SFINGOLIPĪDI: RAKSTURLIELUMI, FUNKCIJAS, GRUPAS, SINTĒZE - BIOLOĢIJA - 2025

Par sphingolipids ir viens no trim lielākajiem ģimenēm lipīdu bioloģisko membrānu. Tāpat kā glicerofosfolipīdi un sterīli, tie ir amfātiskās molekulas ar hidrofilu polāro reģionu un hidrofobu apolāru reģionu.

Pirmoreiz tos aprakstīja 1884. gadā Johans LW Thudichums, kurš aprakstīja trīs sfingolipīdus (sfingomielīns, cerebrosīdi un cerebrosulfamīds), kas pieder trim zināmām atšķirīgām klasēm: fosfosfingolipīdi, neitrālie un skābie glikozifingolipīdi.

Alejandro Porto, izmantojot Wikimedia Commons

Atšķirībā no glicerofosfolipīdiem, sfingolipīdi nav veidoti uz glicerīna 3-fosfāta molekulas kā galveno mugurkaulu, bet ir savienojumi, kas iegūti no sfingozīna - aminospirta ar garu ogļūdeņraža ķēdi, kas savienota ar amīda saiti.

Saistībā ar sarežģītību un daudzveidību zīdītājiem ir zināmi vismaz 5 dažādu veidu sfingolipīdi. Šīm bāzēm var pievienoties vairāk nekā 20 dažādu veidu taukskābes ar atšķirīgu garumu un piesātinājuma pakāpi, papildus daudzām variācijām polārajās grupās, kas var rasties.

Bioloģiskajās membrānās ir aptuveni 20% sfingolipīdu. Šūnās tām ir dažādas un svarīgas funkcijas, sākot no struktūras līdz signāla pārraidei un dažādu šūnu sakaru procesu kontrolei.

Šo molekulu sadalījums mainās atkarībā no organelle funkcijām, kur tās atrodamas, bet parasti sfingolipīdu koncentrācija ir daudz augstāka plazmas membrānas ārējā slānī nekā iekšējā vienslāņa un citos nodalījumos.

Cilvēkiem ir vismaz 60 sfingolipīdu sugas. Daudzi no tiem ir svarīgas nervu šūnu membrānu sastāvdaļas, savukārt citi spēlē svarīgu strukturālo lomu vai piedalās signāla pārraidē, atpazīšanā, šūnu diferenciācijā, patoģenēzē, ieprogrammētā šūnu nāvē.

E struktura

Sfingolipīdu vispārējā struktūra. LHcheM, no Wikimedia Commons

Visi sfingolipīdi ir iegūti no L-serīna, kas tiek kondensēts ar garu ķēdi saturošām taukskābēm, veidojot sphingoid bāzi, kas pazīstama arī kā garo ķēžu bāze (LCB).

Visizplatītākās bāzes ir sfinganīns un sfingozīns, kas cits no cita atšķiras tikai ar divkāršās saites klātbūtni starp sfingozīna taukskābes 4. un 5. oglekli.

Sfingozīna oglekļi 1, 2 un 3 ir strukturāli analogi glicerofosfolipīdu glicerīna oglekļiem. Kad taukskābe ar amīda saitēm ir piesaistīta sfingozīna 2 ogleklim, tiek iegūts keramīds, kas ir molekula, kas ir ļoti līdzīgs diacilglicerīnam un pārstāv vienkāršāko sfingolipīdu.

Garo ķēžu taukskābes, kas veido šo lipīdu hidrofobos reģionus, var būt ļoti dažādas. Garumi svārstās no 14 līdz 22 oglekļa atomiem, kuriem var būt dažāda piesātinājuma pakāpe, parasti starp 4. un 5. oglekli.

4. vai 6. pozīcijā tām var būt hidroksilgrupas un divkāršās saites citās pozīcijās vai pat zari, piemēram, metilgrupas.

raksturojums

Taukskābju ķēdes, kas ar amīdu saitēm saistītas ar keramīdiem, parasti ir piesātinātas un parasti ir garākas nekā tās, kas atrodamas glicerofosfolipīdos, kam, šķiet, ir izšķiroša nozīme to bioloģiskajā darbībā.

Sfingolipīdu skeleta īpatnība ir tā, ka tiem var būt neto pozitīvs lādiņš neitrālā pH līmenī, kas reti sastopams lipīdu molekulās.

Tomēr aminogrupas pKa ir zems, salīdzinot ar vienkāršu amīnu, no 7 līdz 8, tāpēc molekulas daļa netiek uzlādēta pie fizioloģiskā pH, kas varētu izskaidrot šo vielu "brīvo" pārvietošanos starp divslāņu.

Tradicionālā sfingolipīdu klasifikācija rodas no vairākām modifikācijām, kuras var veikt keramīda molekula, īpaši attiecībā uz polāro galvu grupu aizstāšanu.

