.: Biochemistry, W. H. Freeman and ompany, 1981 (2. vydání)

27 Fluidita biologických membrán typy FA viz výše cholesterol se vkládá do dvojvrstvy hydroxylem ven polární prostředí H-můstky s polárními hlavami membránových lipidů hydrofobní kruhy mezi řetězci FA membránových lipidů hydrofobní interakce rigidní molekula interakce s nepolárními řetězci membránových lipidů snižuje fluiditu membrány H3 H3 H3 H3 H3 H zdroj

28 Asymetrie biologických membrán Stryer, L.: Biochemistry, W. H. Freeman and ompany, 1981 (2. vydání) laterální mobilita lipidů je vysoká transversální mobilita (flip-flop) lipidů je velmi nízká proteinů nebyla pozorována Stryer, L.: Biochemistry, W. H. Freeman and ompany, 1981 (2. vydání)

29 Asymetrie biologických membrán obě vrstvy membrány jsou rozdílné asymetrie lipidového složení zastoupení a orientace proteinů sacharidů v glykoproteinech a glykolipidech funkcí

30 Membránové mikrodomény lipidové rafty více sfingolipidů (o 50 %) cholesterolu (3 5 ) nasycených FA méně fosfatidylcholinu ( cca stejně cholinu) funkce mezibuněčná signalizace, endocytóza, interakce s viry

31 Konec konec Děkuji za pozornost!

32 Glycerofosfolipidy (fosfoglyceridy) H 2 R 1 R 2 H H 2 P

33 Glycerofosfolipidy H 2 R 1 R 2 H H 2 P X lární hlava (z angl. polar head) P i v

34 R 2 Glycerofosfolipidy H 2 H H 2 P R 1 mem sign H H H H H

35 Glycerofosfolipidy H 2 R 1 R 2 H H 3 H 2 P H 2 H 2 N + H 3 H 3

36 Glycerofosfolipidy H 2 H R 1 R 2 H H 2 P X folipidy typu enolet

37 H 3 sfingosin ce Sfingolipidy H H H 2 H H H 2 H N H 2 H N H (H 2 ) 12 (10 14) R

38 H 3 ceramid Sfingolipidy H H H 2 H NH H H R H (H 2 ) 12

39 Sfingolipidy H 3 H 3 N + H 2 H 2 P H 3 H H 2 H NH H H R H (H 2 ) 12 H 3

40 H 3 Glykosfingolipidy β,d-glc (nebo β,d-gal) H 2 H NH H H H R H (H 2 ) 12

41 Glykosfingolipidy H 3 NH H H 2 H H H H H kyselina N-acetylneuraminová

42 R 2 Glykolipidy H 2 H R 1 m d H 2 β-d-gal H 2 R 1 1,6-α-D-Gal s

43 Glykolipidy H 2 R 1 su R 2 H H 2 H H 3 S H 2 H

44 dvozené lipidy monoterpeny (menthol, limonen, kafr, seskviterpeny (humulen, zingiberen) diterpeny (geranylgeraniol, taxadien, k isopren geranen farnesen geranylgeranen fyten skvalen fytoen

45 Steroidy cholesterol důležitá složka membrán 21 H 3 18 H H H H3 27 H 3

46

47

48

49

50

51

52

53

54