Kardiolipina, znany również jako difosfatydyloglicerynę, jest rodzina glicerofosfolípidos lipidów i grupa poliglicerofosfolípidos. Występuje w błonie mitochondrialnej organizmów eukariotycznych, w błonie plazmatycznej wielu bakterii, a także w niektórych archeonach.
Został odkryty przez Pangborna w 1942 r. Na podstawie analizy lipidów błonowych tkanki serca bydła. Jego strukturę zaproponowano w 1956 roku, a synteza chemiczna nastąpiła około 10 lat później.
Struktura kardiolipiny (źródło: Edgar181 za pośrednictwem Wikimedia Commons)
Niektórzy autorzy uważają, że jego obecność jest ograniczona do błon wytwarzających ATP, tak jak w przypadku mitochondriów u eukariotów, błon plazmatycznych u bakterii i hydrogensomów (organelli podobnych do mitochondriów) u niektórych protistów.
Fakt, że kardiolipina znajduje się w mitochondriach i błonie plazmatycznej bakterii, został wykorzystany do wzmocnienia podstaw teorii endosymbiotycznej, zgodnie z którą mitochondria powstały w komórkach progenitorowych eukariotów w wyniku fagocytozy bakterii, która potem uzależnił się od komórki i odwrotnie.
Jej szlak biosyntetyczny u zwierząt został opisany w latach 1970–1972, a później wykazano, że jest to ten sam szlak, który występuje u roślin, drożdży, grzybów i bezkręgowców. Nie jest to bardzo bogaty lipid, ale komórki wymagają go do prawidłowego funkcjonowania.
Znaczenie tego fosfolipidu dla mitochondriów, a tym samym dla metabolizmu komórkowego, jest oczywiste, gdy nieprawidłowe działanie związanych z nim szlaków metabolicznych powoduje u ludzi patologię znaną jako zespół Bartha (miopatia sercowo-szkieletowa).
Struktura
Kardiolipina lub difosfatydyloglicerol składa się z dwóch cząsteczek kwasu fosfatydowego (najprostszego fosfolipidu) połączonych ze sobą cząsteczką glicerolu.
Kwas fosfatydowy, jeden z powszechnych produktów pośrednich w szlakach biosyntezy innych fosfolipidów, składa się z cząsteczki 3-fosforanu glicerolu, do której są estryfikowane dwa łańcuchy kwasów tłuszczowych w pozycjach węgli 1 i 2, więc jest również znany jako 3-fosforan 1,2-diacyloglicerolu.
Dlatego kardiolipina składa się z trzech cząsteczek glicerolu: centralnej glicerolu, przyłączonej do grupy fosforanowej przy węglu 1, innej grupy fosforanowej przy węglu 3 i grupy hydroksylowej przy węglu 2; i dwie „boczne” glicerole.
Dwie „boczne” cząsteczki glicerolu są połączone z cząsteczką centralną „mostkami glicerolowymi” poprzez ich atomy węgla w pozycji 3. Przy atomach węgla w pozycjach 1 i 2 estryfikowane są dwa łańcuchy kwasów tłuszczowych o długości i nasyceniu. zmienna.
Kardiolipina jest lipidem, który może tworzyć dwuwarstwy lub nie, w zależności od obecności lub braku dwuwartościowych kationów. Jest to związane z tym, że jest to cząsteczka symetryczna, co czyni ją ważną w błonach odpowiedzialnych za procesy transdukcji energii.
Podobnie jak inne lipidy z grupy poliglicerofosfolipidów, kardiolipina ma kilka grup hydroksylowych, które mogą służyć do wiązania kwasów tłuszczowych. Dlatego ma wiele stereoizomerów pozycyjnych.
Twoje kwasy tłuszczowe
Różne badania wykazały, że kwasy tłuszczowe przyłączone do bocznych cząsteczek glicerolu kardiolipiny są typowo nienasycone, ale nie określono stopnia nienasycenia.
Zatem takie kwasy tłuszczowe mogą mieć długość 14-22 węgli i 0-6 wiązań podwójnych. To oraz fakt, że kardiolipina ma cztery połączone cząsteczki kwasów tłuszczowych, sugeruje, że może istnieć wiele zmiennych i kombinacji tego fosfolipidu.
Synteza
Biosynteza kardiolipiny, jak można się spodziewać, rozpoczyna się od syntezy kwasu fosfatydowego lub 3-fosforanu 1,2-diacyloglicerolu z 3-fosforanu glicerolu i kwasów tłuszczowych. Proces ten zachodzi w mitochondriach eukariotów oraz w błonie komórkowej bakterii.
