Нарушение липидного обмена что это такое: что это, причины, симптомы и как лечить?

2.1. Пищевые липиды и метаболический синдром

MS, также известный как синдром X или синдром инсулинорезистентности, представляет собой комбинацию медицинских расстройств, включающих множество метаболических факторов риска, включая центральное ожирение, дислипидемию, гипертонию, непереносимость глюкозы и резистентность к инсулину [7 ]. Распространенность РС во всем мире вызывает много проблем со здоровьем не только в развитых странах, но и в развивающихся странах.Люди с РС имеют высокий риск развития диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Все больше и больше данных свидетельствуют о том, что нарушения липидного обмена являются центральными в этиологии РС.

Как один из самых распространенных видов липидов и основных компонентов липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП) и хиломикронов, триацилглицеролы (ТАГ) играют важную роль в обмене веществ в качестве источников энергии. Это может быть получено из синтеза de novo в печени или диетических липидах. В зависимости от источника масла, TAG являются основными составляющими растительных масел (обычно более ненасыщенных) или животных жиров (обычно более насыщенных).Животный жир составляет около 40% потребляемой энергии в рационе человека в западных странах, и высокой долей этого является TAG. Жировая ткань, печень и кишечник являются основными местами, где синтезируется и сохраняется ТАГ. Существует также некоторое внутриклеточное хранение TAG, например в мышцах и клетках мозга. Хранение TAG может быть пополнено из пищевого жира или путем эндогенного синтеза жира из углеводов или белков, который в основном происходит в печени.

Переизбыток питательных веществ, таких как липиды, при ожирении и избытке калорий приводит к нарушению управления липидами и накоплению эктопического жира (т.е.«липотоксичность», которая является основным компонентом метаболического заболевания и резистентности к инсулину [8, 9].

2.1.1. Жирные кислоты и резистентность к инсулину

Резистентность к инсулину является центром, лежащим в основе различных метаболических нарушений метаболического синдрома, при которых патофизиологические условия инсулина становятся менее эффективными в снижении уровня глюкозы в крови. Резистентность к инсулину может быть вызвана различными факторами окружающей среды, включая пищевые привычки. Мышцы, печень и жир являются тремя основными тканями для поддержания уровня глюкозы в крови.В присутствии инсулина жировые и мышечные клетки поглощают глюкозу, а печень регулирует уровень глюкозы, уменьшая ее секрецию и увеличивая накопление в форме гликогена. Однако в условиях резистентности к инсулину поглощение глюкозы мышечными и жировыми клетками нарушается, и синтез и накопление гликогена также уменьшаются в клетках печени, что приводит к неспособности подавлять выработку глюкозы и выделять ее в кровь. Нарушение метаболизма глюкозы связано с молекулярными изменениями передачи сигналов инсулина, которые особенно хорошо характеризуются в мышцах [10].

Инсулин также облегчает поглощение и хранение аминокислот и жирных кислот, превращая их в белок и липид, соответственно. Помимо сниженных эффектов снижения уровня глюкозы, резистентность к инсулину также вызывает пониженное действие инсулина на липиды и приводит к уменьшению поглощения циркулирующих липидов и повышенному гидролизу хранимых триглицеридов и, как следствие, повышает содержание свободных жирных кислот в плазме крови. Сообщалось, что повышенные уровни свободных жирных кислот и триглицеридов в крови и тканях способствуют нарушению чувствительности к инсулину во многих исследованиях [11, 12].Повышенное содержание жирных кислот и их метаболитов вызывает фосфорилирование субстрата 1 рецептора инсулина (IRS-1) в серине, который блокирует фосфорилирование IRS-1 тирозина и связанную с ним активацию фосфатидилинозитол-3 ‘киназы (PI3K) и приводит к снижению транслокация транспортера глюкозы GLUT4 на мембрану клеток мышц и печени [13, 14].

Превращение жирных кислот в ацетил-КоА, процесс, известный как β-окисление, в основном происходит в митохондриях.Дефекты в митохондриальном окислении жирных кислот и в жировом обмене адипоцитов могут увеличивать содержание жирных кислот в мышцах и печени, что, в свою очередь, вызывает нарушение транспорта глюкозы и нарушение синтеза гликогена в мышцах, а также устойчивый выход глюкозы из печени, что в конечном итоге приводит к гиперинсулинемии и инсулинорезистентности. Кроме того, окислительный стресс и индукция цитокинов в печени могут привести к развитию неалкогольной жировой дистрофии печени (НАЖБП). Значительные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что повышенный синтез жиров в печени способствует развитию неалкогольного стеатогепатита и связанной с ним инсулинорезистентности [15].

Диетическая жировая композиция является основным источником свободных жирных кислот в крови и тканях. Потребление диет с высоким содержанием жиров сильно и положительно связано с избыточным весом, что, в свою очередь, ухудшает чувствительность к инсулину, особенно когда избыток жира в организме находится в брюшной области. Эпидемиологические данные и экспериментальные исследования на животных ясно показывают, что насыщенные жиры значительно ухудшают инсулинорезистентность, в то время как мононенасыщенные (MUFA) и полиненасыщенные жирные кислоты (PUFA) улучшают ее за счет модификаций в составе клеточных мембран, и повышенное соотношение насыщенных жиров к ненасыщенным жирам фактор риска развития МС [16, 17].

Многоцентровое исследование показало, что переход от диеты, богатой насыщенными жирными кислотами (SFAs), к диете, богатой мононенасыщенными жирами, повышает чувствительность к инсулину у здоровых людей [18]. Замена ненасыщенных жиров на насыщенные жиры снижает уровень холестерина ЛПНП и триглицеридов в плазме у лиц с инсулинорезистентностью [16]. Несколько ранних перекрестных исследований обнаружили положительную связь между потреблением насыщенных жиров и гиперинсулинемией и резистентностью к инсулину [19, 20], в то время как потребление полиненасыщенных жиров было обратно связано с уровнями инсулина в плазме, тогда как потребление линолевой кислоты было положительно связано с концентрацией инсулина в плазме натощак. и увеличение потребления ненасыщенных жиров связано с улучшением чувствительности к инсулину [16, 21].

Кроме того, многочисленные наблюдения на моделях грызунов и клеточных культур, а также людей, страдающих ожирением и диабетом, показали, что хроническое воздействие липидов связано с резистентностью к инсулину [22-24], а состав жирных кислот в тканях организма связан с частотой возникновения диабет [25]. В частности, внутримышечное или печеночное содержание TAG, диацилглицерина (DAG) или церамида отрицательно коррелирует с чувствительностью к инсулину [26-28], что может быть вызвано нарушенной инсулин-стимулированной транслокацией GLUT4 в результате эктопического накопления TAG и других молекул липидов. в печени и мышцах.

Все больше и больше данных свидетельствуют о том, что церамид, состав сфингозина и жирных кислот, обнаруженный в высоких концентрациях в клеточной мембране, играет критическую роль в резистентности к инсулину [29]. Как in vitro, так и и in vivo исследования дали большой объем данных, свидетельствующих о том, что накопление церамида и его метаболитов связано с питательным патогенезом инсулинорезистентности и метаболических заболеваний, включая диабет, кардиомиопатию и атеросклероз [28- 30].В культивируемых клетках церамид ингибирует стимулированное инсулином поглощение глюкозы, блокируя транслокацию переносчика глюкозы GLUT4 и синтез гликогена [31, 32]. Эти эффекты обусловлены способностью церамида блокировать активацию Akt / PKB, серин / треонинкиназы, которая активируется инсулином и факторами роста. Также обнаружено, что накопление церамида может нарушать функцию митохондрий, изменяя проницаемость мембран митохондрий, ингибируя промежуточные звенья транспортной цепи электронов и вызывая окислительный стресс [33].

У грызунов ингибирование пути синтеза церамида de novo с помощью ингибитора серин-пальмитоилтрансферазы мириоцина повышает чувствительность к инсулину и предотвращает метаболические заболевания, связанные с резистентностью к инсулину [30, 34-36]. У людей хорошо документирована связь накопления церамидов в периферических тканях, включая мышцы и жир, у людей с ожирением и резистентностью к инсулину [37-40].

2.1.2. Жирные кислоты и сердечно-сосудистые заболевания

С 1950-х годов долгое время считалось, что потребление продуктов, содержащих большое количество SFA, включая мясные жиры, молочный жир, сливочное масло, сало, кокосовое масло и т. Д., Является не только фактором риска дислипидемии. и резистентность к инсулину, но также фактор риска сердечно-сосудистых заболеваний.Однако последние данные систематических обзоров, метаанализов и проспективных когортных исследований показывают, что одни ОТВС могут быть не связаны с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний. В рандомизированном контролируемом исследовании диетического вмешательства, в котором сравнивали диету с ограниченным содержанием углеводов и диету с низким содержанием жиров в течение 12-недельного периода у лиц с избыточной массой тела при атерогенной дислипидемии, было установлено, что ограничение углеводов, а не диета с низким содержанием жиров, может улучшить характеристики рассеянного склероза и сердечно-сосудистого риска [41 ].В недавнем перекрестном исследовании, проведенном на японском языке для изучения взаимосвязи между диетическим соотношением PUFA и SFA с факторами риска сердечно-сосудистых заболеваний и рассеянным склерозом, данные показали, что диетическое соотношение полиненасыщенных и насыщенных жирных кислот значительно и обратно связано с общим сывороточным холестерином и холестерином LDL. , но не имеют существенного отношения к отдельным метаболическим факторам риска или распространенности РС [42].

Однако, с другой стороны, некоторые SFA, такие как стеариновая кислота и жирные кислоты, содержащиеся в молоке и молочных продуктах, оказываются полезными и могут снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний.В систематическом обзоре, после сравнения с транс, другими насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами (USFA), Hunter и соавторы [43] обнаружили, что стеариновая кислота повышает уровень холестерина ЛПНП, а по сравнению с USFA стеариновая кислота снижает уровень холестерина ЛПВП и повышает соотношение общего холестерина / холестерина ЛПВП [43].

Пальмитолеиновая кислота (цис-16: 1, n-7) была связана с обоими полезными метаболическими эффектами. Сообщалось, что цис-пальмитолеат, получаемый из жировой ткани, непосредственно улучшал резистентность к инсулину печени и скелетных мышц и связанные с ними метаболические нарушения, а также подавлял синтез жировой ткани печени [44].Проспективное когортное исследование показало, что циркулирующий транс-пальмитолеат (транс-16: 1, n-7) связан с более низкой инсулинорезистентностью, снижением наличия атерогенной дислипидемии и заболеваемостью диабетом [45], что свидетельствует о метаболических преимуществах потребления молочных продуктов. Существует также убедительные доказательства, собранные систематическим обзором и метаанализом рандомизированных контролируемых исследований, показывающих, что потребление полиненасыщенных жиров в качестве замены насыщенных жиров снижает риск развития ишемической болезни сердца [46].Хотя многие исследования показали, что замена насыщенных жиров полиненасыщенными жирами в рационе дает более благоприятные результаты для здоровья сердечно-сосудистой системы [47, 48], последствия замены мононенасыщенных жиров или углеводов до сих пор неясны.

