Lipids and Membranes in Pathological Biochemistry

Slide1Lipids and  Membranes Lipids  and  Membranes Moshtaghi-Kashanian Moshtaghi-Kashanian Pathological  Biochemist Pathological  Biochemist Kerman  University  of  Medical  Sciences Kerman  University  of  Medical  Sciences

Slide2LipidsLipids • Lipids:   a  heterogeneous  class  of  naturally  occurring organic  compounds  classified  together  on  the  basis  of common  solubility  properties • Lipids:   a  heterogeneous  class  of  naturally  occurring organic  compounds  classified  together  on  the  basis  of common  solubility  properties     • They  are  insoluble  in  water,  but  soluble  in  aprotic organic  solvents,  including  diethyl  ether,  chloroform, methylene  chloride,  and  acetone • They  are  insoluble  in  water,  but  soluble  in  aprotic organic  solvents,  including  diethyl  ether,  chloroform, methylene  chloride,  and  acetone • Lipids  include • Lipids  include • triacylglycerols,  phosphodiacylglycerols,  sphingolipids, glycolipids,  lipid-soluble  vitamins,  and  prostaglandins • triacylglycerols,  phosphodiacylglycerols,  sphingolipids, glycolipids,  lipid-soluble  vitamins,  and  prostaglandins • cholesterol,  steroid  hormones,  and  bile  acids • cholesterol,  steroid  hormones,  and  bile  acids

Slide3Fatty Acids Fatty  Acids • Fatty  acid:  a  long,  un-branched  chain  carboxylic  acid, most  commonly  of  12  -  20  carbons,  derived  from hydrolysis  of  animal  fats,  vegetable  oils,  or phosphodiacylglycerols  of  biological  membranes • Fatty  acid:  a  long,  un-branched  chain  carboxylic  acid, most  commonly  of  12  -  20  carbons,  derived  from hydrolysis  of  animal  fats,  vegetable  oils,  or phosphodiacylglycerols  of  biological  membranes • In  the  shorthand  notation  for  fatty  acids • In  the  shorthand  notation  for  fatty  acids • the  number  of  carbons  and  the  number  of  double  bonds  in  the chain  are  shown  by  two  numbers,  separated  by  a  colon • the  number  of  carbons  and  the  number  of  double  bonds  in  the chain  are  shown  by  two  numbers,  separated  by  a  colon

Slide4Fatty Acids Fatty  Acids

Slide5Fatty Acids Fatty  Acids Among  the  fatty  acids  most  abundant  in  plants and  animals Among  the  fatty  acids  most  abundant  in  plants and  animals • Nearly  all  have  an  even  number  of  carbon  atoms,  most between  12  and  20,  in  an  un-branched  chain • Nearly  all  have  an  even  number  of  carbon  atoms,  most between  12  and  20,  in  an  un-branched  chain • The  three  most  abundant  are  palmitic  (16:0),  stearic  acid (18:0),  and  oleic  acid  (18:1) • The  three  most  abundant  are  palmitic  (16:0),  stearic  acid (18:0),  and  oleic  acid  (18:1) • In  most  unsaturated  fatty  acids,  the  cis  isomer  predominates; the  trans  isomer  is  rare • In  most  unsaturated  fatty  acids,  the  cis  isomer  predominates; the  trans  isomer  is  rare • unsaturated  fatty  acids  have  lower  melting  points  than  their saturated  counterparts;  the  greater  the  degree  of  unsaturation, the  lower  the  melting  point • unsaturated  fatty  acids  have  lower  melting  points  than  their saturated  counterparts;  the  greater  the  degree  of  unsaturation, the  lower  the  melting  point

Slide6TriacylglycerolsTriacylglycerols • Triacylglycerol  (triglyceride):  an  ester  of glycerol  with  three  fatty  acids • Triacylglycerol  (triglyceride):  an  ester  of glycerol  with  three  fatty  acids • natural  soaps  are  prepared  by  boiling triglycerides  (animal  fats  or  vegetable  oils) with  NaOH,  in  a  reaction  called saponification  (Latin,  sapo ,  soap • natural  soaps  are  prepared  by  boiling triglycerides  (animal  fats  or  vegetable  oils) with  NaOH,  in  a  reaction  called saponification  (Latin,  sapo ,  soap