Iespējas

Sfingolipīdi ir nepieciešami dzīvniekiem, augiem un sēnītēm, kā arī dažiem prokariotu organismiem un vīrusiem.

-Strukturālās funkcijas

Sfingolipīdi modulē membrānu fizikālās īpašības, ieskaitot to plūstamību, biezumu un izliekumu. Šo īpašību modulēšana arī tieši ietekmē membrānas olbaltumvielu telpisko organizāciju.

Lipīdu "plostos"

Bioloģiskajās membrānās var noteikt dinamiskus mikro domēnus ar mazāku plūstamību, ko veido holesterīna un sfingolipīdu molekulas, ko sauc par lipīdu plostiem.

Šīs struktūras rodas dabiski un ir cieši saistītas ar neatņemamiem olbaltumvielām, šūnu virsmas receptoriem un signalizācijas olbaltumvielām, transporteriem un citām olbaltumvielām ar glikozilfosfatidilinozīta (GPI) enkuriem.

- apzīmējumu funkcijas

Viņiem ir signālmolekulu funkcijas, kas darbojas kā otrie kurjeri vai kā sekrēti ligandi šūnu virsmas receptoriem.

Kā sekundārie kurjeri viņi var piedalīties kalcija homeostāzes regulēšanā, šūnu augšanā, audzēja ģenēzes veidošanā un apoptozes nomākšanā. Turklāt daudzu integrālu un perifēru membrānu olbaltumvielu aktivitāte ir atkarīga no to asociācijas ar sfingolipīdiem.

Daudzas šūnu un šūnas mijiedarbība ar vidi ir atkarīga no dažādu sfingolipīdu polāro grupu pakļaušanas plazmas membrānas ārējai virsmai.

Glikosfingolipīdu un lektīnu saistīšanās ir būtiska mielīna saistībai ar aksoniem, neitrofilu adhēzijai ar endotēliju utt.

Jūsu metabolisma blakusprodukti

Vissvarīgākie signālie sfingolipīdi ir garo ķēžu bāzes vai sfingozīni un keramīdi, kā arī to fosforilētie atvasinājumi, piemēram, sfingozīna 1-fosfāts.

Daudzu sfingolipīdu metabolisma produkti aktivizē vai kavē vairākus pakārtotos mērķus (olbaltumvielu kināzes, fosfoproteīnu fosfatāzes un citi), kas kontrolē sarežģītu šūnu izturēšanos, piemēram, augšanu, diferenciāciju un apoptozi.

-Kā receptori membrānā

Daži patogēni kā receptorus izmanto glikosfingolipīdus, lai mediētu iekļūšanu saimnieka šūnās vai nodotu virulences faktorus tiem.

Ir pierādīts, ka sfingolipīdi piedalās vairākos šūnu notikumos, piemēram, sekrēcijā, endocitozē, ķīmotaksē, neirotransmisijā, angioģenēzē un iekaisumā.

Viņi ir iesaistīti arī membrānu tirdzniecībā, tādējādi ietekmējot receptoru internalizāciju, secējošo pūslīšu sakārtošanu, pārvietošanu un saplūšanu, reaģējot uz dažādiem stimuliem.

Sfingolipīdu grupas

Ir trīs sfingolipīdu apakšklases, kas visi iegūti no keramīda un atšķiras viens no otra pēc polārajām grupām, proti: sfingomielīni, glikolipīdi un gangliozīdi.

Sfingomielīni

Sfingomileīns. Melns: sfingozīns. Sarkans: fosfoholīns. Zils: taukskābe.

Tie satur fosfoholīnu vai fosfoetanolamīnu kā polāro galvu grupu, tāpēc tos klasificē kā fosfolipīdus kopā ar glicerofosfolipīdiem. Protams, tie atgādina fosfatidilholīnus trīsdimensiju struktūrā un vispārējās īpašībās, jo tiem nav lādiņa uz viņu polārajām galvām.

Tie atrodas dzīvnieku šūnu plazmas membrānās un ir īpaši bagātīgi mielīnā - apvalkā, kas ieskauj un izolē dažu neironu aksonus.

Neitrālie glikolipīdi vai glikosfingolipīdi (bez maksas)

Glikolipīds Wpcrosson, no Wikimedia Commons

Tie galvenokārt atrodas plazmas membrānas ārējā virsmā, un tiem ir viens vai vairāki cukuri kā polāro galvu grupa, kas tieši pievienoti keramīda daļas 1. oglekļa hidroksilgrupai. Viņiem nav fosfātu grupu. Tā kā pie pH 7 viņiem nav lādiņa, tos sauc par neitrāliem glikolipīdiem.

Cerebrosīdiem ir viena cukura molekula, kas pievienota keramīdam. Tie, kas satur galaktozi, ir atrodami nervu audu šūnu plazmas membrānās. Globosīdi ir glikozingingolipīdi ar diviem vai vairākiem cukuriem, parasti D-glikozi, D-galaktozi vai N-acetil-D-galaktozamīnu.

