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干货分享丨脂质组学入门篇

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脂质定义

脂质是具有疏水性,通常能溶于有机溶剂的物质,部分脂质如磷脂带有极性基团而亲水。细胞脂质组由各种酶、结合蛋白和受体协同作用生成、转运和识别,细胞脂质种类众多,数量估计可达上万至数百万种,含量在amol/mg到nmol/mg蛋白质水平。

脂质分类

脂质分类多样,根据水解产物复杂程度分为简单脂质和复杂脂质。脂质根据疏水性分为极性脂质和非极性脂质,依据功能分为膜脂质、能量脂质和生物活性脂质。

国际脂质交流平台LIPID MAPS建立于2005年,其提供了全面脂质分类框架,将脂质分为脂肪酰、甘油脂、甘油磷脂、鞘脂、固醇脂、异戊烯醇脂、糖脂和聚酮化合物等八大类。脂质内部结构单元的组合和功能细分脂质种类,几何位置标记区分亚类,特定官能团定位。

脂肪酰(FA)通过乙酰辅酶A和可能的环状结构或杂原子乙酰基辅酶A或丙二酰辅酶A合成,包含游离脂肪酸和类花生酸。

甘油脂(GL)和甘油磷脂(GP)核心区别在于与甘油上羟基酯化物的不同,GL的甘油上羟基可形成甘油单酯(MAG)、甘油二酯(DAG)和甘油三酯(TAG)。

甘油脂本质上包含所有含甘油脂质,而甘油磷脂高丰度、是膜结构组成成分、参与能量代谢和信号传导,故单独分类。甘油磷脂根据极性头基不同取代形式分类,如PC、PE、PG、PI等,甘油sn-1位羟基形成磷脂酰基等亚类。

鞘脂(SP)由丝氨酸和脂肪酰辅酶A从头合成,核心结构为长链鞘氨醇碱基,骨架结构鞘氨醇有三个取代位置,C1位氧连接极性基团,C2位氨基与脂结合,C3位碱基连接烷基链。

固醇脂(ST)核心为四个稠环,包括胆固醇、类固醇和胆汁酸。根据核心结构碳原子数分类,如C18固醇(雌激素类)、C19固醇(雄性激素)、C21固醇(孕激素)等。

异戊烯醇脂(PR)通过甲羟戊酸等路径合成,包含类异戊二烯、醌类化合物。

糖脂(SL)脂肪酰基直接与糖骨架相连,糖取代甘油脂和甘油磷脂中的甘油骨架。最常见糖脂是革兰氏阴性菌脂质A的乙酰化葡萄糖胺前体,最小脂多糖用于E. coli生长的已糖酰化脂质A。

聚酮化合物(PK)合成需要酶和酰基载体蛋白参与,产生具有脂质特性的天然产物。骨架结构可进一步糖基化、羟基化、甲基化等修饰。

每个脂质分子在LIPID MAPS中有12位唯一编码,包括数据库来源、类、亚类、系统名称、分子式等信息。

脂质功能

脂质反映细胞代谢状态,是生物膜组成成分,具有能量存储、信号传导、促炎症或抗氧化等生物学功能。极性脂质是真核细胞膜的主要脂质结构,脂质作为能量存储与释放过程的关键物质。脂质作为生物体内信号传导的第二信使或前体物质,参与脂质代谢变化与肥胖、糖尿病、脑卒中等疾病研究。脂质作为抗氧化剂,抵抗PUFA氧化或脂氧合酶氧化引起的细胞铁死亡。脂质组成与生理或病理过程密切相关。

脂质鉴定

使用GC、HPLC、TLC、MS、NMR等工具进行脂质结构鉴定、发现和定量。软电离源(ESI和MALDI)的发展实现完整脂质分子的定性定量,色谱和质谱串联技术进一步发展,加速低丰度脂质的定性定量和复杂脂质的深度鉴定。