2.1.3. Омега-3-ПНЖК и метаболический синдром конец углеродной цепи.Эти PUFA, включая α-линоленовую кислоту (ALA, 18: 3, n-3), эйкозапентаеновую кислоту (EPA, 20: 5, n-3) и докозагексаеновую кислоту (DHA, 22: 6, n-3), считаются как незаменимые жирные кислоты, потому что они не могут быть синтезированы de novo организмом человека. В рационе человека ALA обычно получают из ботанических источников, таких как перилла, льняное семя, рапс, рапс, соя, льняное семя и грецкий орех. EPA и DHA содержатся в рыбе и некоторых других морепродуктах [49]. Последние исследования показали, что, хотя диеты, богатые насыщенными жирными кислотами (SFAs), связаны с повышенной распространенностью ожирения и диабета 2 типа, добавка омега-3 ПНЖК, богатые эйкозапентаеновой кислотой (ЭПК) и докозагексаеновой кислотой (ДГК), обладают противовоспалительным действием и действием против ожирения и защищают от метаболических нарушений [50].

Ранее проведенные эпидемиологические наблюдения показали полезные свойства n-3 PUFA в популяциях, потребляющих большое количество жирной рыбы и масел морских млекопитающих [51]. Более поздние исследования показали, что 3-недельная добавка с рыбьим жиром, богатым n-3 ПНЖК, у здоровых людей приводит к повышению чувствительности к инсулину, более высокому окислению жиров и увеличению накопления гликогена [52]. Большинство последующих исследований подтвердили эти эффекты и обнаружили, что добавление n-3 ПНЖК, либо только ЭПК или ДГК, либо с их комбинацией в рыбьем жире, благоприятно влияет на многие неблагоприятные изменения сыворотки и тканевых липидов, связанные с метаболическим синдромом, путем снижения уровня триацилглицеролы натощак и после приема пищи и свободные жирные кислоты [53, 54].Некоторые эффекты n-3 ПНЖК на метаболизм липидов и липопротеинов могут сохраняться у пациентов с явным диабетом.

Кроме того, другие признанные преимущества n-3 ПНЖК включают снижение воспалительного статуса, снижение активации тромбоцитов, умеренное снижение артериального давления, улучшение эндотелиальной функции и усиление клеточной антиоксидантной защиты, которые могут оказаться особенно благоприятными при избыточном весе, пациенты с гипертонической болезнью [55]. Кроме того, добавление рыбьего жира также ослабляло симпатическую активность, вызванную психическим стрессом у здоровых добровольцев [56].Однако положительное влияние добавок n-3 PUFA на профилактику риска сердечно-сосудистых заболеваний связано с другими компонентами образа жизни, такими как контроль веса, регулярная физическая активность и потребление других пищевых ингредиентов, способствующих снижению риска [57].

Механизмы, лежащие в основе положительного эффекта использования n-3 ПНЖК / рыбьего жира или комбинации ЭПК и ДГК, были тщательно проанализированы. Исследования на животных и людях показали, что, помимо использования в качестве топлива и структурных компонентов клетки, диетическое потребление рыбьего жира также эффективно снижает концентрацию триглицеридов (Tg) и VLDL-Tg у экспериментальных животных и у нормальных животных. и мужчины с гипертриглицеридемией [58, 59], которые могут быть связаны со снижением количества мРНК, кодирующей несколько белков, участвующих в липогенезе печени, включая SREBP1, и повышенным окислением жирных кислот в течение стимулированных пролифератором рецепторов (PPAR) пероксисом [60, 61]. ].Кроме того, n-3 PUFA повышают состав жирных кислот мембранных фосфолипидов, которые модифицируют мембран-опосредованные процессы, такие как сигналы трансдукции инсулина, активность липаз и биосинтез эйкозаноидов [62].

Кроме того, диетическое потребление рыбьего жира нормализует функцию многих тканей или клеток, участвующих в чувствительности к инсулину у крыс, получавших рацион с высоким содержанием сахарозы (SRD). Он устраняет дислипидемию и улучшает действие инсулина и ожирение, уменьшая размер клеток адипоцитов, повышая чувствительность к инсулину и уменьшая высвобождение жирных кислот.Как окислительные, так и неокислительные пути глюкозы улучшаются в мышцах. В изолированных бета-клетках содержание липидов и окисление глюкозы возвращаются к норме [63]. Все эти эффекты приводят к улучшению секреции инсулина, стимулированной глюкозой, и нечувствительности мышечного инсулина.

Жировая ткань играет ключевую роль в развитии MetS, и улучшение функции жировой ткани напрямую связано с благоприятным действием n-3 PUFA [64]. В соответствии с общим противовоспалительным действием, добавление n-3 PUFA вызывает выработку и секрецию адипонектина [65], основного адипокина, оказывающего сенсибилизирующее действие на инсулин, и предотвращает гиперплазию и гипертрофию жировой ткани и индуцирует митохондриальный биогенез в адипоцитах [ 66], действие которого может быть опосредовано n-3 PUFA-индуцированной АМФ-активированной протеинкиназой (AMPK), метаболическим сенсором, контролирующим внутриклеточные метаболические потоки [64].

2.2. Пищевые липиды и рак

Исследования «случай-контроль» и когортные исследования выявили положительную связь между несколькими видами рака, такими как рак предстательной железы [67], рак яичников [68], рак молочной железы [69], рак толстой кишки [70] и т. Д., И прием продукты с высоким содержанием насыщенных жиров, такие как красное мясо, яйца и молочные продукты. Однако были получены противоречивые результаты о роли диеты с высоким содержанием жиров в канцерогенности [71, 72]. Во многом это связано со сложностью рациона, не только жировые компоненты, такие как SFA, MUFA и PUFA, могут различаться у людей в разных регионах, но и другие нежирные питательные вещества также могут изменять функцию жира.Поэтому только доклинические исследования на животных с четко определенной композицией жира могут помочь выяснить причинно-следственную связь между диетическим жиром и раком. До настоящего времени общепризнанно, что цис-MUFA и омега-3 PUFA обратно пропорционально связаны с повышенным риском развития рака, тогда как SFA и омега-6 PUFA связаны с развитием рака [73]. Однако, физиологически метаболизм жирных кислот связан, любые результаты, основанные на одной жирной кислоте, могут быть непонятными, поэтому предполагается, что жиросодержащая диета с повышенным MUFA и низким соотношением омега-6 / омега-3 жирной кислоты связана с профилактикой и защитой от рака [74].Заинтересованным читателям рекомендуется прочитать последние обзорные статьи об ассоциации диетических липидов с раком простаты [75] и раком молочной железы [76], а также о потенциальных механизмах ассоциации диетических липидов с раком [77-79].

2.2.1. Насыщенные жирные кислоты

Недавние исследования показали, что диета с высоким содержанием жира с насыщенным животным жиром в качестве основного жира в рационе связана с несколькими видами рака, такими как рак простаты [67], рак толстой кишки [80], рак яичников [68] и рак молочной железы [81] и т. Д., В то время как диета с высоким содержанием жиров и растительных масел не связана с риском развития рака, однако это не может быть правдой, растительные масла с высоким содержанием омега-6 жирных кислот могут быть факторами риска развития рака, что будет обсуждаться для полиненасыщенных жирных кислот. кислотный разрез.

2.2.2. Мононенасыщенные жирные кислоты

Было установлено, что заболеваемость раком в странах Средиземноморья, где основным источником жира является оливковое масло, ниже, чем в других регионах мира. Такие эффекты могут быть связаны с основным MUFA в оливковом масле, олеиновой кислотой и некоторыми незначительными соединениями, такими как сквален и фенольные соединения [82]. Недавние исследования также показали, что масло канолы, с высоким MUFA, олеиновой кислотой, может значительно снизить заболеваемость раком толстой кишки и молочной железы [83, 84].Хотя авторы предположили, что такой эффект может быть вызван омега-3 жирными кислотами, ALA, достигающая 10% в масле канолы, однако нельзя исключать роль олеиновой кислоты, которая достигает 61% в масле канолы. До настоящего времени никакие эпидемиологические исследования или исследования на животных не могли четко продемонстрировать профилактическое действие MUFA на рак. Однако in vivo анализ состава жирных кислот в жировой ткани рака молочной железы и здоровых женщин показал, что повышенный уровень MUFA в жировой кислоте, олеиновой кислоты , связаны с уменьшением шансов рака молочной железы [85].Хотя механизм, лежащий в основе защитной функции олеиновой кислоты при раке, до сих пор неясен, было обнаружено, что олеиновая кислота в комплексе с расплавленной формой глобулы альфа-лактальбумина (α-LA) приобретает канцерогенное действие [86]. ]. Carrillo и соавторы обнаружили, что олеиновая кислота может ингибировать поступление в магазин Ca (2+) (SOCE), путь притока Ca (2+), участвующий в управлении множеством клеточных и физиологических процессов, включая пролиферацию клеток, регулируя тем самым рост клетки карциномы толстой кишки [87].

2.2.3. Полиненасыщенные жирные кислоты

Все больше свидетельств, полученных на животных и в исследованиях in vitro, показывают, что в популяциях, потребляющих большое количество омега-3 жирных кислот в своих рационах, меньше случаев рака молочной железы, толстой кишки и, возможно, простаты. Паола и соавт. [88] использовали тест на жизнеспособность МТТ и экспрессию апоптотических маркеров для оценки влияния ПНЖК на рост рака, и их результаты показали, что ЭПК и ДГК могут вызывать модификации структуры мембран опухолевых клеток, приводящие к явно уменьшенной скорости индукции рака молочной железы.Менендес и соавт. [89] также сообщили, что омега-3 ПНЖК ALA подавляет сверхэкспрессию HER2, которая играет важную роль в этиологии, прогрессировании и химиочувствительности различных типов рака человека, предполагая, что ALA является потенциальным противораковым агентом. Тем не менее, клиническая роль омега-3 ПНЖК может зависеть не только от абсолютного содержания, но также от соотношения омега-3 ПНЖК к омега-6 ПНЖК в клетках из-за обратных биологических функций этих двух серий ПНЖК. Более высокое соотношение омега-6 / омега-3 ПНЖК способствует развитию многих заболеваний, включая рак, сердечно-сосудистые заболевания и воспаление.Снижение соотношения омега-6 / омега-3 ПНЖК может помочь снизить риск возникновения и развития рака. Berquin et al. установили модель мыши с нокаутом и простат-специфической фосфатазой и гомологом напряжения (PTEN), и результат продемонстрировал, что диетическое соотношение омега-6 / омега-3 ПНЖК ниже 5 было эффективным для подавления роста опухоли и увеличения продолжительности жизни животных [90] Недавние исследования показали, что сбалансированное соотношение омега-6 / омега-3 ПНЖК (1: 1) оказывает благотворное влияние на функцию клеток и физиологию [91].

