Current concepts of the molecular structure and metabolism of human apolipoproteins and lipoproteins

Abstract

During the last few years major advances have occurred in our knowledge of the structure, function, and metabolism of the plasma lipoproteins. Twelve human apolipoproteins have been isolated and characterized. The primary structure of apolipoproteins A-I, A-II, C-I, C-II, and C-III have been elucidated. The primary structure of these apolipoproteins contains no unique sequences, however the primary structure of several of the apolipoproteins contain segments which can be modeled into amphipathic helices. The helical segments may be important in protein-protein as well as protein-lipid interactions. The molecular properties of the apolipoproteins have been investigated and shown to undergo self-association with major increases in conformation. The molecular organization of the plasma lipoprotein particle has been studied, and an iceberg-sea model has been proposed. This model emphasizes the micellar organization of the phospholipids, and the possibility of secondary, tertiary as well as quaternary structure of the apolipoprotein associated with the lipoprotein particle. The metabolism of plasma lipoproteins has been extensively analyzed over the last several years. Two general types of apolipoprotein-lipoprotein particle interactions have been recognized. The first type involves a “quasi-irreversible” interaction between the apolipoprotein and lipoprotein particle, and is exemplified by apolipoprotein B. The second type of interaction is a “reversible” apolipoprotein-lipoprotein particle interaction. Apolipoproteins A-I, A-II, C-I, C-II, C-III, and E are examples of the reversible interaction. Within this framework two major apoB-lipoprotein particle cascades have been proposed. Apo B-triglyceride rich lipoproteins including chylomicrons and hepatic VLDL undergo sequential triglyceride hydrolysis. Following triglyceride hydrolysis chylomicrons are converted to remnants with hydrated densities principally of VLDL and IDL. Liver apoB-VLDL is converted initially to IDL and finally to LDL. Apolipoproteins which undergo reversible interactions are present in virtually all density fractions and the distribution of these apolipoproteins is determined by the laws of mass action. With these concepts rapid progress has been made in our understanding of apolipoprotein-lipoprotein biochemistry, physiology, and clinical disorders of lipoproteins and atherosclerosis. The next several years will undoubtedly provide further insights into the structure, function, and metabolism of plasma lipoproteins. Wichtige Fortschritte bezüglich unserer Kenntnisse der Struktur, Funktion, und Stoffwechsel der Plasmalipoproteine sind in der letzten Zeit erzielt worden. Zwölf Apolipoproteine im menschlichen Plasma sind isoliert und gut charakterisiert worden. Die Primärstrukturen der Apolipoproteine A-I, A-II, C-I, C-II, und C-III sind aufgeklärt worden. Obwohl ihre Primärstruktur keine Sequenzabschnitte enthält, die ausschließlich bei Apolipoproteinen vorkommen, gibt es jedoch gewisse Abschnitte, die sich theoretisch in einen amphipatischen Helix falten ließen. Es mag sein, daß solche Helix-förmigen Peptidteile bei Wechselwirkungen unter einzelnen Apolipoproteinen und zwischen Apolipoproteinen und Lipiden eine wichtige Rolle spielen. Die molekulären Eigenschaften der Apolipoproteine sind untersucht worden und deuten darauf hin, daß bei jedem eine Selbstassoziation mit begleitenden Änderungen der Sekundärstruktur stattfindet. Die Quaternärstruktur der Lipoproteinteilchen ist untersucht, und ein „iceberg-sea“ Modell vorgeschlagen worden. Dieses Modell postuliert eine Mizellen-ähnliche Organization der Phospholipide und ermöglicht eine unterschiedliche Sekundär-, Tertiär-, und Quaternärstruktur der verschiedenen am Teilchen verbundenen Apolipoproteine. Der Stoffwechsel der Plasmalipoproteine ist während der letzten Jahre weitgehend analysiert worden. Zwei allgemeine Wechselwirkungsarten zwischen Apolipoproteinen und Lipoproteinen sind erkannt worden. Die erste Art bildet die „quasi-irreversible“ Wechselwirkung zwischen Apolipoprotein B und Lipoproteinteilchen der Chylomikronen, VLDL, und LDL Klassen. Die zweite Art stellt eine „reversible“ Wechselwirkung zwischen Apolipoproteinen und Lipoproteinen dar. Beispiele dafür sind Apolipoproteine A-I, A-II, C-I, C-II, C-III, und E. In diesem Zusammenhang sind zwei verschiedene Kaskadensysteme für den Stoffwechsel der Apolipoprotein B-enthaltenden Lipoproteinteilchen vorgeschlagen worden. Triglyzeridreiche Teilchen, die Apolipoprotein B enthalten, sind hauptsächlich die vom Darm stammende Chylomikronen und die von der Leber sezernierte VLDL. Beide Teilchenarten werden im Plasma durch die Aktivität der Lipoproteinlipase an ihren Triglyzeride abgebaut. Mit der Triglyzeridhydrolyse werden Chylomikronen in „Remnants“ verwandelt, deren hydratisierte Dichte im VLDL-IDL Dichtebereich liegt (1000–1019 g/ml). In gleicher Weise werden die von der Leber sezernierten VLDL erst in IDL und schließlich in LDL umgebaut. Apolipoproteine, die zur reversibelen Wechselwirkung befähigt sind, befinden sich in allen Dichtefraktionen des Plasmas. Ihre Verteilung unter verschiedenen Lipoproteinen unterliegt dem Massenwirkungsgesetz. Der Stand unseres Wissens über der Biochemie, Physiologie, und klinischen Störungen der Plasmalipoproteine, und über ihre Rolle in der Atherosklerose rückt schnell vor. Die nächsten Jahre werden zweifellos weitere Erkenntnisse in Bezug auf die Struktur, Funktion und den Stoffwechsel der Plasmalipoproteine bringen.