Synteza u eukariotów
Po utworzeniu kwas fosfatydowy reaguje z wysokoenergetyczną cząsteczką analogiczną do ATP: CTP. Wówczas powstaje półprodukt, również o wysokiej energii, znany jako fosfatydylo-CMP. Aktywowana grupa fosfatydylowa jest przenoszona do grupy hydroksylowej w pozycji C1 centralnej cząsteczki glicerolu, która służy jako szkielet.
W wyniku tego procesu powstaje cząsteczka zwana fosfatydyloglicerofosforanem, która jest hydrolizowana z wytworzeniem fosfatydyloglicerolu. Otrzymuje on inną grupę fosfatydylową aktywowaną z innej cząsteczki fosfatydylo-CMP, reakcję katalizowaną przez fosfatydylotransferazę znaną również jako syntaza kardiolipiny.
Enzym syntaza kardiolipiny znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej i wydaje się tworzyć duży kompleks, przynajmniej w drożdżach. Jego gen ulega ekspresji w dużych ilościach w tkankach bogatych w mitochondria, takich jak serce, wątroba i mięśnie szkieletowe kręgowców.
Regulacja jego aktywności zależy w dużej mierze od tych samych czynników transkrypcyjnych i hormonalnych, które modulują biogenezę mitochondriów.
Po zsyntetyzowaniu w wewnętrznej błonie mitochondrialnej kardiolipina musi zostać przemieszczona w kierunku zewnętrznej błony mitochondrialnej, tak aby w błonie zachodziła seria procesów topologicznych, a inne jej elementy strukturalne zostały przystosowane.
Synteza u prokariotów
Zawartość kardiolipiny w bakteriach może być bardzo zmienna i zależy głównie od stanu fizjologicznego komórek: jest zwykle mniej obfita w fazie wzrostu wykładniczego, a obfitsza, gdy następuje jej redukcja (na przykład w fazie stacjonarnej).
Jej biosyntetyczny szlak może być wyzwalany przez różne stresujące bodźce, takie jak niedobory energii lub stres osmotyczny.
Do czasu powstania fosfatydyloglicerolu proces u eukariontów i prokariotów jest równoważny, ale u prokariotów fosfatydyloglicerol otrzymuje przez transestryfikację grupę fosfatydylową z innej cząsteczki fosfatydyloglicerolu. Ta reakcja jest katalizowana przez enzym fosfolipazy typu D, znany również jako syntaza kardiolipiny.
Ta reakcja jest znana jako reakcja „transfosfatydylacji” (z angielskiego „transfosfatydylacja”), w której jeden z fosfatydylogliceroli działa jako donor grupy fosfatydylowej, a drugi jako akceptor.
cechy
Fizyczne cechy cząsteczek kardiolipiny najwyraźniej pozwalają na pewne interakcje, które odgrywają ważną rolę w strukturalnej organizacji błon, w których się znajdują.
Wśród tych funkcji jest między innymi rozróżnienie niektórych domen błonowych, interakcja lub „skrzyżowanie” z białkami transbłonowymi lub ich subdomenami.
Dzięki swoim właściwościom fizykochemicznym kardiolipina jest uznawana za lipid, który nie tworzy dwuwarstwy, ale którego funkcją może być stabilizacja i „przystosowanie” białek transbłonowych w dwuwarstwach lipidowych.
W szczególności jego właściwości elektryczne sprawiają, że działa on w procesach przenoszenia protonów, które mają miejsce w mitochondriach.
Chociaż komórki mogą przetrwać bez tego fosfolipidu, niektóre badania wykazały, że jest on niezbędny do ich optymalnego funkcjonowania.
Bibliografia
- Harayama, T. i Riezman, H. (2018). Zrozumienie różnorodności składu lipidów błonowych. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 19 (5), 281–296.
- Luckey, M. (2008). Biologia strukturalna błony: na podstawach biochemicznych i biofizycznych. Cambridge University Press.
- Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (wyd. 28). McGraw-Hill Medical.
- van Meer, G., Voelker, DR i Feigenson, GW (2008). Lipidy błonowe: gdzie się znajdują i jak się zachowują. Nature Reviews, 9, 112-124.
- Vance, JE i Vance, DE (2008). Biochemia lipidów, lipoprotein i błon. W New Comprehensive Biochemistry Vol. 36 (4. wyd.). Elsevier.