2.2.4. Потенциальные механизмы ассоциации пищевых липидов с раком

Хотя общепризнано, что пищевые липиды связаны с канцерогенезом и развитием рака, подробный механизм все еще далек от ясности. Когда липиды перевариваются и поглощаются клетками слизистой оболочки тонкого кишечника, они могут транспортироваться в адипоциты для хранения или использоваться для производства энергии периферическими клетками посредством β-окисления жирных кислот. Они также могут быть использованы для биосинтеза мембранных липидов.При воздействии окружающей среды эти липиды могут гидролизоваться и высвобождать свободные жирные кислоты. Омега-6 ПНЖК, такие как ARA, высвобождаемые из мембранных липидов, будут превращаться в нормальные эйкозаноиды и регулировать клеточную физиологию; однако повышенный уровень этих эйкозаноидов может ускорить пролиферацию клеток и привести к воспалению и канцерогенезу и т. д. [92]. Принимая во внимание, что омега-3 ПНЖК, такие как ЭПК, при высвобождении из мембранных липидов могут превращаться в эйкозаноиды с активностью, противоположной продукту жирных кислот омега-6, которые ингибируют пролиферацию клеток и активность ЦОГ-2, обеспечивая таким образом функцию профилактики рака [93 ].Другой механизм регуляции возникновения и развития рака может быть объяснен сигнальным путем жирных кислот через его рецепторы. В частности, два транскрипционных фактора, стерол-регуляторный элемент, связывающий белок-1c (SREBP-1c) и рецептор альфа-рецептора, активируемого пролифератором пероксисом (PPAR-альфа), стали ключевыми медиаторами регуляции генов с помощью FA [94, 95]. SREBP-1c индуцирует набор липогенных ферментов в печени. PUFA, но не SFA или MUFA, подавляет индукцию липогенных генов, ингибируя экспрессию и процессинг SREBP-1c.Таким образом ингибирует липогенез de novo жирных кислот, что особенно важно для раковых клеток [96].

PPAR-альфа играет важную роль в метаболической адаптации к посту, индуцируя гены для митохондриального и пероксисомального окисления ЖК, а также для кетогенеза в митохондриях. ЖК, высвобождаемые из жировой ткани во время голодания, рассматриваются как лиганды PPAR-альфа. Пищевые PUFA, за исключением 18: 2 n-6, могут вызывать ферменты окисления FA через PPAR-альфа в качестве механизма «прямой связи».PPAR-альфа также необходим для регуляции синтеза высоконенасыщенных ЖК, что указывает на плейотропные функции PPAR-альфа в регуляции метаболизма липидов. Таким образом, в дополнение к ингибированию биосинтеза жирных кислот с помощью SREBP, омега-3 жирные кислоты вызывают деградацию жирных кислот через PPAR-альфа, при этом они регулируют метаболизм жирных кислот и метаболические заболевания. Множественные механизмы ингибирования жирных кислот омега-3 опосредуются ингибированием рак может включать подавление неопластической трансформации и роста клеток, а также усиление апоптоза и антиангиогенности и т. д. [97].

Липидный Метаболизм Растений | IntechOpen

1. Введение

Растения производят большинство липидов в мире. Эти липиды являются основным источником калорий и незаменимых жирных кислот для мужчин и животных. Растения синтезируют огромное количество жирных кислот, хотя лишь некоторые из них являются основными и распространенными составляющими [1], такими как пальмитиновая, олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты. Как и другие эукариоты, липиды необходимы для биогенеза клеточных мембран, в качестве сигнальных молекул и особенно в качестве источника углерода и энергии.У растений углерод, энергия и восстановительная способность необходимы для биосинтеза жирных кислот, полученных в результате фотосинтеза в хлоропластах [2]. В этой главе будет описан биосинтез липидов в растениях путем сигнализации различий с другими организмами и выделения специфичности растений.

Биосинтез жирных кислот в растениях происходит в хлоропластах зеленой ткани и в пластидах нефотосинтетических тканей, а не в цитозоле, как в клетках животных. Хотя синтез de novo находится в строме, растительные митохондрии способны ограничивать синтез жирных кислот [3].Пластидные мембраны в основном состоят из галактолипидов, а мембраны из экстрахлоропластов состоят из фосфолипидов, как в клетках животных [4]. Жирные кислоты в клеточных мембранах состоят в основном из пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, линолевой и линоленовой кислот. Все двойные связи имеют цис-тип. Однако в хлоропласте фосфатидилглицерин (PG) ацилируется необычной кислотой, имеющей двойную связь транс-типа: Δ3 16: 1 t [5].

Фотосинтетические ткани высших растений содержат 60–70% триеновых жирных кислот.Так называемые растения «C18: 3», как правило, представляют собой наиболее продвинутые семейства покрытосеменных (горох, шпинат и т. Д.), Положение которых в sn- 2 галактолипидов этерифицировано исключительно полиненасыщенными жирными кислотами с 18 атомами углерода. Растения «C16: 3», как правило, представляют собой наименее развитые семейства покрытосеменных (Brassicaceae), чье положение sn- 2 галактолипидов этерифицировано полиненасыщенными жирными кислотами с 16 или 18 атомами углерода [6].

Растительные липиды оказывают существенное влияние на мировую экономику и питание человека.Большинство масел, используемых людьми, представляют собой триацилглицеролы, полученные из семян или фруктов. Действительно, семена подразделяются на три категории в соответствии с их запасом. Семена, которые содержат более 45% белка, называются белковыми семенами. Семена крахмала содержат более 70% углеводов, таких как злаки. Масличные семена содержат более 50% липидов в форме триацилглицерина, этерифицированного обычно пальмитиновой, олеиновой, линолевой и линоленовой кислотами в большинстве семян. Некоторые растения могут производить необычные жирные кислоты, такие как гидроксильные жирные кислоты, циклопропановые жирные кислоты, эпоксидные жирные кислоты и конъюгированные ненасыщенные жирные кислоты, в своих семенных маслах, многие из которых имеют полезное промышленное применение [7].Эти необычные жирные кислоты накапливаются преимущественно в триацилглицеролах.

2. Синтез жирных кислот

У растений биосинтез жирных кислот de novo в основном происходит в пластидном отделе [8] из ацетил-КоА, который является прямым продуктом фотосинтеза. Пластид-пируватдегидрогеназа (EC 1.2.4.1) является основным путем для быстрого и стабильного снабжения ацетил-КоА посредством его воздействия на пируват (в результате гликолиза или пентозофосфатного пути). Другим возможным источником является импорт и активация свободного ацетата ацетил-СоА-синтазой (ACS, EC 6.2.1.1) [9]. Основным продуктом ФАС является пальмитиновая кислота, за исключением удлинения пальмитиновой кислоты и десатурации стеариновой кислоты, которая происходит в хлоропласте. Другие изменения (удлинение, десатурация, гидроксилирование и эпоксидирование) происходят в основном в эндоплазматической сети.

Для образования жирных кислот требуются две ферментные системы: ацетил-СоА-карбоксилаза (ACCase, EC 6.4.1.2), две из которых были идентифицированы в растениях [10], и синтаза жирных кислот, которая представляет собой мультиферментный комплекс, присутствующий в строме хлоропластов [11].

2.1 Ацетил-КоА-карбоксилаза (ACCase)

Первым ферментным комплексом является ACCase, который катализирует АТФ-зависимое карбоксилирование ацетил-КоА в малонил-КоА. Для растений ацетил-КоА-карбоксилаза (ACCase) направляет поток углерода от фотосинтеза к первичным и вторичным метаболитам. Были идентифицированы две различные молекулярные формы ACCase, мультипротеиновый комплекс и многофункциональный белок [12] (Figure 1).

Рисунок 1.

Структура двух типов ACCase.(A) мультисубъединица (комплекс MS) ACCase и (B) многофункциональная (MF) ACCase. BCCP, биотин-карбоксильный белок-носитель; BC, биотинкарбоксилаза; α и β CT, α и β карбокситрансфераза; VLCFA, жирные кислоты с очень длинной цепью.

Мультисубъединица (комплекс MS) ACCase, присутствующая в пластидах всех растений, кроме Poaceae и Geraniaceae , участвует в синтезе de novo жирных кислот [13]. Он состоит из четырех независимых полипептидов: биотин-карбоксильный белок-носитель (BCCP), биотинкарбоксилаза (BC) и α и β-карбокситрансфераза (α и β CT).Субъединица биотинкарбоксилазы (ВС) катализирует АТФ-зависимое карбоксилирование биотинильной части белка биотин-карбоксильного носителя (BCCP), а субъединицы карбокситрансферазы (СТ) катализируют перенос активированных карбоксильных групп от BCCP к ацетил-КоА с образованием малонил-КоА.

Многофункциональная (MF) ACCase, состоящая из одного полипептида 220–240 кДа с доменами BCCP, BC и CT, кодируется в ядре, за исключением субъединицы αCT, которая кодируется пластидиальным геномом [13]. Во всех растениях MF ACCase участвует в биосинтезе жирных кислот и флавоноидов с очень длинной цепью в цитозоле [13].

Чувствительность пластидиальной АССазы к сетоксидиму и присутствие биотинилированного полипептида 220 кДа в соевых пластидах обеспечивают биохимическое показание для возможного присутствия двух изоформ АССазы, одной устойчивой (МС) и одной чувствительной (МФ), в листе сои хлоропласты [14].

2.2 Синтаза жирных кислот (FAS)

Второй комплекс ферментов, участвующих в синтезе de novo , представляет собой синтазу жирных кислот (FAS). В природе синтазы жирных кислот подразделяются на две группы.Синтаза жирных кислот типа I, которая характеризуется большими многофункциональными белками, типичными для дрожжей и млекопитающих, и синтаза жирных кислот типа II, обнаруженная у прокариот, которая состоит из четырех диссоциируемых белков, которые катализируют отдельные реакции. Хотя растительные клетки являются эукариотическими, синтаза жирных кислот, обнаруженная в пластидах, относится ко II типу [15]. Синтаза растительных жирных кислот унаследована от фотосинтетических прокариот; пластиды рассматриваются эндосимбиотической теорией как старые цианобактерии.У растений ацильный белок-носитель (ACP) используется в качестве ацильного носителя для различных промежуточных соединений для синтазы жирных кислот в отличие от других эукариотических клеток, где жирные кислоты находятся в форме ацил-КоА [15].

Исходными субстратами для биосинтеза жирных кислот являются ацетил-КоА и малонил-АЦП. Перенос малонильной части от СоА к АСР катализируется малонил-СоА: АСР-трансацилазой (MAT). После начальной конденсации ацетил-КоА и малонил-АСР все промежуточные соединения для каждой стадии пути биосинтеза жирных кислот являются ацил-АСР.

AGS состоит из четырех ферментов: кетоацил-ACP-синтазы (KAS, EC 2.3.1.41), β-кетоацил-ACP-редуктазы (EC 1.1.1.100), гидроксиацил-ACP-дегидразы (EC 4.2.1.59) и эноилацил- АЦП редуктаза (EC 1.3.1.9). Все компоненты синтазы жирных кислот содержатся в пластидах, хотя они кодируются в ядерном геноме и синтезируются на цитозольных рибосомах. В добавлении двух атомов углерода участвуют четыре последовательные реакции (рис. 2).

Рисунок 2.

