第三节脂蛋白的结构
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《动脉粥样硬化与生物化学检验》
对脂蛋白颗粒结构的研究有助于认识脂蛋白内载脂蛋白、脂类和糖类各成分之间的动力学交换，也是了解脂蛋白功能的关键。许多新的物理，化学、生物技术应用于研究血浆脂蛋白的结构：电镜和小角度X射线用于分析完整脂蛋白的形态；核磁共振、差示扫描量热学、圆二色性分析（CD）、旋光色散（ORD）、荧光光谱及超速离心方法可提供脂蛋白及亚结构的资料；酶学修饰和化学修饰也可提供不少线索。尽管目前对多成分的脂蛋白的错综复杂的精确结构尚未彻底了解，但有资料表明；血浆中各种脂蛋白具有大致相似的基本结构，如图2-3所示。疏水性较强的甘油三酯及胆固醇酯均位于脂蛋白的内核，而具有极性及非极性基团的载脂蛋白、磷脂及游离胆固醇则以单分子层借其非极性的疏水基团与内部的疏水链相联系，覆盖于脂蛋白表面，其极性基团朝外，呈球状或准球形。CM及VLDL主要以甘油三酯为内核，LDL及HDL则主要以胆固醇酯为内核。大多数载脂蛋白的具双性α-螺旋（α-helix）结构。不带电荷的疏水性氨基酸残基组成螺旋的非极性面，带电荷的亲水性氨基酸残基组成螺旋的极性面，这种双性α螺旋结构有利于载脂蛋白与脂质的结合并稳定脂蛋白的结构。
一、VLDL和乳糜微粒的结构 VLDL和乳糜微粒都是运输甘油三酯的脂蛋白，前者运输内源性甘油三酯，后者运送小肠吸收的外源性甘油三酯，故在一起讨论。对它们的结构研究较少，一般以密度来区分两者。VLDL：密度为0.95～1.006g/ml，CM密度＜0.95g/ml，外周组织内的脂蛋白脂肪酶快速地不断作用于VLDL和CM，使它们转变成为缺少甘油三酯而富含胆固醇酯的“残留”脂蛋白，载脂蛋白CⅡ为指蛋白脂肪酶的激活剂。
电镜观察VLDL为球形颗粒，直径25.0～70.0nm,在外周有一层灰色晕圈，为单分子层的极性分子。分子量5～10×106。用X射线分析、差示扫描量热学和偏光显微镜证明VLDL未显示胆固醇酯有可逆性相转变，说明在VLDL核心的甘油三酯含量高，VLDL含有约53%甘油三酯，18%磷酯，7%胆固醇和12%胆固醇酯；蛋白质含量为10%，其中ApoCⅡ和CI各占10%，ApoCⅡ和CⅠ各占10%,ApoCⅢ30%,ApoB40%,ApoE5%～10%,还有痕量ApoAⅠ和ApoAⅡ。 VLDL的结构可以用“脂质核心”模型来描绘，这是根据组成、酶促反应和物理学特性的研究资料提出的模型，球形颗粒外壳约2nm，含有ApoB、ApoC等载脂蛋白和极性脂质、磷脂和胆固醇（见图2-3）。
图2-3 VLDL结构模式图
乳糜微粒是在脂肪吸收期间肠粘膜细胞产生的一种富含甘油三酯的脂蛋白，通常是靠它的漂浮特征（Sf＞400；VLDL Sf=20～400）与VLDL分离开来，乳糜微粒含有一个非极性脂质核心结构，被极性脂质和蛋白质组成的单层包围着。电子显微镜下未见到亚基结构，表层电子密度较大，乳糜微粒颗粒大小不等，其大小取决于颗粒内装载的脂肪量、饮食中脂肪的不饱和程度和肠内合成蛋白质的能力。肠吸收高脂食物的高峰期间，淋巴乳糜微粒颗粒大，吸收不饱和脂肪期间乳糜微粒颗粒大，蛋白质合成被抑制时乳糜微粒颗粒较大。核心部分由无极性甘油三酯和胆固醇酯组成，甘油三酯占CM80%以上；蛋白质覆盖颗粒表面，约占表面积的20%～30%，其余表面为极性的磷脂和游离胆固醇所占据。 CM颗粒较大，有强烈的光散射作用，故当其大量进入血液后，使血浆变混浊，此称乳糜血，把这种血浆放在4℃环境下静置过夜，CM飘浮到血浆表面，聚集而成一层奶油“样物质。