Slide8SoapsSoaps • Soaps  form  water-insoluble  salts  when used  in  water  containing  Ca(II),  Mg(II), and  Fe(III)  ions  (hard  water) • Soaps  form  water-insoluble  salts  when used  in  water  containing  Ca(II),  Mg(II), and  Fe(III)  ions  (hard  water)

Slide9PhosphoacylglycerolsPhosphoacylglycerols • Phosphoacylglycerols  (phosphoglycerides)  are  the  second  most abundant  group  of  naturally  occurring  lipids • Phosphoacylglycerols  (phosphoglycerides)  are  the  second  most abundant  group  of  naturally  occurring  lipids • found  almost  exclusively  in  plant  and  animal  membranes, which  typically  consist  of  40%  -50%  phosphoacylglycerols  and 50%  -  60%  proteins • found  almost  exclusively  in  plant  and  animal  membranes, which  typically  consist  of  40%  -50%  phosphoacylglycerols  and 50%  -  60%  proteins • the  most  abundant  phosphoacylglycerols  are  derived  from phosphatidic  acid,  a  molecule  in  which  glycerol  is  esterified with  two  molecules  of  fatty  acid  and  one  of  phosphoric  acid • the  most  abundant  phosphoacylglycerols  are  derived  from phosphatidic  acid,  a  molecule  in  which  glycerol  is  esterified with  two  molecules  of  fatty  acid  and  one  of  phosphoric  acid • the  three  most  abundant  fatty  acids  in  phosphatidic  acids  are palmitic  acid  (16:0),  stearic  acid  (18:0),  and  oleic  acid  (18:1) • the  three  most  abundant  fatty  acids  in  phosphatidic  acids  are palmitic  acid  (16:0),  stearic  acid  (18:0),  and  oleic  acid  (18:1)

Slide10PhosphoacylglycerolsPhosphoacylglycerols • A  phosphatidic  acid • A  phosphatidic  acid • further  esterification  with  a  low-molecular  weight alcohol  gives  a  phosphoacylglycerol • further  esterification  with  a  low-molecular  weight alcohol  gives  a  phosphoacylglycerol • among  the  most  common  of  these  low-molecular • among  the  most  common  of  these  low-molecular

Slide11PhosphoacylglycerolsPhosphoacylglycerols

Slide12PhosphoacylglycerolsPhosphoacylglycerols

Slide13•A  lecithin • A  lecithin Phosphoacylglycerols Phosphoacylglycerols

Slide14WaxeWaxe • Esters  of  long-chain  fatty  acids  and  alcohols • Esters  of  long-chain  fatty  acids  and  alcohols • from  the  Old  English  word  weax  =  honeycom • from  the  Old  English  word  weax  =  honeycom

Slide15SphingolipidsSphingolipids

Slide16GlycolipidsGlycolipids • Glycolipid:  a  compound  in  which  a carbohydrate  is  bound  to  an  -OH  of  the lipid many  glycolipids  are  derived  from ceramides • Glycolipid:  a  compound  in  which  a carbohydrate  is  bound  to  an  -OH  of  the lipid many  glycolipids  are  derived  from ceramides

Slide17SteroidsSteroids • Steroids:   a  group  of  plant  and  animal  lipids that  have  this  tetracyclic  ring  structure • Steroids:   a  group  of  plant  and  animal  lipids that  have  this  tetracyclic  ring  structure • The  features  common  to  the  ring  system  of most  naturally  occurring  steroids  are illustrated  on  the  next  screen • The  features  common  to  the  ring  system  of most  naturally  occurring  steroids  are illustrated  on  the  next  screen

Slide18SteroidsSteroids

Slide19CholesterolCholesterol

Slide20AndrogensAndrogens • Androgens  -   male  sex  hormones • Androgens  -   male  sex  hormones • synthesized  in  the  testes • synthesized  in  the  testes • responsible  for  the  development  of  male secondary  sex  characteristics • responsible  for  the  development  of  male secondary  sex  characteristics