Биосинтез растительных жирных кислот.Эта цепь требует реакции карбоксилирования ацетил-СоА с малонил-СоА, реакции активации малонил-СоА с малонил-АЦП, реакции конденсации между ацетил-СоА и малонил-АСР с образованием β-кетоацил-АСР, которая в свою очередь подвергается реакции восстановления, обезвоживание и второе восстановление, расширяющее жирную кислоту двух атомов углерода.

Первая конденсация происходит между ацетил-КоА и малонил-ACP. Эта реакция катализируется 1,3-кетоацил-ACP-синтазой III (KAS, EC 2.3.1.41), одной из трех кетоацилсинтаз в растительных системах [15].KAS I отвечает за конденсацию в каждом цикле удлинения, вплоть до образования пальмитоил-ACP (16: 0-ACP). KAS II посвящен окончательному удлинению пластидиала — пальмитоил-ACP (16: 0-ACP) до стеароил-ACP (18: 0-ACP).

β-кетоацил-ACP, образующийся во время реакции конденсации, последовательно подвергается реакции восстановления β-кетоацил-ACP-редуктазой (EC 1.1.1.100), дегидратации β-гидроксиацил-ACP-дегидратазой (EC 4.2.1.59) и дальнейшему восстановлению с помощью эноилацил-ACP-редуктазы (EC 1.3.1.9) дать бутирил-АСР. Коферментом двух реакций окисления-восстановления является НАДФН (рис. 3). Образовавшийся бутирил-АСР будет расширяться еще на две единицы С2 после дальнейшей конденсации с малонил-АСР. Β-Кетоацил-ACP-синтаза I (KASI) катализирует эту реакцию. После семи циклов цикла образуется пальмитоил-ACP.

Рисунок 3.

Схематическое изображение экспорта жирных кислот из пластиды в цитозоль. АСС, ацетил-СоА-карбоксилаза; АСР, ацильный белок-носитель; FA, жирная кислота; CoA, кофермент A; FAS, синтаза жирных кислот; FAT A / B, жирная ацил-АСР-тиоэстераза A / B; LACS, длинноцепочечная ацил-СоА-синтаза; PAE, пальмитоил-ACP-элонгаза; САД, стеароил-АСР десатуразы.

Хотя конечным продуктом синтазы жирных кислот является пальмитиновая кислота, две другие распространенные жирные кислоты синтезируются в строме хлоропластов. Это стеариновая и олеиновая кислоты. Пальмитоил-ACP (C16: 0-ACP) будет удлинен на два новых звена с образованием цепи стеароил-ACP (C18: 0-ACP) пластидно-растворимой стеароил-ACP-синтазой, которая представляет собой мультиэнзимный комплекс, состоящий из четырех ферментов ( KASII, еноил-ACP-редуктаза, гидроксиацил-ACP-дегидраза и эноилацил-ACP-редуктаза) [16].

Образующийся стеароил-АСР затем десатурализуется пластидиальной растворимой стеароил-АСР-десатуразой (SAD, EC 1.14. 19.2) в олеоил-ACP (C18: 1Δ9-ACP) [17]. Этот фермент представляет собой ядерно-кодируемую, локализованную в пластидах растворимую десатуразу, которая вводит первую двойную связь 9 в насыщенную жирную кислоту, что приводит к превращению 18: 0-АСР в 18: 1 -9-АСР [18].

Отсутствие структурного сходства между десатуразой растений и млекопитающих отражает тот факт, что субстраты жирных кислот находятся на разных носителях (ACP и CoA, соответственно), что ферменты используют разных доноров электронов (ферредоксин противцитохрома b5), и что растительный фермент растворим, тогда как животный и грибной ферменты являются цельным мембранным белком [19]. Этот фермент играет ключевую роль в определении соотношения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот [17].

3. Глицеролипиды в качестве субстратов для десатурации

В дополнение к растворимым ацил-АСР-десатуразам жирные кислоты, синтезированные в хлоропластах (пальмитат, стеарат и олеат), десатурации мембраносвязанными десатуразами, в которых используются сложные липидные субстраты, такие как фосфатидилхолин (ПК) в эндоплазматической сети (ER) или моногалактозил-диацилглицерин (MGDG) в пластиде [16].Эти жирные кислоты были использованы для синтеза глицеролипидов двумя различными метаболическими путями (прокариотический и эукариотический путь) и в различных клеточных компартментах (пластиды и ER) [20].

Важность обоих путей биосинтеза зависит от вида растения. В фотосинтетически активных растениях «С18: 3» функционирует только экстрахлоропластный галактолипидный путь; в случае растений «C16: 3» эти два пути сосуществуют, и их значение различается в зависимости от вида и условий окружающей среды.

3.1 Важность тиоэстераз

Поток жирных кислот (пальмитоил-ACP, олеоил-ACP и, в меньшей степени, стеароил-ACP) по двум путям будет подвергаться строгому контролю. Два фермента ацил-АСР-тиоэстеразы и хлоропласт глицерин-3-фосфатацилтрансфераза играют очень важную роль. Действительно, ацильные остатки попадают непосредственно во внехлоропластный путь после гидролиза жирными ацил-ACP-тиоэстеразами FAT (A EC 3.1.2.14 и B EC 3.1.2.22) [22, 23] или в хлоропластный путь после ацилирования ацилом трансферазы [21].

Выделенные пальмитиновая, олеиновая и стеариновая кислоты затем активируются в эфир кофермента А под действием длинноцепочечной ацил-КоА-синтетазы (LACS, EC 6.2.1.3) [24] и экспортируются в цитозоль (рис. 3). ,

Растения экспортируют достаточное количество жирных кислот (16: 0-КоА, 18: 0-КоА, 18: 1-КоА) для синтеза липидов экстрапластидных мембран и TAG липидов семян всех растений.

3.2 Прокариотический путь

Прокариотический путь использует ацил-ACP для синтеза PA и PG у всех растений и галактолипиды (MGDG, DGDG и SQDG) так называемых растений «C16: 3».Этот путь похож на путь, продемонстрированный у фотосинтетических прокариот [22].

Прокариотический путь отличается от эукариотического наличием С16 жирных кислот в положении sn -2 главной цепи глицерина. Этот путь характеризуется присутствием молекулярных частиц 18: 3/16: 3 MGDG [23].

Основные молекулярные разновидности MGDG, синтезируемые прокариотическим путем, обычно содержат α-линоленовую кислоту (C18: 3) исключительно в положении sn -1 глицеринового остова, тогда как положение sn -2 этерифицируется гексадекатриеновой кислота (C16: 3), что приводит к десатурации пальмитиновой кислоты.Следовательно, прокариотический путь, локализованный исключительно в пластидах, требует этапов десатурации.

DAG, предшественник прокариотической MGDG, представляет собой DAG 18: 1/16: 0 (рис. 5). Первый молекулярный вид, синтезированный MGDG-синтазой, представляет собой 18: 1/16 0 MGDG. Пальмитоильный остаток десатурализуется до цис- -гексадеценоилового остатка с помощью ω9-десатуразы, которая специфична как для положения sn 2 жирной кислоты на глицерине, так и на липидах (MGDG) [24, 25]. Десатураза ω9 гораздо более активна в отношении остатка пальмитоила в положении sn 2 глицерина MGDG, чем в положении, расположенном в положении sn 2 DGDG.

Десатуразы ω6 и ω3, соответственно, катализируют десатурацию мононенасыщенных ацильных (гексадеценоил и олеоил) и двиненасыщенных (гексадекадиеноил и линолеоил) остатков. Эти десатуразы не имеют специфичности в отношении длины цепи жирной кислоты или ее положения на глицерине. Десатураза ω6 одинаково хорошо действует на гексадеценоильные и олеоильные остатки, расположенные в положениях sn 2 и sn 1 MGDG и DGDG. Десатурация пальмитиновой кислоты до гексадеценоиловой кислоты является предпосылкой для других десатураций [26] (рис. 4).

Рисунок 4.

Возможная схема десатурации прокариот MGDG в пластидах.

Эта схема десатурации аналогична той, которая предложена для десатурации липидных ацилов в синих водорослях Anabaena variabilis [22].

Синтез фосфатидилглицерина происходит как на заводах «С16: 3», так и на «С18: 3» в хлоропласте. На первом этапе он включает фосфатидную кислоту (PA) и DAG CDP, которые имеют прокариотический тип. Около 30–40% пальмитоилового остатка в положении sn -2 PG десенасыщено при углероде 3 с образованием 3- транс -гексадеценовой кислоты [27].Структура этой жирной кислоты необычна; у растений все двойные связи жирных кислот мембранных липидов имеют цис-тип, за исключением этой жирной кислоты.

3.3 Эукариотический путь

Второй путь, называемый «эукариотический» путь, приводит к образованию двух типов молекулярных видов MGDG; один из них содержит α-линолеат в обоих положениях глицерина, а другой молекулярный вид содержит α-линолеат в положении sn -2 и пальмитат в положении sn -1.Этот путь требует сотрудничества между пластидами и эндоплазматическим ретикулумом для образования глицерогликолипидов в хлоропластах [23, 28].

Олеат, интегрированный в молекулы ПК в положении sn -2 основной цепи глицерина, подвергается последовательности десатураций, катализируемых (ω-6, Δ12) олеат-десатуразой, все еще идентифицируемых мутацией fad2 Arabidopsis и позволяющей синтез линолевой кислоты и (ω-3, Δ15) линолеат-десатуразы, идентифицированный мутацией fad3 Arabidopsis , которая позволяет синтезировать α-линолевую кислоту.Мутанты, дефицитные по лизофосфатидилхолинацилтрансферазе (гены LPCAT1 и LPCAT2), имеют пониженные уровни полиненасыщенных FA (PUFA) в TAG [29].

После десатурации в виде ацил-ПК часть из них, вероятно, в форме DAG, возвращается в хлоропласт и способствует образованию хлоропластных галактолипидов (рис. 5). Эти DAG могут быть ненасыщенными хлоропластными десатуразами [30, 31].

Рисунок 5.

Схема возможных путей синтеза MGDG эукариотического типа в шпинате, растения C16: 3 согласно [25].

Таким образом, можно судить об относительном вкладе прокариотических и эукариотических путей, сравнивая пропорции эукариотических 18/18 и 16/18 глицеролипидов с прокариотическими 18/16 глицеролипидами.

4. Синтез мембранных глицеролипидов

Мембраны эукариотических клеток выполняют несколько функций, обеспечивая физическую компартментализацию на клеточном и субклеточном уровнях, регуляцию обмена с помощью транспорта метаболитов и макромолекул, клеточную связь (рецепторы гормонов, поверхностные антигены, сигнал трансдукция и др.) и при некоторых специфических метаболических реакциях. Поэтому неудивительно, что в одной и той же клетке встречаются различные типы мембран со специфическим составом липидов и белков, которые будут определять их соответствующие функции [32]. Этот синтез в основном осуществляется двумя метаболическими путями, описанными как прокариотический и эукариотический [33].

