Metabolism of Lipids and Lipoproteins

Chylomicrons
Chylomicrons (particles which contains a lot of triacylglycerols) are made in the cells of the small bowel mucosa by absorption of lipids in food. The presence of apolipoprotein B48 (=ApoB48) is required so that the chylomicrons are secreted from the Golgi apparatus of enterocytes. This apolipoprotein contains only 48 % of the peptide chain of the liver apolipoprotein, which is called as ApoB100 (it means 100% of the peptide chain). Chylomicrons are not normally present in blood plasma after 12-14 hours of fasting. They are immediately hydrolysed at the entry to the blood circulatory system by endothelial lipoprotein lipase (LPL) giving rise to chylomicron remnants. During lipolytic activity of these enzymes, the fatty acids are released; some parts of chylomicrons (apoA-I, apoA-II, apoC and phospholipids) are transmitted to the HDL particles and other components (apoE a cholesterol esters) are transmitted from HDL to chylomicrons. Chylomicron remnants containing apoB48 and apoE bound by their receptors in the liver. The formation of these receptors in the liver cells is regulated by the amount of cholesterol and lipids in the diet. Their activity decreases with age. ApoE facilitates the uptake of the chylomicron remnants, whereas apo C-III inhibits this process. The physiological role of chylomicrons consists in the delivery of fatty ccids from food to the adipocytes and muscle cells.

VLDL
VLDL synthesis is occurring in the liver and it is more intensive in obese population. It is partly regulated by diet and hormones and it is slowed down by the uptake of chylomicron remnants in the liver.

Lipoprotein lipase (=LPL) which is located on the membrane of capillary endothelial cells in the presence of apoC-II as a cofactor hydrolyses triacylglycerols which are carried by the VLDL particles, so they can be used in the cells as a energy source or stored in the form of reserve triacylglycerols. During this process some parts of VLDL (apoE, apoC) are transferred to HDL, whereas apoB10 remains on the VLDL-remnants (or intermediate-density lipoprotein= IDL). The finished product of the VLDL catabolism is LDL. In pathological situations (like in some patients with severe hypertriglyceridemia) VLDL particles are cleaved from blood plasma without the transformation into LDL particles. The liver produces huge variety of VLDL particles: in low-fat diet it makes particles Sf 60-400, which are bigger and do not have atherogenic properties; in high-fat diet, the liver predominantly makes small dense VLDL Sf 12-60, which are highly atherogenic and they give rise to small dense LDL-B. The receptor for "lipoprotein remnants" (VLDL remnants and chylomicron remnants) is so called LDL receptor related protein. The specific ligand is Apo E Lipoprotein lipase (=LPL) which has a catalytic function in fatty acid cleavege from the triacylglycerols in chylomicrons and VLDL particles and its is found on the surface of the capillary endothelium mainly in the fat tissue and muscles where is essential for the synthesis of triacylglycerols for storage and for mobilisation of fatty acids as a energy source. The activator is Apo CII. Insuline does not influence the activity of LPL directly but it is needed for its maintenance. On the other hand, the hormone-sensitive lipase (=HSL) that hydrolyses intracellular triacylglycerols (free fatty acids enter the systemic circulation, bound to albumin and goes to the liver), is directly influenced by insuline; insuline inhibits its action. Contrarily, glucagon its action stimulates. So after a meal the insuline facilitates the storage of fatty acids in adipocytes whereas during fasting, the fatty acids are released to the circulation and used in the liver and muscles.

LDL
LDL particles are the main vehicles of cholesterol in the blood plasma. Their biggest part is made from the VLDL transformation, but some of them are synthetized directly (especially in patients with familiar hypercholesterolemia). The major protein component of the LDL is apoB100. LDL particles can be catabolized by numerous kind of cells, by the LDL-receptor dependent mechanism or by the LDL-receptor non-dependent mechanism („scavenger“ mechanism).

After the binding to the membrane receptor (its duration is about 5-7 minutes) the LDL particle is internalised and broken down by the cell. The newly-created free cholesterol inhibits the activity of the 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-reduktase which is crucial enzyme for the de novo synthesis of cholesterol in the cell. This is how the cholesterol synthesis is controlled based on the cell demand. The LDL which are not uptaken particles by the receptors of the peripheral tissues (approximately one third) are catabolised by the scavenger cells. However, this mechanism is not regulated by the cell demand. Some part of LDL particles are also metabolised in the liver. The free cholesterol is either catabolised into bile acids or excreted to the bile or re-used for the synthesis of lipoproteins.

