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脂质组学入门:脂质分子检测的多样性和功能

2021-04-07
中科新生命
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摘要

脂质是机体内的一类重要生物分子,具有种类繁多、不溶于水而易溶于非极性有机溶剂等特性。脂质参与调节多种生命活动,脂质代谢的异常可能引发诸多疾病如肥胖、动脉硬化、糖尿病等。脂质组学通过研究脂质在生物样品中的组成、结构及定量等方式来阐明脂质的代谢方式,可以用来寻找生物标志物、研究脂质分子总体水平在各种生命现象中的作用机制。近年来,由于人们对脂质生物学功能重要性的认识不断加深和质谱技术的不断革新,脂质组学作为代谢组学的一个重要分支逐渐引起了科研工作者的重视。

1. 脂质分子概述

美国国立卫生研究院(NIH) 2003 年所资助的“脂质代谢途径研究计划”(Lipid metabolites and pathways strategy, LIPID MAPS)项目提出的脂质分类系统 (The LIPID MAPS Lipid Classification System),将脂质大体分为八大类,下图中每个脂类示例了一个代表性结构:

 

 

图1、八类脂类分子示例结构图

 

(1)脂肪酸(Fatty acids, FA)

脂肪酸是最简单的一种脂,也是许多更复杂的脂的组成成分。脂肪酸的一端含有一个羧基的长的脂肪族碳氢链,直链饱和脂肪酸的通式是C(n)H(2n+1)COOH.

根据碳链长度可划分为:

 

 

表1 脂肪酸链长分类

 

根据碳氢链饱和程度可分为:

 

 

表2 脂肪酸不饱和度分类

 

(2)甘油酯(Glycerolipids, GL)

甘油酯是甘油的羟基与脂肪酸酯化的产物。甘油酯根据甘油的羟基被酯化的个数而分类。甘油中一个羟基被酯化称为单甘油酯,两个羟基被酯化称为甘油二酯,三个羟基被酯化称为甘油三酯。其中植物油和动物脂肪中主要是以三酸甘油酯为主,但因为自然存在的酶(脂酶)作用,会分解为单酸甘油酯、二酸甘油酯及自由脂肪酸。

 

 

表3 常见甘油酯

 

自然界里的三酰甘油的链长差异很大,但是16个、18个和20个碳原子的最常见。常见的植物和动物三酰甘油的一般只有双数碳原子的,和其来自乙酰辅酶A的生物合成过程有关。细菌也能够产生单数碳原子的或者分叉的链。反刍动物在反刍过程中有细菌介入,因此它们的三酰甘油也包含单数碳原子(比如15个碳原子)的脂质分子。三酰甘油的积累是脂肪毒性的标志。

 

(3)甘油磷脂(Glycerophospholipids, GP)

甘油磷脂一般简称为磷脂,是含有磷酸的脂类,经存在于细胞膜中的主要脂质类型。2分子脂肪酸与甘油的C1及C2上的羟基通过酯键连接,一分子亲水的高度极性的磷酸基团与C3的-OH相连就形成最简单的甘油磷脂,磷脂酸。真核生物及细菌中的磷脂,其极性头部连接在甘油的sn-3位上,而古菌中的磷脂,其极性头部连接在甘油的sn-1位上。甘油磷脂基本结构是磷脂酸和与磷酸相连的取代基团,由于取代基团不同又可以分为许多类,例如胆碱、心磷脂、肌醇等。

 

 

 

表4常见甘油磷脂

 

 

Xianlin Han, 2016

 

(4)鞘脂类(Sphingolipids, SP)

鞘脂类分子有共同的鞘氨醇(sphingoid base)骨架,由丝胺酸和长脂肪链的酰基辅酶A从头合成之后转换为神经酰胺、磷鞘脂、糖鞘脂等。其中神经酰胺Cer是常见的鞘氨醇衍生物,有一个连接酰胺基的脂肪酸。其脂肪酸多半是饱和脂肪酸或是单元不饱和脂肪酸,碳链长度约为16至26个碳原子。哺乳类体内的鞘脂主要以鞘磷脂为主,而昆虫体内则主要是磷酸乙醇胺神经酰胺。糖鞘脂是鞘脂和糖以糖苷键连结的化合物,例如构造简单的脑苷脂以及较复杂的神经节苷脂。

 

 

 

表5常见鞘脂

 

(5)固醇脂类(Sterol Lipids, ST)

固醇脂是一类由3个己烷环及一个环戊烷形成的环戊烷多氢菲衍生物。除细菌中缺少外,广泛存在于动植物的细胞及组织中。固醇主要包括胆固醇及其衍生物,固醇都有相同的四环结构,包含了身体中的激素及信号分子,有着重要作用。如、雌激素、雄激素、睾酮、雄甾酮、孕激素、糖皮质激素及盐皮质激素等。还是许多维生素D的前体。其他的固醇还包括胆汁酸及其共轭碱,这类物质是哺乳类氧化胆固醇后的衍生物,主要在肝脏中生成。植物中的固醇称为植物固醇,例如β-谷固醇、豆固醇及菜籽固醇等。真菌细胞膜中主要的固醇为麦角固醇。