Slide21AndrogensAndrogens

Slide22EstrogensEstrogens • Estrogens  -  female  sex  hormones • Estrogens  -  female  sex  hormones • synthesized  in  the  ovaries • synthesized  in  the  ovaries • responsible  for  the  development  of  female secondary  sex  characteristics  and  control  of the  menstrual  cycle • responsible  for  the  development  of  female secondary  sex  characteristics  and  control  of the  menstrual  cycle

Slide23EstrogensEstrogens

Slide24Biological Membranes Biological  Membranes • In  aqueous  solution,  phosphoglycerides spontaneously  form  into  a  lipid  bilayer,  with  a  back- to-back  arrangement  of  lipid  monolayers • In  aqueous  solution,  phosphoglycerides spontaneously  form  into  a  lipid  bilayer,  with  a  back- to-back  arrangement  of  lipid  monolayers • polar  head  are  in  contact  with  the  aqueous environment • polar  head  are  in  contact  with  the  aqueous environment • nonpolar  tails  are  buried  within  the  bilayer • nonpolar  tails  are  buried  within  the  bilayer • the  major  force  driving  the  formation  of  lipid bilayers  is  hydrophobic  interaction • the  major  force  driving  the  formation  of  lipid bilayers  is  hydrophobic  interaction • the  arrangement  of  hydrocarbon  tails  in  the  interior can  be  rigid  (if  rich  in  saturated  fatty  acids)  or  fluid (if  rich  in  unsaturated  fatty  acids) • the  arrangement  of  hydrocarbon  tails  in  the  interior can  be  rigid  (if  rich  in  saturated  fatty  acids)  or  fluid (if  rich  in  unsaturated  fatty  acids)

Slide25Biological Membranes Biological  Membranes • the  presence  of  cholesterol  increases  rigidity • the  presence  of  cholesterol  increases  rigidity • with  heat,  membranes  become  more  disordered;  the transition  temperature  is  higher  for  more  rigid membranes;  it  is  lower  for  less  rigid  membranes • with  heat,  membranes  become  more  disordered;  the transition  temperature  is  higher  for  more  rigid membranes;  it  is  lower  for  less  rigid  membranes

Slide26Membrane Proteins Membrane  Proteins • Functions:  transport  substances  across  membranes, receptor  sites,  and  sites  of  enzyme  catalysis • Functions:  transport  substances  across  membranes, receptor  sites,  and  sites  of  enzyme  catalysis • Peripheral  proteins • Peripheral  proteins • bound  by  electrostatic  interactions • bound  by  electrostatic  interactions • can  be  removed  by  raising  the  ionic  strength • can  be  removed  by  raising  the  ionic  strength • Integral  proteins • Integral  proteins • bound  tightly  to  the  interior  of  the  membrane • bound  tightly  to  the  interior  of  the  membrane • removed  by  treatment  with  detergents  or  ultrasonification • removed  by  treatment  with  detergents  or  ultrasonification • removal  generally  denatures  them • removal  generally  denatures  them

Slide27Fluid Mosaic  Model Fluid  Mosaic  Model • Fluid:  there  is  lateral  motion  of  components  in  the  membrane; • Fluid:  there  is  lateral  motion  of  components  in  the  membrane; • proteins,  for  example,  “float”  in  the  membrane  and  can move  along  its  plane • proteins,  for  example,  “float”  in  the  membrane  and  can move  along  its  plane • Mosaic:components  in  the  membrane  exist  side-by-side  as separate  entities • Mosaic:components  in  the  membrane  exist  side-by-side  as separate  entities • the  basic  structure  is  that  of  a  lipid  bilayer  with  proteins, glycolipids,  and  steroids  such  as  cholesterol  embedded  in  it • the  basic  structure  is  that  of  a  lipid  bilayer  with  proteins, glycolipids,  and  steroids  such  as  cholesterol  embedded  in  it • no  complexes,  as  for  example,  lipid-protein  complexes,  are formed • no  complexes,  as  for  example,  lipid-protein  complexes,  are formed