Oxides LDL particles are "pathological", highly atherogenic. They are made by the oxidation of the conjugated double bonds in the fatty acids by activity of reactive oxygen species. The oxidation of the LDL particles positively correlates with the amount of polyunsaturated fatty acids (PUFA) and

a naopak negativně s obsahem mononenasycených kyselin v lipoproteinových částicích, a dále s obsahem ubichinolu (=koenzym Q10) a neesterifikovaným cholesterolem. Ubichinol inhibuje časné stadium oxidace LDL a je významný jako první antioxidans, které vychytává volné radikály. Dalšími látkami bránícími oxidaci LDL jsou flavan-3-oly, β-karoten (poslední ochrana). Neesterifikovaný cholesterol snižuje fluiditu povrchu částic a brzdí tak difúzi volných radikálů do nitra částice. Naopak urychlení oxidace působí Cu, Fe, Ni, Cd, dále nedostek Mg, ale i světlo.

Malé denzní LDL-B jsou snázeji oxidovatelné než větší LDL-A, které mají vyšší obsah antioxidantů. Oxidace LDL částic se pravděpodobně neděje v krevní plasmě, která obsahuje hodně antioxidantů i látky vázající kovové ionty potřebné k Fentonově reakci, ale ve stěně arterií, kde může dojít snadněji k oxidačnímu stresu. Oxidované LDL jsou vysoce aterogenní, protože nejsou vychytávány LDL-receptory, ale receptory „zametacích buněk“ a napomáhají tak ke vzniku pěnových buněk ateromových plátů. Časté stavy trvající hyperglykemie vedoucí ke zvýšené tvorbě glykovaných proteinů (tedy i lipoproteinů) stimuluje oxidaci LDL. Vytvářejí se i pokročilé konečné produkty glykace (=AGE = Advanced Glycosylation End products), které tvoří křížové vazby (cross links) s LDL částicemi, které jsou pak snázeji oxidovatelné.

HDL
Částice HDL jsou syntetizovány v hepatocytech a enterocytech. Od svého vzniku procházejí několika stupni vývoje; Do krve se dostávají ve formě prekurzoru zvaného nascentní HDL. Tyto mají diskoidní tvar a sestávají pouze s dvojvrstvy fosfolipidů a Apo A I, Apo A II, Apo C a Apo E. Nascentní HDL jsou akceptory. neesterifikovaného cholesterolu, který pochází z buněčných membrán různých tkání nebo z povrchových struktur jiných krevních lipoproteinů. Na povrchu HDL částice je cholesterol esterifikován za katalýzy enzymu lecithin: cholesterol-acyltransferasy (LCAT). Aktivátorem je Apo A I, Apo C I a snad i Apo A-IV. Akumulací esterů cholesterolu se diskoidní částice přeměňuje na sférickou - HDL3. Další akumulací esterů cholesterolu se HDL3 mění na HDL2. V séru zdravých osob je poměr HDL3/ HDL2 2: 1 až 3: 1. Částice HDL procházejí při interakci s lipoproteiny bohatými na triacylglyceroly cyklickou přeměnou: HDL3 je akumulací cholesterolesterů transformována na HDL2a; ta se výměnou cholesterolesterů za triacylglyceroly mění na HDL2b. Této výměny se účastní především částice VLDL a chylomikrony, které postupně přecházejí na částice remnantní (IDL a nebo chylomikronové zbytky). Výměna je zprostředkována specifickým proteinem: CETP (=Cholesterol-Ester-Transfer-Protein). Částice HDL2b obohacené o triacylglyceroly jsou opět transformovány na HDL3 lipolýzou triacylglycerolů a fosfolipidů účinkem jaterní triacylglycerolové lipasy (=HTGL). Jako aktivátor přitom působí Apo A II.