4.1 Синтез пластидных липидов

Эукариотические DAG и прокариотические структуры DAG являются предшественниками синтеза гликолипидов (SQDG, MGDG и DGDG).Таким образом, существует два типа гликолипидов: прокариотические гликолипиды, чья основа DAG относится к типу C18 / C16 и которые являются ненасыщенными исключительно в пластидных и эукариотических гликолипидах, включая DAG типа (C18: 1 / C18: 1 и C16: 0 / C18 : 1) получены из фосфатидилхолина и являются ненасыщенными в РЗ и пластиде [34]. Таким образом, синтез гликолипидов, локализованных в мембранах пластидной оболочки, требует механизма импорта DAG эукариотической структуры. Эти различия в структуре DAG обусловлены различной специфичностью хлоропластов и ER ацилтрансфераз.Первым этапом прокариотического пути является перенос олеата в глицерол-3-фосфат в положении sn -1 с помощью ацил-АСР-глицерол-3-фосфатацилтрансферазы (ЕС 2.3.1.1), растворимый в строме пластиды. [35]. Таким образом, образуется лизофосфатидная кислота (LPA). Вторая связанная с пластидой пластидацилтрансфераза, LPA-ACP ацилтрансфераза, катализирует этерификацию пальмитоил-ACP в положении sn -2 (LPAAT1; EC 2.3.1.51) [36]. Это приводит к синтезу 18: 1/16: 0-Па.

Фосфатидная кислота (ПА) может быть преобразована в CDP-DAG под действием CTP-фосфатидат-цитидилилтрансферазы (EC 2.7.7.41), которая катализирует реакцию между PA и CTP с образованием CDP-DAG и пирофосфата или дефосфорилируется в диацилглицерол ( DAG) фосфатидат-фосфатазой (PAP; EC 3.1.3.4). CDP-DAG будет использоваться для синтеза фосфатидилглицерина (PG) из пластид [35], а DAG может использоваться для синтеза галактолипидов (MGDG, DGDG) или сульфолипидов (сульфохиновозилдиацилглицерол) (Figure 6).

Рисунок 6.

Биосинтез глицеролипидов в соответствии с прокариотическим путем (MGDG, DGDG, SQDG и PG). Вовлеченные ферменты: (1) глицерол-3-фосфатацилтрансфераза; (2) 1-ацил-глицерол-3-фосфоацилтрансфераза; (3) фосфатидатфосфатаза; (4) MGDG-синтаза; (5) SQDG-синтаза; (6) фосфатидат цитидилтрансферазы; (7) CDP-DAG: глицерол-3-фосфо-цитидилилтрансфераза; (8) фосфатидат глицерофосфатазы; д: десатуразы.

С филогенетической точки зрения, разница между так называемыми растениями «C16: 3» и «C18: 3» связана с наличием пластид фосфатидатфосфатазы в растениях «C16: 3», утраченной в процессе эволюции в «C18». : 3 ”растения.Фермент хлоропласта явно отличается от других фосфатидатфосфатаз в клетке, поскольку он связан с мембраной, прочно связан с внутренней мембраной оболочки, имеет оптимальный щелочной pH и ингибируется такими катионами, как Mg ²⁺ [37 ]. Полученный таким образом DAG (18/16 DAG) является источником гликолипидов прокариотической структуры, SQDG, MGDG и DGDG (фиг.5).

4.1.1 Синтез моногалактозилдиацилглицерина (MGDG)

MGDG синтезируется за одну стадию 1,2-DAG 3-β-галактозилтрансферазой (или MGDG-синтазой), которая переносит галактозу из UDP-Gal в DAG через β1 → 3 гликозидная связь [38].MGDG-синтаза 1 катализирует синтез эукариотических и прокариотических молекул MGDG in vitro без явной специфичности для любой из структур [38] и является источником большинства MGDG, синтезированных в стандартных условиях. Напротив, MGDG-синтазы 2 и 3 будут локализованы во внешней мембране [38]. Эти два фермента обладают лучшим сродством к эукариотическому DAG (C18: 2 / C18: 2) [38] и, вероятно, будут поставлять MGDG для синтеза DGDG [39].

4.1.2 Синтез DGDG

Небольшая часть MGDG снова гликозилируется синтазой DGDG (EC 2.4.1.241) сформировать DGDG. Два фермента катализируют синтез DGDG путем добавления Gal из UDP-Gal в MGDG через α1 → 6 гликозидную связь [40]. DGDG-синтаза 1 действует преимущественно на MGDG C18 / C18, тогда как DGDG-синтаза2, по-видимому, обладает сродством к MGDG с C16 / 18 [41]. Эти два фермента будут локализованы в пластидах, предположительно, во внешней мембране оболочки [41].

4.1.3 Синтез сульфохиновозилдиацилглицерина SQDG

Аналогично, сульфолипидсинтаза (EC 3.13.1.1) катализирует присоединение UDP-сульфохиновозы (UDP-SQ) к положению DAG sn -3 с образованием SQD.Первым этапом синтеза SQDG или сульфолипида является формирование UDP-SQ, полярной донорной группы [32]. Вторая реакция катализируется сульфолипидсинтазой (EC 3.13.1.1), которая переносит SQ из UDP-SQ в молекулу DAG [42].

4.1.4 Синтез фосфатидилглицерина (PG)

Фосфатидная кислота (PA) также является субстратом для синтазы CDP-DAG (EC 2.7.7.41) с образованием CDP-DAG, предшественника синтеза PG (рис. 5). В хлоропластах PG генерируется во внутренней мембране оболочки, где фосфатидилглицерол-фосфат-синтаза и фосфатидилглицерол-фосфат-фосфатаза (EC 3.1.3.27) активности были обнаружены [43].

Жирные кислоты, которые составляют различные глицеролипиды, образующиеся в пластиде, характеризуются высокой степенью ненасыщенности, вносимой различными десатуразами жирных кислот (FAD6, FAD7 и FAD8, EC 1.14.19) для образования полиненасыщенных жирных кислот (PUFA) необходим для правильного функционирования пластид [43].

4.2 Синтез глицерофосфолипидов в эндоплазматической сети

Большая часть пальмитиновой и олеиновой кислот транспортируется в виде эфиров СоА вне хлоропласта для включения в эндоплазматическую сеть (ER) в фосфолипиды (PC, PE, PI и PS). ) (Рисунок 6).ER является основным сайтом для синтеза фосфолипидов и триацилглицерина, которые происходят из лизофосфатидной кислоты (LPA), как и для прокариотического пути (рис. 7).

Рисунок 7.

Биосинтез глицеролипидов в соответствии с эукариотическим путем (PC, PE, PI и PS). Вовлеченные ферменты: (1) глицерол-3-фосфатацилтрансфераза; (2) 1-ацил-глицерол-3-фосфоацилтрансфераза; (3) фосфатидатфосфатаза; (4) CDP-холин: DAG-холин-фосфотрансфераза; (5) CDP-этаноламин: DAG-этаноламин-фосфотрансфераза или PE-синтаза; (6) фосфатидат цитидилтрансферазы; (7) PS-синтаза; (8) PI синтаза; (9) PS декарбоксилаза; (10) N-метилтрансфераза.

В растении семейство глицерофосфатацилтрансферазы (GPAT) участвует в первой реакции, приводящей к синтезу LPA эукариотического пути [35]. Во второй реакции цитозольная ацилтрансфераза лизофосфатидной кислоты (LPAAT2, EC 2.3.1.23) специально включает олеиновую кислоту в положении LPA sn -2, которая является специфической сигнатурой глицеролипидов из эукариотического пути.

Большая часть потока экспортируемых хлоропластов жирных кислот включается в фосфатидилхолин (ПК) с помощью механизма, называемого «редактирование ацила» [40].Этот механизм состоит из цикла деацилирования-реактилирования ПК, который позволяет обменивать ацилы, присутствующие на ПК, с активированными ЖК, взятыми из цитозольного пула свободного ацил-КоА. Олеат, экспортируемый из пластид, в форме олеоил-КоА, используется в качестве субстрата для синтеза полиненасыщенных жирных кислот, которые вставляются либо в мембранные липиды (ПК, РЕ и PI), либо в липиды хранения (триацилглицеролы TAG).

В общем, синтез фосфолипидов разделен на три пути: фосфолипиды, полученные из цитидиндифосфата (CDP) -DAG (PI, PS), те, которые получены из DAG (PC, PE) (Рисунок 6), и те из обмена полярных головок, принадлежащих другим фосфолипидам.

4.2.1 Фосфолипиды, полученные из CDP-DAG: PI и PS

PA могут быть превращены в CDP-DAG под действием CTP-фосфатидат-цитидилилтрансферазы. Этот фермент катализирует реакцию между молекулой эукариотического PA и молекулой CTP с образованием CDP-DAG и пирофосфата.

Фосфоинозитиды являются важной группой сложной структуры. PI представляет 93% фосфоинозитидов, в то время как PIP (в основном PI-3P и PI-4P) и PIP2 (PI- (4,5) P2) составляют менее 1%. Эти фосфоинозитиды играют главную роль в процессах передачи сигналов.Синтез PI катализируется синтазой PI из свободного инозита и CDP-DAG. PI-3P и PI-4P образуются путем фосфорилирования PI, соответственно, с помощью PI 3- и PI 4-киназ. Наконец, PIP2 образуется из PI-4P в результате активности 5-киназы PI-4P (фиг.7).

PS-синтаза

катализирует добавление серина к CDP-DAG [44].

4.2.2 Липиды, полученные из DAG: PE и PC

Растения синтезируют этаноламин путем декарбоксилирования серина [45] сериновой декарбоксилазой, которая представляет собой растворимый растительный фермент.Синтезированный свободный этаноламин затем фосфорилируется с помощью этаноламинакиназы, специфичной для этаноламина, отличного от холинкиназы [46]. Затем фосфоэтаноламин превращается в CDP-этаноламин с помощью CTP: фосфоэтаноламинцитидилтрансферазы. Последняя стадия синтеза РЕ катализируется с помощью CDP-этаноламин: DAG-этаноламин-фосфотрансферазы. Этот фермент является фосфотрансферазой аминоспирта, которая синтезирует как PE, так и PC [47] (Figure 7).

PC можно также синтезировать двумя различными способами: либо метилированием РЕ с помощью PE-N-метилтрансферазы, либо путем добавления CDP-холина на DAG.Путь с использованием CDP-холина является преобладающим [48].

Синтез всех этих липидов, фосфолипидов и гликолипидов локализуется в определенных мембранах. Однако большая часть образующихся липидов присутствует в других мембранах, чем те, в которых они синтезируются (вакуоль, плазматическая мембрана и тилакоид). Следовательно, клетка имеет специфические механизмы транспорта липидов.

5. Биосинтез TAG

TAGs являются нейтральными липидами и являются основным компонентом масличного масла.Эти запасные липиды представляют собой основной источник углерода и энергии, мобилизуемых при прорастании. Другие ткани также могут накапливать TAG, такие как листья старения или пыльцевые зерна [49, 50].