Slide28Membrane Transport Membrane  Transport • Passive  transport • Passive  transport • driven  by  a  concentration  gradient • driven  by  a  concentration  gradient • simple  diffusion:  a  molecule  or  ion  moves  through  an  opening created  by  a  channel  protein • simple  diffusion:  a  molecule  or  ion  moves  through  an  opening created  by  a  channel  protein • facilitated  diffusion:  molecule  or  ion  is  carried  across  a membrane  by  a  carrier  protein • facilitated  diffusion:  molecule  or  ion  is  carried  across  a membrane  by  a  carrier  protein • Active  transport • Active  transport • a  molecule  or  ion  is  moved  against  a  concentration  gradient • a  molecule  or  ion  is  moved  against  a  concentration  gradient • see  the  Na+/K+  ion  pump • see  the  Na+/K+  ion  pump

Slide29Membrane Receptors Membrane  Receptors • Membrane  receptors • Membrane  receptors • generally  oligomeric  proteins • generally  oligomeric  proteins • binding  of  a  biologically  active  substance  to  a receptor  initiates  an  action  within  the  cell • binding  of  a  biologically  active  substance  to  a receptor  initiates  an  action  within  the  cell

Slide30Lipid-Soluble Vitamins Lipid-Soluble  Vitamins • Vitamins  are  divided  into  two  broad classes  on  the  basis  of  their  solubility • Vitamins  are  divided  into  two  broad classes  on  the  basis  of  their  solubility   .  Those  that  are  water-soluble   .  Those  that  are  water-soluble    .  Those  that  are  lipid-soluble  (and  hence       classified  as  lipids)    .  Those  that  are  lipid-soluble  (and  hence       classified  as  lipids) The  lipid-soluble  vitamins  include  A,  D,  E,  and  K The  lipid-soluble  vitamins  include  A,  D,  E,  and  K

Slide31ProstaglandinsProstaglandins • Prostaglandins:  a  family  of  compounds that  have  the  20-carbon  skeleton  of prostanoic  acid • Prostaglandins:  a  family  of  compounds that  have  the  20-carbon  skeleton  of prostanoic  acid

Slide32ProstaglandinsProstaglandins • Prostaglandins  are  not  stored  in  tissues  as such,  but  are  synthesized  from  membrane- bound  20-carbon  polyunsaturated  fatty  acids in  response  to  specific  physiological  triggers • Prostaglandins  are  not  stored  in  tissues  as such,  but  are  synthesized  from  membrane- bound  20-carbon  polyunsaturated  fatty  acids in  response  to  specific  physiological  triggers • one  such  polyunsaturated  fatty  acid  is arachidonic  acid • one  such  polyunsaturated  fatty  acid  is arachidonic  acid

Slide33ProstaglandinsProstaglandins • among  those  synthesized  from arachidonic  acid  are • among  those  synthesized  from arachidonic  acid  are

Slide34ProstaglandinsProstaglandins • Research  on  the  involvement  of  PGs  in reproductive  physiology  has  produced several  clinically  useful  derivatives • Research  on  the  involvement  of  PGs  in reproductive  physiology  has  produced several  clinically  useful  derivatives • 15-Methyl-PGF2a  is  used  as  a  therapeutic abortifacient • 15-Methyl-PGF2a  is  used  as  a  therapeutic abortifacient

Slide35ProstaglandinsProstaglandins • the  PGE1  analog,  misoprostol,  is  used  for prevention  of  ulceration  associated  with  the use  of  aspirin-like  non-steroidal antiinflammatory  drugs  (NSAIDs) • the  PGE1  analog,  misoprostol,  is  used  for prevention  of  ulceration  associated  with  the use  of  aspirin-like  non-steroidal antiinflammatory  drugs  (NSAIDs)

Slide36LeukotrienesLeukotrienes • Leukotrienes:  derived  from  arachidonic  acid • Leukotrienes:  derived  from  arachidonic  acid • found  in  white  blood  cells  (leukocytes) • found  in  white  blood  cells  (leukocytes) • an  important  property  is  constriction  of  smooth  muscles, especially  in  the  lungs • an  important  property  is  constriction  of  smooth  muscles, especially  in  the  lungs

Slide37ThromboxanesThromboxanes • derived  from  arachidonic  acid • derived  from  arachidonic  acid • contain  a  four-membered  cyclic  ether  within a  six-membered  ring induce  platelet  aggregation  and  smooth muscle  contraction • contain  a  four-membered  cyclic  ether  within a  six-membered  ring induce  platelet  aggregation  and  smooth muscle  contraction