二、LDL的结构 LDL的主要载脂蛋白ApoB在水溶液中容易聚集和不易溶解，给研究其结构带来不少困难，它既不溶于4.2mg/L的四甲基尿素（tetramethyl urea），也不溶于水溶液。当用有机溶剂脱脂后，在SDS中ApoB不溶于水的性质决定我们很难进行重新装配实验。因此对LDL结构的分析局限于完整的LDL颗粒。虽然LDL有两种亚族即LDL（d=1.006～1.019g/ml）和LDL2（d=1.019～1.063g/ml），但对其结构的讨论限于LDL2（通常称为LDL）。超速离心分析结果表明LDL2的分子量为2.75×106单位，但饮食因素使LDL2的浮力密度、沉降系数和分子量有较大变动。
电镜和小角度X射线散射揭示LDL为21～25nm大小的球形颗粒，蛋白质和磷脂以及未酯化胆固醇在极性界面，非极性脂质构成中央核心，载脂蛋白部分较深地埋在脂质内，和胆固醇相互作用。载脂蛋白含有β折叠、无规则结构和α螺旋结构。LDL主要载脂蛋白为ApoB100，ApoB100的整个肽链含有许多疏水区，是它们与脂质结合所在。ApoB100序列中能形成双性螺旋结构的都集中在ApoB100分子的羧基端，ApoB100还含有多个脯氨酸丰富序列，易形成β-片层和β-转角结构，该结构与脂质具有高度的结合潜力。因此在ApoB100整个分子中有许多能与脂质的结合区域，这一结果可很好解释为什么ApoB从不在脂蛋白分子间转换，与其他载脂蛋白不同，其他载脂蛋白仅有1～2个脂质结合区，并很易在脂蛋白之间交换，如图2-4所示。 LDL内含ApoB20%～25%，磷脂约22%，胆固醇酯35%，胆固醇8%，甘油三酯8%，此外还含有痕量ApoA和ApoC。主要的磷脂为磷脂酰胆碱，占磷脂总量的65%，鞘磷脂占25%，其他磷脂10%。ApoB含有3%～4%的糖类，包括半乳糖、甘露糖、岩藻糖、葡萄糖、葡萄胺和唾液酸，糖类分布在LDL颗粒表面。非极性核心直径14～15nm，富含胆固醇酯，关显示液晶溶化行为，差示扫描量热学和X射线散射研究都表明LDL在15～45℃温度范围内有相的转变，甘油三酯的含量影响其相转变温度，LDL颗粒大小及磷脂、蛋白质的相互作用也影响颗粒内的胆固醇酯。在10℃时，胆固醇酯为具有3.6nmX射线散射条纹的两层同轴的有规则排列，超过45℃（超过相转变温度）胆固醇酯呈无规则排列。这些结构特点使LDL在血循环中输运胆固醇，影响胆固醇代谢。
图2-4 LDL的结构
三、HDL的结构
在各种血浆脂蛋白中，HDL的结构研究受到极大的重视。HDL是一组不均一的脂蛋白家族，用差速区带超速离心方法和分析与制备凝胶等聚焦方法，可以把HDL分成若干亚族，具有不同的密度、颗粒大小、分子量及不同比例的脂质和载脂蛋白组成。HDL的三维形态和结构组织的资料是来自电镜观察和小角度X射线散射研究。小角度X射线散射研究报道提供各HDL亚族的特征性形态学参数，其中包括 Alaupovic分类法从人HDL3和HDL2又分离出的LpA和LpC组分与按密度分类法分离的人HDL2和HDL3比较，见表2-7。
表2-7 HDL亚组分的结构参数 HDL Mr×105 V(cm3/g) r0(nm) dpol(nm) Lp-A3
2.1
0.859(4℃)
4.8
7.5 Lp-A2
3.6
0.903(4℃)
5.7
7.5 Lp-C
4.6
0.905(4℃)
7.0
1.6 HDL2
3.6
未测
5.4
1.1 HDL3
1.75
未测
6.4*
2.4*
注：V：为微分比容 rO：球状平均电子密度分布的外半径； d pol：高电子密度外层的厚度；
*：为球状结构外半径的平均值。