Их биосинтез происходит на мембране ER во время фазы накопления после эмбриогенеза. TAG являются результатом этерификации в положении sn -3 DAG жирной кислоты из пула цитозольного ацил-КоА под действием диацилглицерол-ацилтрансферазы (DGAT, EC 2).3.1.20) или фосфолипид: диацилглицерол-ацилтрансфераза (PDAT, EC 2.3.1.158) [17]. Ацил-КоА могут высвобождаться из ПК после десатурации ацилтрансферазой лизо-ПК и реинкорпорироваться в цепь DAG-TAG. Это позволяет обновить состав жирных кислот ТАГ [51].

5.1 Триацилглицеролы семян часто содержат необычные жирные кислоты

Известно, что в TAG семян содержится более 300 различных жирных кислот. Длина цепи может варьироваться от менее 8 до более 22 атомов углерода. Положение и число двойных связей также могут быть необычными, и гидрокси, эпокси или другие функциональные группы могут модифицировать ацильную цепь.

Синтез этих необычных жирных кислот включает только одну дополнительную или альтернативную ферментативную стадию первичного метаболизма липидов. Все идентифицированные на сегодняшний день ферменты, которые участвуют в необычном биосинтезе жирных кислот, структурно связаны с ферментами первичного метаболизма липидов. Многие из необычных жирных кислот обнаружены в таксономически диспергированных семьях, подразумевая, что рекрутирование ферментов для синтеза этих необычных жирных кислот могло происходить несколько независимых раз в течение эволюции покрытосеменных растений.

Растения, которые синтезируют необычных мононенасыщенных жирных кислот , имеют дополнительную десатуразу, которая тесно связана с Δ9-десатуразой, но вводит двойную связь в другом месте ацил-АСР. В кориандре ( Coriandrum sativum ) петроселиновая кислота синтезируется десатуразой, которая вводит двойную связь между 4 и 5 атомами углерода C16-ацил-АСР (Δ4-десатуразы). Затем эту жирную кислоту расширяют на два атома углерода и отщепляют от АСР для получения свободной жирной кислоты.Предполагается, что эти два последних этапа требуют специализированного конденсирующего фермента и специализированной ацил-АСР-тиоэстеразы [52].

Растения, которые синтезируют жирных кислот со средней длиной цепи, имеют несколько тиоэстераз. Действительно, растения, которые дают семена с высокой концентрацией от 8 до 14 атомов углерода, такие как Cuphea lanceolata , богатые декановой кислотой (C10: 0), Umbellularia californica , богатые лауратом (C12: 0), содержат специфическую тиоэстеразу для цепей средней жирной кислоты ,Путем преждевременного удаления ацильных групп из АПФ тиоэстеразы со средней длиной цепи одновременно предотвращают их дальнейшее удлинение и высвобождают их для синтеза триацилглицерина вне пластид [53].

Семена Ricinus communis L. являются источником касторового масла, используемого для производства высококачественных смазочных материалов из-за высокой доли необычной жирной кислоты и рицинолевой кислоты. Масло семян клещевины содержит 90% необычной окси-жирной кислоты. Семена фасоли клещевины содержат олеатгидроксилазу, которая структурно сходна с Δ12-десатуразами, связанными с экстрапластидиальной мембраной (FAD2), и для преобразования 18: 1-десатуразы в 18: 1-гидроксилазу необходимы только четыре аминокислотные замены [54].Считается, что синтез этих жирных кислот происходит в эндоплазматическом ретикулуме и использует жирные кислоты, этерифицированные до липидного фосфатидилхолина главной мембраны, в качестве субстрата.

Семена огуречника ( Borago officinalis L .) И семена первоцвета ( Oenothera biennis L.) богаты γлиноленовой кислотой (Δ6, 9, 12) соответственно, от 22 до 25% и от 8 до 10% незаменимая жирная кислота. Его синтез происходит в RE во время формирования семени. Предшественник представляет собой линолеил-ПК, и десатурация катализируется десатуразой D6 [55].

Жирные кислоты с очень длинной цепью (AGTLC, содержащие более 18 атомов углерода) используются в биосинтезе многих липидов, участвующих в хранении семян и восков. Жирные кислоты с очень длинной цепью (VLCFA) синтезируются в следующих побочных продуктах удлинения C18-предшественника жирного ацила под действием двух атомов углерода, происходящих из малонил-КоА. Каждая стадия удлинения требует четырех ферментативных реакций: конденсации между предшественником ацила и малонил-КоА, с последующим восстановлением, дегидратацией и другим восстановлением.

6. Заключение

Причина большого разнообразия растительных масел для хранения неизвестна. Специальные физические или химические свойства «необычных» растительных жирных кислот использовались веками. Многие из необычных жирных кислот обладают свойствами, которые ценны в качестве возобновляемого сырья для химической промышленности. Средние жирные кислоты (лауриновая кислота) являются компонентами мыла или шампуня. VLCFA, такие как эруковая кислота (C22: 1), могут использоваться в качестве смазки или участвовать в образовании пластиковой пленки.Гидрокси жирные кислоты, такие как рицинолевая кислота, могут быть источником биодизеля.

Эти необычные жирные кислоты, синтезируемые спонтанными растениями, поэтому получают в небольших количествах. Чтобы получать эти жирные кислоты регулярно и в больших количествах для промышленного использования, необходимо либо одомашнить растение, либо ввести специфический ген нетрадиционной жирной кислоты в маслянистое растение, выращенное для получения достаточных урожаев для промышленного использования.

Влияние пробиотиков на метаболизм липидов

1. Введение

Пробиотики определены как жизнеспособные микроорганизмы, которые оказывают благотворное влияние на здоровье хозяина [1]. Теперь известно, что пробиотики обладают физиологическими функциями, такими как ингибирование патогенов, содействие пищеварению, иммунорегуляторная активность и противоопухолевая активность [2]. Здесь мы обсуждаем влияние пробиотика на метаболизм липидов в семи основных аспектах, включая историю, антиоксидантный эффект, влияние на липопротеин, вид микрофлоры, гормоны, рецепторы и новые механизмы.

1.1. Прошлое и настоящее

Еще в 1974 году Манн и Сперри обнаружили, что жители африканских племен масаи поддерживают более низкий уровень липидов в крови из-за высокого потребления ферментированного молока [3]. В дальнейшем предполагается, что живые лактобациллы, входящие в состав кисломолочного молока, могут способствовать снижению уровня холестерина [4]. Уменьшающий холестерин эффект пробиотика стал более очевидным с открытием способности деконъюгирования и усвоения холестерина солью Lactobacillus [5] [6].После этого был разработан набор процедур скрининга in vitro и vivo для оценки пробиотиков, снижающих уровень холестерина [7]. Многие пробиотические штаммы, в основном L. acidophilus , были подвергнуты скринингу со снижением уровня холестерина [8].

Новое исследование, проведенное Lye и соавторами, показало, что существует пять возможных пробиотических механизмов, включая ассимиляцию холестерина во время роста, связывание холестерина с клеточной поверхностью, нарушение мицеллы холестерина, деконъюгацию активности желчной соли и гидролазы желчной соли (BSH) [9 ].Теперь, с развитием молекулярной биологии, мы можем судить о снижении уровня холестерина в первую очередь по обнаружению гена BSH и его экспрессии в пробиотическом геноме. Недавнее исследование, проведенное Шридеви и соавторами, показало, что Lactobacillus buchneri ATCC 4005 продемонстрировали отличную способность снижать уровень холестерина благодаря оптимальным условиям производства гидролазы желчной соли [10]. В результате мета-анализа, введение пробиотика может оказать положительное влияние на уровень общего холестерина и ЛПНП-холестерина у человека [11].

Имеются некоторые сообщения, что ферментированное соевое молоко пробиотиками также показало благоприятную функцию регуляции уровня липидов [12]. Преимущества ферментированного соевого молока состоят в том, что нежелательные олигосахариды соевых бобов могут гидролизоваться, обеспечивая питательные компоненты для пробиотика, и вырабатывается большое разнообразие пептидов и аминокислот, а также активная агликоновая форма изофлавонов [13]. Улучшенный профиль холестерина наблюдался при ежедневном приеме пробиотического соевого продукта [14]. Представляется возможным, что живые пробиотики и функциональные изофлавоны взаимодействуют в регуляции липидного профиля.

2. Антиоксидантный эффект

Пробиотик, полученный в результате исследований долголетия хорошо известного Эли Метниковаффа. Как мы все знаем, различные опубликованные данные свидетельствуют о том, что снижение окислительного стресса привело к увеличению продолжительности жизни в соответствии со свободной радикальной теорией старения Хармана [15]. Эти два наблюдения вдохновили исследование антиоксидантной способности пробиотиков.

Окислительный стресс, вызванный ожирением, приводит к образованию избыточных активных форм кислорода (АФК), которые могут вызвать дальнейшее повреждение по механизму свободнорадикальной цепной реакции [16].АФК оказывают вредное влияние на полиненасыщенные липиды в клеточной мембране, приводя к повреждению клеточной структуры и малонового диальдегида (МДА), который также токсичен для ДНК и белка и одновременно образует маркер перекисного окисления липидов [17] [18]. Что касается окислительного стресса, то в организме человека имеется собственная система антиоксидантной защиты, включающая супероксиддисмутазу (SOD), каталазу (CAT), глутатионпероксидазу (GSH-Px), глутатион (GSH) и т. Д. [19]. Многие штаммы Lactobacillus с антиоксидантными эффектами не только снижали уровень MDA, но и увеличивали выработку антиоксидантов (таблица 1).

Bb120039 [24]

Штаммы	Модель	Антиоксидантные эффекты	Renferences
Пробиотический йогурт, содержащий Lactobacillus acidophilus La5 и Bifidobacterium lactis	Сыворотка		Пациенты	Сыворотка		Пациенты с ожирением	Сыворотка	[20]
Пробиотический йогурт, содержащий Lactobacillus acidophilus LA-5 и Bifidobacterium BB-12	Беременные женщины	Повышенные уровни глутатионредуктазы в эритроцитах, глутатиона в плазме и 900-оксо-7,8-дигидрогуина в 8-оксо-7,8-дигидрогуане [21]
Lactobacillus casei Чжан	Крыса с высоким содержанием жира	Снижение MDA и увеличение SOD и GSH-Px в сыворотке и печени	[22]
Lactobacillus fermentum	свиней	Увеличение общего количества анти емкость окислителя , активность SOD и GSH-Px в сыворотке, а также печеночная CAT и мышечная SOD; Снижение уровня MDA в сыворотке и мышцах	[23]
Пробиотический йогурт, содержащий Lactobacillus acidophilus LA-5 и Bifidobacterium BB-12	человек	Увеличение активности СОД и каталазы	[24]
Bacillus polyfermenticus	Крысы с карциногенезом толстой кишки	Более низкие уровни перекисного окисления липидов в плазме и более высокие уровни общего антиоксиданта в плазме	[25]
9003 пробиотиков, содержащих Lactobacillus acidophilus и Lac case case и L Крысы с высоким содержанием фруктозы	Более низкие значения TBARS и более высокие значения глутатиона в тканях печени и поджелудочной железы	[26]
Lactobacillus fermentum ME-3	человек	Улучшенный общий антиоксидантный статус	[27 ]
Bacillus polyfermenti cus SCD	Крыса с высоким содержанием жиров и холестерина в крови	Увеличение общего потенциала антиоксидантного захвата радикалов (TRAP) и уменьшение содержания сопряженных диенов в плазме	[28]
Streptococcus thermophilus YIT 2001	Iron overloade-d 9009	Значительное снижение перекиси липидов в слизистой оболочке толстой кишки	[29]
VSL # 3	ob / ob мышей	Бета-окисление низших жирных кислот	[30]
л.acidophilus	крысы	Более высокая активность GSH-Px в эритроцитах	[31]
л .rhamnosus SBT 2257	крысы	Ингибирование гемолиза эритроцитов в состоянии витамина Е dificient	[32]

Таблица 1.