Cholesterolestery ve VLDL a chylomikronových zbytcích se dostávají do jater dvojí cestou:


 * 1) vychytáváním remnantních částic receptorem pro Apo B/E na hepatocytech
 * 2) nepřímo cestou IDL, které podléhají v játrech další hydrolýze účinkem jaterní triacylglycerolové lipasy a mění se na LDL. Tyto jsou ze 2/3 vychytávány v játrech cestou LDL-receptorů; pouze 1/3 končí v periferních buňkách, kde jsou zachytávány LDL-receptory.

Kromě toho se předpokládá, že celé částice HDL mohou být vychytávány hepatocyty a degradovány, takže i touto cestou končí cholesterol z periferních tkání v játrech. Částice HDL tak hrají klíčovou úlohu v tzv. reverzním transportu cholesterolu, který umožňuje odstraňování přebytečného cholesterolu z periferních tkání a z lipoproteinů jiných tříd zpět do jater, které jsou jediným orgánem, který dovede cholesterol odbourávat (na žlučové kyseliny) a vylučovat cestou žluče z organismu. Zabrání se tak akumulaci cholesterolu v makrofázích ve stěně arterií. a zpomaluje se tak vývoj aterosklerózy.

Metabolické vztahy mezi HDL a triacylglyceroly
Částice bohaté na triacylglyceroly (VLDL, ev. IDL, chylomikrony, chylomikronové zbytky, LDL-B) a lipoproteiny o vysoké hustotě (HDL) si vzájemně vyměňují své komponenty: Z HDL je transportován apolipoprotein E a C a estery cholesterolu; naopak část triacylglycerolů z VLDL (ev. dalších lipoproteinů bohatých na triacylglyceroly) je přenášena na HDL. Na tuto interakci má vliv LCAT a CETP; aktivita CETP je ovlivňována též koncentrací mastných kyselin uvolňovaných při lipolýze VLDL zejména za stavů vedoucích k hypertriacylglycerolemii. Zvýšená aktivita CETP vede ke snížení HDL-cholesterol. Tato zvýšená aktivita CETP byla prokázána např. u kuřáků nebo obézních pacientek, kde je pokles HDL-C typickým nálezem. Při zanechání kouření nebo při redukci nadváhy se aktivita CETP normalizuje. Nesporně rozhodujícím faktorem v regulaci esterifikace a remodelaci (přeměna HDL2a → HDL2b) HDL částic a tím i v regulaci hladin HDL-C je koncentrace triacylglycerolů v plasmě. Prvotní příčinou poklesu HDL-C u hypertriacylglycerolemie je pravděpodobně nejvíce hladina volných mastných kyselin (=VMK). Typickým příkladem je metabolický syndrom X (Reaven): Insulinorezistence vede nejen k poruše vstupu glukosy do buněk ale též k poruše vstupu VMK do tukové tkáně. Zvýšená plasmatická koncentrace VMK pak k jejich zvýšenému vychytávání v játrech, kde jsou z nich tvořeny nové triacylglyceroly, které jsou pak inkorporovány do VLDL a vylučovány do cirkulace. V důsledku insulinorezistence (a tedy hyperinzulinemie) je inhibována aktivita LPL, což je další příčinou přetrvávající hypertriacylglycerolemie. Nejde však pouze o kvantitativní změnu v množství syntetizovaných VLDL, ale i o změnu kvality VLDL; místo „normálních“ VLDL o Sf 60 - 400, se tvoří atypické VLDL velmi bohaté na triacylglyceroly, které jsou navíc rezistentní k účinku LPL. Atypické VLDL jsou konvertovány na velmi aterogenní denzní částice (=„small dense LDL“) za současného poklesu HDL-C. Vysoká koncentrace atypických VLDL velmi bohatých na triacylglyceroly vede ke zvýšené výměně triacylglycerolů za estery cholesterolu s HDL-částicemi účinkem CETP; to způsobuje postupnou depleci cholesterolu v částicích HDL.

Určitá část lipoproteinových částic (zvláště když jsou v plazmě zvýšeny nebo je-li jejich složení abnormální, kupř. následkem lipoperoxidace), jsou vychytávány tzv. „zametacími“ buňkami („scavenger cells“ tj. makrofágy a histiocyty RES) prostřednictvím zvláštních receptorů za vzniku pěnových buněk. Tento proces není regulován podle obsahu cholesterolu v buňkách a může být spojen se vznikem xantomu, s lymfadenopatií nebo s hepatosplenomegalií.