现有的资料提示，HDL是对称的各向同性的准球形颗粒，具有一个低电子密度的核心和电子密集的外壳（厚约1.2～1.7nm）。这些结果表明球状颗粒HDL中央核心由低电子密度的非极性脂质所占据，而高电子密度组分、磷脂极性头和蛋白质组成颗粒外壳。 NMR谱、蛇毒磷脂酶A2反应动力学和化学修饰的研究结果都给HDL的研究提供了更多的资料。HDL颗粒的外表面成分的定位取向取决于载脂蛋白的二级结构，圆二色性分析结果提示，HDL的蛋白质部分有2/3是α螺旋结构，其余为无规则结构。对ApoAⅡ、ApoCⅠ和ApoCⅢ的α-螺旋区一级结构的分析揭示，带电荷的氨基酸残基构成α螺旋的极性面，而疏水侧链则占据另一面，在这些螺旋区域形成两性结构（amphipathic structure）。亲水和亲脂的α螺旋构象成为脂质和载脂蛋白之间相互作用的基础。 Jackson 等提出HDL的结构模型具有亲水和亲脂的螺旋结构，见图2-5。
图2-5 HDL结构模式图
脂蛋白的α螺旋区平行于脂蛋白颗粒表面，非极性氨基酸残基也伸展到颗粒的非极性核心区域，磷脂的脂肪酰链则垂直于脂蛋白颗粒表面的螺旋形载脂蛋白。α螺旋的疏水面与磷脂的脂肪酸的C2-C4碳相互作用，胆固醇酯埋在HDL颗粒的亲脂核心内（含有磷脂脂肪酸链和载脂蛋白的非螺旋亲脂部分），而游离的胆固醇可能与颗粒表面的磷脂（极性头）和载脂蛋白结合。
四、Lp（a）的结构 Lp（a）是脂蛋白的一大类，上浮密度1.05～1.10g/ml，球形颗粒，直径23.5～26.0nm,分子量为4.6～5.6×106。脂质成分与LDL极为相似，其脂质组成见表2-8。Lp（a）在琼脂糖电泳中位于前β位置。Lp（a）的性质很不稳定，很容易凝聚或被蛋白酶降解。
表2-8 Lp（α）、还原Lp（α）与LDL的脂质组成比较
组 份
占总脂和蛋白质的（%）
非酯化胆固醇
胆固醇酯
磷脂
甘油三酯
蛋白质 Lp（α）a
7.9±1.8
37.1±1.6
19.0±0.2
5.0±1.2
30.9±0.8
还原Lp（α）ucb
8.3±1.4
41.7±1.3
19.6±1.9
5.7±1.4
24.5±1.1
还原Lp（α）hsc
9.5±1.1
42.8±1.4
21.2±0.7
4.6±1.1
21.8±0.9 LDL
8.5±1.2
40.7±1.5
21.3±1.3
7.1±1.3
22.4±0.9 a:X±S b:Lp(α）经DTT还原，除去Apo（α）得到超离心（d=1.063）的脂蛋白。 c：经DTT分离及肝素-葡聚糖柱层析除去Apo（α）的脂蛋白。
（源自：Armstrong Vw et al,1985.） Lp（a）结构的蛋白质和磷脂在极性界面，而非极性脂质构成核心。但Lp（a）有两类载脂蛋白：ApoB100和Apo（a）并以ApoB100- Apo（a）复合体形式存在，前者与LDL的ApoB100相同，后者是Lp（a）的独特载脂蛋白，分子量约300～800kD，Lp（a）中的Apo（a）位于表面，仅与 ApoB100以一个二硫键相连接，并且与ApoB不同，Apo（a）与核心的脂质成分几乎无交联，故Apo（a）的结构暴露充分，含有丰富的多拷贝Kringle-4区域，Kringle均由80个氨基酸残基组成，它们富含半胱氨酸，并含有3个内部二硫键，形成一种形状类似丹麦面糕的结构，称之为“Kringle
”。Apo（a）含有一个疏水信号序列，其后为37个Kringle–4拷贝，相继为1个Kringle–5及1个胰蛋白酶样区，第36个Kringle–4含有一个额外未配对的半胱氨酸，推测此处可能是Apo（a）以二硫键与ApoB100分子相连处（图2-6）。真正的连接位置及机制还不清楚。
图2-6 脂蛋白（α）的结构模型
4：Kringle 4
结构域
5：Kringle 5 结构域
（源自：scauu AM et al,1990）
(周新 崔天盆)
参 考 文 献
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