Антиоксидантное действие пробиотиков

3. Воздействие на липопротеин

Транспорт липопротеинов играет важную роль в накоплении уровня липополисахаридов в организме (LPS) [33].Исследования, проведенные Cani и соавторами, показали, что повышенный уровень LPS рассматривается как триггерный фактор, участвующий в патогенезе ожирения и метаболического риска посредством врожденного иммунного механизма [34]. LPS-связывающий белок (LBP) и липопротеины оказывают синергетический эффект на снижение уровня токсического LPS [35].

Было продемонстрировано, что некоторые пробиотики, содержащие ферментированное молоко, снижают уровень холестерина липопротеинов низкой плотности (LDL-c) и холестерина липопротеинов очень низкой плотности (VLDL-c) у животных и человека [26] [36] [37].Недавно было доказано, что L. casei Shirota снижает уровень LBP в плазме у мышей с ожирением, а йогурт L. reuteri NCIMB 30242 может улучшить уровень ApoB-100 у пациентов с гиперхолестеринемией, что позволяет предположить, что пробиотик обладает функцией снижения LPS для задержки риск ожирения [38] [39].

4. Весь вид микрофлоры

Микробы кишечника не только Lactobacillus также могут проявлять эффект деконъюгирования соли желчных кислот [40], что позволяет предположить, что другие микробы обладают потенциалом снижения липидов.Таким образом, общая микрофлора кишечника была принята во внимание при оценке липидного обмена. В последние несколько лет исследования были сосредоточены на новых областях микрофлоры и липидного обмена с разработкой независимых от культуры методов для понимания общего микробного разнообразия [41].

Кишечник человека состоит из микробного сообщества из 10 ¹⁴ бактерий, по крайней мере, с 1000 видами, и весь микробиом более чем в 100 раз превосходит геном человека [42]. Эти исследования подчеркивают значимость вклада всего кишечного микробиома для сбора энергии и взаимосвязи между ожирением и изменениями кишечного микробиома [43].Более подробно, ожирение в основном характеризуется повышенным соотношением Firmicutes / Bacteroidetes в кишечнике [44]. Пробиотики служат одним из эффективных агентов для регуляции микрофлоры кишечника, они могут оказывать положительное влияние на метаболизм липидов, снижая соотношение Firmicutes / Bacteroidetes . Другие бактерии, такие как Methanobrevibacter smithii , также находятся на низком уровне у тучных людей [45]. Интересно, что недавно было обнаружено, что атеросклеротическое заболевание, вызванное накоплением холестерина и воспалением, его микробиота атеросклеротических бляшек была связана с микробиотой полости рта и кишечника благодаря высокопроизводительному 454 пиросеквенированию генов 16S рРНК [46].

Кроме того, такая огромная микрофлора обеспечивает большой резервуар молекул LPS для циркуляции через колонизацию грамотрицательных бактерий в кишечнике [47]. Недавнее исследование показало, что Bifidobacteria с генами, кодирующими переносчик углеводов типа АТФ-связывающей кассеты, могут защищать от грамотрицательной колонизации E. coli O157: H7 в кишечнике из-за образования ацетата [48]. Таким образом, пробиотик может ограничивать связанные с ЛПС микробные сообщества в кишечнике.

Микрофлора кишечника также известна как мишень для метаболизма лекарств из-за разнообразных микробных трансформаций [49].Считалось, что манипулирование комменсальной микробной композицией с помощью антибиотиков, пробиотиков или пребиотиков повышает метаболическую активность и выработку эффективных метаболитов [50]. Было высказано предположение, что симвастатин, который является ингибитором HMG-CoA и широко используется для регуляции выработки холестерина в печени, обладает измененными фармакологическими свойствами за счет деградации микрофлоры за счет изменения его способности связываться с соответствующими рецепторами [51]. Указано, что пробиотики могут влиять на метаболизм липидорегулирующих препаратов в кишечнике.

5. Регуляция лептина, адипонектина и остеокальцина

Гормоны, такие как лептин, адипонектин и остеокальцин, играют важную роль в метаболизме липидов. Тучная популяция характеризовалась значительным снижением уровня остеокальцина и адипонектина, а также высоким уровнем лептина (устойчивым к лептину), о котором сообщалось в литературе. В настоящее время все более широко признается, что лептин может регулировать потребление пищи и расход энергии посредством гипоталамуса, а адипонектин может усиливать окисление жировой ткани до нижних уровней жирных кислот и содержание триглицеридов в ткани, связанных с чувствительностью к инсулину [52].Что касается остеокальцина, предполагается, что лептин модулирует биологическую активность остеокальцина, а остеокальцин может стимулировать синтез адипонектина [53] [54].

5.1. Лептин

Лептин, гормон против ожирения, вырабатываемый жировой тканью, как сообщается, регулирует массу тела, контролируя потребление пищи и расход энергии [55]. Тем не менее, ожирение имеет тенденцию демонстрировать заметно более высокий уровень лептина в сыворотке с симптомом резистентности к лептину. В нескольких исследованиях сообщалось о снижении лептина при введении пробиотика.У мышей с высоким содержанием жира Lee и соавторы подтвердили, что Lactobacillus rhamnosus PL60 продемонстрировали снижение уровня лептина и эффект против ожирения из-за продукции конъюгированной линолевой кислоты [56]. Более того, концентрация лептина в сыворотке была снижена на Lactobacillus gasseri SBT205 у худых крыс Цукера, связанных с уменьшенным размером адипоцитов [57]. В другом исследовании также сообщалось, что уровень лептина был снижен комбинированными бифидобактериями ( B. pseudocatenulatum SPM 1204, B. longum SPM 1205 и B.longum SPM 1207) у тучных крыс [58]. Интересно и спорно, прямая инъекция Lactobacillus ацидофильных супернатантов (росток бесплатно) в головном мозге крыс приводит к потере веса с увеличением экспрессии лептина в нейронах и жировой ткани [59].

Лептин-понижающее действие пробиотиков также наблюдалось у человека. Аналогичным образом, Naruszewicz и соавторы исследовали, оказывает ли пероральное введение L. plantarum 299v благотворное влияние на курильщиков путем выявления факторов риска сердечно-сосудистых заболеваний [60].В этом исследовании курильщики показали значительное снижение концентрации лептина в плазме и противовоспалительных свойств при добавлении пробиотика. К сожалению, два месяца потребления Lactobacillus acidophilus и Bifidobacterium longum не смогли снизить уровень лептина в плазме у мужских равных экскреторов [61].

5.2. Адипонектин

Как сывороточный белок, полученный из адипоцитов, адипонектин играет важную роль в метаболизме глюкозы и липидов, поскольку дефицит адипонектина связан с резистентностью к инсулину, воспалением, дислипидемией и риском развития атерогенных сосудистых заболеваний [62].Параллельно было показано, что адипонектин подавляет образование пенистых клеток макрофагов при атеросклерозе [63]. Несколько исследований показали, что пробиотическая терапия улучшает уровень адипонектина или экспрессию гена адипонектина. Одно сравнительное исследование, проведенное на мышах с нормальной микрофлорой (NMF) и без микробов (GF), выявило, что экспрессия гена адипонектина (Adipoq) была повышена в группах Lactobacillus мышей, свободных от бактерий [64]. Более того, Higurashi et al. Сообщили, что пробиотический сыр может предотвращать накопление жировой ткани в брюшной полости и поддерживать концентрацию адипонектина в сыворотке крови у высококалорийных крыс, получавших питание [65].Тем не менее, штамм № Lactobacillus plantarum № 14 оказывает белое жироредуцирующее действие на мышей с высоким содержанием жиров без изменения адипонектина [66].

Kadooka и др. Использовали пробиотик L. gasseri SBT2055 для регуляции ожирения в брюшной полости у взрослых, страдающих ожирением, где пробиотическое лечение включало значительное уменьшение областей висцерального и подкожного жира в брюшной полости от исходного уровня и значительное увеличение высокомолекулярного адипонектина в их сыворотке. [67]. Кроме того, недавнее крупномасштабное клиническое исследование, проведенное Luoto и соавторами, подтвердило, что беременные женщины с потреблением комбинированных пробиотиков Lactobacillus rhamnosus GG и Bifidobacterium lactis имели более высокую концентрацию адипонектина молозива по сравнению с плацебо, которая коррелировала обратно пропорционально увеличению массы тела во время беременности. беременность [68].

5.3. Остеокальцин

В последние годы остеокальцин, секретируемый остеобластами, вызвал большой интерес, связанный с функцией β-клеток, продукцией адипонектина, расходом энергии и ожирением [69]. У людей, страдающих ожирением, уровень остеокальцина в сыворотке крови был низким [70]. Единственное исследование, проведенное Naughton et al., Показало, что уровни остеокальцина были слегка повышены у крыс среднего возраста при потреблении богатого инулином молока, ферментированного Lactobacillus GG и Bifidobacterium lactis [71].Интересно, что остеокальцин является витамин К-зависимым белком, и два основных типа, включая витамин К1 и витамин К2, соответственно вырабатываются из диетической растительной и микрофлоры [72]. Как эффективный способ изменить микрофлору, пробиотики могут повысить выработку витамина K2 и связанный с ним уровень остеокальцина за счет изменения микрофлоры.

6. Взаимодействие с рецепторами

Различные рецепторы участвуют в регуляции важных генов в транспорте и метаболизме липидов и выбираются в качестве потенциальных терапевтических мишеней при дислипидемии и атеросклерозе.Недавние исследования были сосредоточены на ядерных рецепторах (NR), связанных с G-белком рецепторах (GPR) и Toll-подобных рецепторах (TLR) в качестве факторов, регулируемых введением пробиотиков. Но перекрестные помехи между NR, TLR и GPR не были четко объяснены. Единственное исследование о перекрестных помехах между NR, TLR и микрофлорой между специфическими свободными от патогенов (SPF) и свободными от микробов (GF) мышами показало, что LXR-альфа, ROR-гамма и CAR экспрессия были снижены, тогда как TLR-2 и TLR-5 увеличились в SPF по сравнению с мышами GF [73].

6.1. Ядерные рецепторы

В соответствии с изложенным выше, было обнаружено, что некоторые пробиотики эффективны для снижения уровня холестерина в крови, и одним из возможных механизмов является повышение уровня фекальных желчных кислот. Как один из важных липидных медиаторов, было подтверждено, что желчные кислоты влияют на ряд NR, включая рецептор фарнезоида X (FXR), рецептор прегнана-X (PXR), рецептор конститутивного андростана (CAR), рецептор, активируемый пролифератором пероксисом (PPAR) X-рецептор печени (LXR), глюкокортикоидный рецептор (GR) и рецептор витамина D (VDR) [74-76].