 

(6)孕烯醇酮脂类(Prenol Lipids, PR)

是由五碳异戊烯基二磷酸(isopentenyl diphosphate)及二甲基烯丙基二磷酸(dimethylallyl diphosphate)合成。类胡萝卜素是重要的简单类异戊二烯,也是维生素A的前体。另一类重要的分子是醌及对苯二酚。维生素E、维生素K及辅酶Q10也属于这一类。

 

(7)糖脂类(Glucosylsphingoshine,SoG1)

糖和脂质结合所形成的物质的总称。糖脂是指含有糖基配体的脂类化合物。它是一类两

亲性分子,在生物体内广泛存在。糖脂亦分为两大类:糖基酰甘油和糖鞘脂。糖鞘脂又分为中性糖鞘脂和酸性糖鞘脂。糖脂又是细胞表面抗原的重要组分,某些正常细胞癌化后,表面糖脂成分有明显变化。

 

 

表6常见糖脂

 

(8)聚酮类,Polyketides,PK

聚酮由乙酰基及丙酰辅酶A的子单位组成,其中包括大量动物、植物、细菌、真菌及海洋生物的次级代谢产物及天然产物,在结构上有很大的不同。大部分主结构是环,其主结构可以被糖基化、甲基化、羟基化、氧化等。聚酮或其衍生物包含许多常用的抗菌药及抗癌药,例如红霉素、四环素类抗生素及抗肿瘤的埃皮霉素等。

 

2. 膜质分子的主要三大生理功能

(1)组成生物膜

甘油磷脂是生物膜的主要成分之一。甘油磷脂是两性分子,分子中同时具有亲水性及疏水性的基团,其中以甘油为中心存在酯键连接的二个脂肪基的亲脂性“尾巴”,另外一个酯键连结到一个磷酸的亲水性“头部”。水溶液中,磷脂极性的头朝向极性的水分子,而疏水的尾巴减少对水的接触,彼此距离更加紧密,形成囊泡。生物膜主要是以甘油磷脂为主,但也存在一些没有甘油的脂类,比如鞘磷脂、胆固醇等。

 

(2)参与能量代谢和储存

三酸甘油酯是动植物体内的主要能量来源之一,三酸甘油酯储存在脂肪组织内,是动物油脂与植物油脂的主要成分。脂肪细胞设计为可连续生成或分解三酸甘油酯,脂肪酸的完全氧化可以产生大量能量,约为9 kcal/g,而糖和蛋白质氧化只能产生4 kcal/g的热量。脂肪细胞可以产生和储藏三酰甘油,假如身体需要脂肪酸作为能源时胰高血糖素会促使脂肪酶分解三酰甘油,释放自由脂肪酸。

 

(3)参与信号转导

许多不同种类的脂质可以作为信号分子或是第二信使系统的一部分参与信号转导。这类脂质如1-磷酸鞘氨醇S1P、由神经酰胺衍生的鞘脂、二酸甘油酯(DAG)、磷酸磷脂酰肌醇(PIPs)、前列腺素、甾体荷尔蒙包括雌激素、睾酮及皮质醇等。能够参与大量的信号调节活动如:钙信号、细胞生长凋亡、炎症和免疫、代谢调节等。

 

 

表7脂类重要生理功能一览

 

(4) 基于LC-MS/MS的脂质组学

在脂质组学中最广泛使用的色谱分离方法是反相高效液相色谱法(reversed-phase HPLC),根据脂质分子的非极性脂肪酰基部分来分离脂质,分离和等效碳数目有关,保留时间一般会随碳数的增加而增加,随双键数的增加而减少。

 

 

Thomas Züllig and Harald C. Köfeler, 2020

图3 基于LC-MS的脂质组学平台工作流程

 

上图3举例说明了基于LC-MS(高分辨质谱)的脂质组思路:最上面显示的是根据脂肪酰基组成和脂质类别在总离子色谱图中对复杂生物样本进行的反相色谱分离,在22.92 min时的色谱峰可能包含许多coelute的TG分子,Orbitrap仪器的高质量分辨率能够在给定的保留时间内分辨各种加合离子及其同位素峰,并随后将874.7855处的质量确定为潜在的 [TG 52:3+NH4]+的离子。同时,离子阱以DDA模式获得了该质量峰的MS/MS谱图,首先通过离子857.6证实了和TG 52:3的MS1的一致性,其次通过相应的分子量为256、282和280的脂肪酰中性丢失证明了它是TG 16:0×18:1×18:2。在定量方面来说最理想的情况是每个化合物使用一个稳定同位素标记的内标物,但是每种脂质对应一种内标物出于实际和经济原因通常是不可行的,因此在其保留时间范围内分布的每类脂质选择几种内标是一个较好的折衷方案,可以更好帮助获得脂质分子的定量数据。

 

 

 

 

产品介绍

中科新生命可以提供优质的脂质组学服务,利用基于LC-MS/MS(高分辨质谱)的方法对复杂生物样本中的脂质分子进行大规模检测,最多同时定性定量2000+脂质分子,通过同位素内标法获得脂质分子的绝对含量。