В последнее время Lactobacillus acidophilus ATCC 4356 может действовать как агонист рецептора X-рецептора печени (LXR) и ингибировать клеточное поглощение мицеллярного холестерина в клетках Caco-2 [77]. Аналогичное исследование, проведенное с Yoon et al. С использованием комбинации L. rhamnosus BFE5264 и L. plantarum NR74, также показало активацию экспрессии LXR и стимулирование оттока холестерина в клетках Caco-2 [78]. Это идентично действию препарата секвестрантов желчных кислот, который также может вызывать повышение активности LXR в печени [79].

Как мы все знаем, PPAR играют ключевую роль в воспалении и метаболизме глюкозы в крови. Некоторые исследования показали, что пробиотик регулирует экспрессию PPAR в экспериментальной модели воспаления [80]. Фактически, PPARs также является целевым геном энергетического гомеостаза и адипогенеза [81]. Связанный с транскрипцией гена ApoE, PPAR-γ нуждается в LXR-пути для регуляции баланса триглицеридов адипоцитов [82]. Авелла и др. Сообщили, что диетические пробиотики могут модифицировать экспрессию PPAR-α, PPAR-β, VDR-α, RAR-γ и GR у морской рыбы, что указывает на обширные перекрестные помехи среди NRs, активированных пробиотиком [83].Относительно NRs и липидного обмена, связанного с пробиотиком, Aronsson и др. Отметили, что L. paracasei F19 может уменьшить накопление жира, связанное с резкими изменениями PPAR [84]. Одно из последних исследований, проведенных Zhao et al., Также продемонстрировало, что пробиотик Pediococcus pentosaceus LP28 может также действовать как агонист PPAR-γ одновременно с большим снижением уровня триглицеридов и холестерина у мышей с ожирением [85].

6.2. Toll-подобные рецепторы

Являясь важными рецепторами распознавания образов, TLR участвуют в распознавании и распознавании ряда микробных компонентов, таких как пептидогликан (TLR2) и LPS (TLR4), для активации иммунных реакций [86].На сегодняшний день связь между TLR и метаболизмом липидов в основном состоит из двух аспектов. С одной стороны, передача сигналов TLR может напрямую связываться и нарушать метаболизм холестерина в макрофагах [87]. С другой стороны, передача сигналов TLR (в основном TLR4) участвует во взаимодействии LPS с жирной кислотой, липопротеином и повреждением органов (особенно печени и кишечника). Имеются данные, свидетельствующие о том, что низкие дозы ЛПС могут стимулировать синтез жирных кислот de novo , а также липолиз и выработку липопротеинов в печени, что приводит к гипертриглицеридемии печени [88].У мышей умеренно более высокий уровень LPS может быть увеличен за счет диеты, обогащенной жирами, и способствует воспалению низкой степени тяжести [34]. У кроликов высокое потребление холестерина плюс низкие дозы ЛПС ускоряли развитие атеросклероза [89]. Эти два исследования рассматриваются как результат перекрестных помех между LPS и TLR, приводящих к повреждению слизистой оболочки кишечника, связанному с воспалительным ответом. Кроме того, было показано, что образование пенистых клеток при атеросклерозе опосредуется TLR2 и 4, а другие TLR, такие как TLR3, 7 и 9, также могут участвовать в атеросклерозе [90] [91].

TLR4 тесно связан с высоким содержанием жиров, LPS и воспалением. Известно, что пробиотики восстанавливают LPS-содержащие грамотрицательные организмы (такие как E. coli ) в кишечнике и приток LPS в кровоток [92] [93]. Большое количество пробиотиков также способно специфически модулировать путь NF-κB (один из наиболее важных воспалительных путей) в эпителиальных клетках кишечника и макрофагах [94].

Из-за дефицита TLR4 с антиобезигенскими эффектами и восприимчивости к колиту, мало информации о влиянии пробиотика на метаболизм липидов получено в модели нокаута TLR4, тогда как у мышей, нокаутированных по TLR4, наблюдался защитный эффект пробиотика VSL # 3 от воспаления [95]. [96].Что касается роли TLR4 в развитии метаболических нарушений, Andreasen и др. Считают, что L. acidophilus NCFM могут снижать приток LPS из кишечника в кровоток и подавлять передачу сигналов TLR4 и провоспалительные цитокины у людей. [97].

Гомеостаз иммунитета также оказывает важное влияние на метаболизм липидов. В целом, общепризнанно, что пробиотические бактерии способны поддерживать иммунитет Th2 и Th3 посредством регуляции провоспалительных и противовоспалительных цитокинов [98].Кроме того, Agrawal et al. Подтвердили, что передача сигналов, происходящая от TLR2, главным образом усиливает высвобождение Th3-цитокинов, тогда как TLR4, запускаемый LPS, стимулирует ответы Th2-типа [99]. Интересно, что Voltan et al. Обнаружили, что L. crispatus M247 могут повышать уровень мРНК TLR2 и снижать уровни мРНК TLR4 и белка в слизистой оболочке толстой кишки, предполагая, что L. crispatus M247 поддерживают гомеостаз Th2 / Th3 через бластанс TLR2 / TLR4 [ 100].

6.3. Белковые рецепторы G

Хорошо известно, что пробиотические бактерии оказывают благотворное влияние на кишечник, особенно его антимикробные свойства, продуцируя органические кислоты или регулируя органическую кислотопродуцирующую флору [93].Сообщалось также, что GPR41 и GPR43 могут активироваться короткоцепочечными жирными кислотами (SCFA) [101]. Таким образом, возможно, что пробиотик может влиять на GPRs через продукцию SCFAs в кишечнике. Тем не менее, эти отношения между ними еще не установлены. Исследование, проведенное на мышах с дефицитом Gpr41 в условиях отсутствия микробов или в обычной среде, показало, что наличие микрофлоры было связано с выделением короткоцепочечных жирных кислот из рациона, которые контролируют степень ожирения [102].

Насколько нам известно, только одно исследование изучало влияние пребиотика, который может специфически увеличивать кишечные пробиотические бифидобактерии на экспрессию GPR43 через модифицированный липидный профиль [103]. Используя модель грызунов с высоким содержанием жиров, авторы изучили влияние пребиотика на изменения микрофлоры, профиля жировой кислоты и экспрессии рецепторов. Диета с высоким содержанием жиров способна увеличить экспрессию GPR43 и TLR4, а также экспрессию PPAR-γ благодаря продукции олеиновой и α-линоленовой кислот, в то время как пребиотик снижает избыточную экспрессию GPR43 и TLR4.

7. Изучение новых механизмов

В последние годы были предложены новые механизмы пробиотиков по метаболизму липидов. Исследования Khedara и др. Показали, что более низкий уровень оксида азота является причиной гиперлипидемии, поскольку эндогенный оксид азота может снизить окисление жирных кислот [104]. Некоторые пробиотики обладали способностью индуцировать синтез оксида азота путем активации индуцибельной синтазы оксида азота [105] [106]. Таким образом, модифицированная доступность NO пробиотиками играет важную роль в метаболизме липидов.

Кроме того, Tanida и др. Продемонстрировали, что Lactobacillus paracasei ST11 может увеличить липолиз жировой ткани за счет усиления активности вегетативного нерва [107]. В печени пробиотики также проявляют липидоснижающее действие [108]. Ма и др. Продемонстрировали, что пробиотики VSL # 3 могут увеличить количество NKT-клеток в печени, чтобы ослабить стеатоз, вызванный диетой с высоким содержанием жиров [109]. Хуанг и соавторы обнаружили, что L. acidophilus 4356 могут снижать уровень C1-Like 1 (NPC1L1) Нимана-Пика в двенадцатиперстной кишке и тощей кишке крыс с высоким содержанием жира [110].Другое недавнее исследование, проведенное Aronsson и соавторами, выявило новый механизм Lactobacillus paracasei F19 для снижения накопления жира путем повышения уровня белка Angiopoietin-like 4 (ANGPTL4) у мышей [84].

Технология

Omics позволяет по-новому взглянуть на механизмы липидного обмена под влиянием пробиотиков. Lee и соавторы продемонстрировали, что ген ccpA (кодирует контрольный белок катаболита A) выполняет функцию снижения уровня холестерина in vivo, сравнивая штамм, снижающий уровень холестерина л.acidophilus A4 и мутантный штамм BA9 без гиполипидемического эффекта [111]. Кроме того, шесть основных различных экспрессированных белков, вовлеченных в эти два разных штамма in vitro , были идентифицированы протеомным анализом, включающим регулятор транскрипции, FMN-связывающий белок, суперсемейную пермеазу-посредник, гликогенфосфорилазу, белок YknV и фруктозо-тагатозобисфосфат-альдолазу.

Анализ микрочипов пробиотика L. casei Влияние Чжана на печень крыс с высоким содержанием жиров, получавших диету, показало, что L.администрация casei Zhang способствует β-окислению метаболизма жирных кислот путем усиления экспрессии пяти генов (Acsl1, Hadh, Acaa2, Acads и gcdH). Более того, L. casei Zhang может сильно активировать экспрессию глюкокортикоидного рецептора (ген NR3C1), что может быть связано с защитой от воспаления низкой степени тяжести, вызванного [112].

В последнее время протеомы тонкого кишечника у поросят-отъемышей, которые по-разному реагируют на пробиотик ( Lactobacillus fermentum I5007) и добавки антибиотиков (ауреомицин) с точки зрения метаболизма липидов, показали, что усиленное пробиотиками слизистое SAR1B может предотвратить появление поросят-отъемышей от жировой ткани.Что еще более важно, высокое содержание EIF4A и KRT10 в слизистой оболочке у пробиотиков, обработанных пробиотиками, может способствовать улучшению общей целостности кишечника, что предполагает потенциальное снижение притока LPS [113].

8. Заключение

В заключение, пробиотик — лучшая стратегия профилактики и лечения для регуляции липидного гомеостаза с высокой распространенностью ожирения, бременем избыточного веса и развитием хронических заболеваний в современном мире. Несмотря на то, что люди слишком обращают внимание на тонкий результат, чтобы пренебречь побочным эффектом препарата, пробиотик может этого избежать для достижения здорового веса.Усиление притока желчных кислот и усвоение кишечного холестерина рассматривалось как классическая теория для пробиотиков, снижающих уровень холестерина. Тем не менее, последние исследования сосредоточены на антиоксидантной активности и взаимодействии с липопротеинами, гормонами и всей микробиотой. Кроме того, перекрестные помехи между NR, GPR и TLR пробиотиками являются новыми рубежами для механических исследований. Однако необходимы дальнейшие исследования для выявления различных реакций, связанных с метаболизмом липидов под влиянием пробиотиков.

Благодарность

Мы благодарим профессора Хэпинга Чжана за редактирование этой статьи.Мы также благодарим сотрудников лаборатории факультета биологической науки и техники, которую возглавляет Ючжэнь Ван в нашем университете, за полезные советы по молекулярной биологии.