Skābi gangliozīdi vai glikozingingolipīdi

Gangliozīda GM1 struktūra

Tie ir vissarežģītākie sfingolipīdi. Viņiem ir oligosaharīdi kā polāro galvu grupa un viens vai vairāki terminālie N-acetilmuramīnskābes atlikumi, ko sauc arī par sialīnskābi. Sialīnskābe dod gangliozīdiem negatīvu lādiņu pie pH 7, kas tos atšķir no neitrāliem glikozingingolipīdiem.

Šīs klases sfingolipīdu nomenklatūra ir atkarīga no siālskābes atlikumu daudzuma, kas atrodas polārās galvas oligosaharīdu daļā.

Sintēze

Garās ķēdes pamatnes molekula jeb sfingozīns tiek sintezēts endoplazmatiskajā retikulumā (ER), un polāro grupu pievienošana šo lipīdu galvai notiek vēlāk Golgi kompleksā. Zīdītājiem mitohondrijos var notikt arī zināma sfingolipīdu sintēze.

Pēc sintēzes pabeigšanas Golgi kompleksā, sfingolipīdi tiek transportēti uz citiem šūnu nodalījumiem, izmantojot pūslīšu mediētus mehānismus.

Sfingolipīdu biosintēze sastāv no trim pamatnoteikumiem: garu ķēžu sintēzes, keramīdu biosintēzes ar taukskābes savienojumu caur amīda saiti un, visbeidzot, sarežģītu sfingolipīdu veidošanos caur polāro grupu savienības sphinoidā bāzes 1. oglekļa.

Papildus de novo sintēzei sfingolipīdus var veidot arī apritē vai otrreizējās pārstrādes veidā ar garām ķēdēm bāzēm un keramīdiem, kas var barot sfingolipīdu baseinu.

Keramīda skeleta sintēze

Keramīda, sfingolipīdu mugurkaula biosintēze sākas ar palmitoil-CoA molekulas un L-serīna dekarboksilējošo kondensāciju. Reakciju katalizē heterodimeriskā serīna palmitoil-transferāze (SPT), kas ir atkarīga no piridoksāla fosfāta, un produkts ir 3-ketodihidrosfingosīns.

Šo enzīmu kavē β-halo-L-alanīni un L-cikloserīni. Raugā to kodē divi gēni, savukārt zīdītājiem ir trīs šī enzīma gēni. Aktīvā vieta atrodas endoplazmatiskā retikulāra citoplazmā.

Šī pirmā enzīma loma tiek saglabāta visos pētītajos organismos. Tomēr starp taksoniem ir dažas atšķirības, kas ir saistītas ar fermenta subcelulāro atrašanās vietu: baktērijām ir citoplazma, raugiem, augiem un dzīvniekiem endoplazmas retikulums.

Pēc tam no NADPH atkarīgā 3-ketosfinganīna reduktāze reducē 3-ketosfinganīnu, iegūstot sfinganīnu. Dihidrokeramīda sintāze (sfinganīna N-aciltransferāze) pēc tam acetilē sfinganīnu, iegūstot dihidrokeramīdu. Pēc tam keramīdu veido dihidrokeramīda dezaturāze / reduktāze, kas 4-5 transpozīcijā ievieto trans-dubultsaiti.

Zīdītājiem ir daudz keramīdu sintāžu izoformu, no kurām katra piesaista noteiktu taukskābju ķēdi garās ķēdes bāzēm. Tāpēc keramīdu sintāzes un citi enzīmi, elongāzes, ir galvenais shingolipīdu taukskābju daudzveidības avots.

Specifiska sfingolipīdu veidošanās

Sfingomielīns tiek sintezēts, pārnesot fosfoholīnu no fosfatidilholīna uz keramīdu, atbrīvojot diacilglicerīnu. Reakcija saista sfingolipīdu un glicerofosfolipīdu signālu pārnešanas ceļus.

Fosfoetanolamīna keramīds tiek sintezēts no fosfatidiletanolamīna un keramīda reakcijā, kas ir līdzīga sfingomielīnu sintēzes reakcijai, un pēc izveidošanās to var metilēt uz sfingomielīnu. Inozīta fosfāta keramīdi veidojas, pāresterificējot no fosfatidilinozīta.

Glikosfingolipīdi tiek modificēti galvenokārt Golgi kompleksā, kur specifiski glikoziltransferāzes fermenti piedalās oligosaharīdu ķēžu pievienošanā keramīda skeleta hidrofilajā reģionā.

Vielmaiņa

Sfingolipīdu sadalīšanos veic enzīmi glikohidrāzes un sfingomielināzes, kas ir atbildīgas par polāro grupu modifikāciju noņemšanu. No otras puses, keramidāzes no keramīdiem reģenerē garu ķēžu bāzes.

Gangliozīdus noārda lizosomu enzīmu komplekts, kas katalizē pakāpenisku cukura vienību elimināciju, iegūstot keramīdu.

Cits noārdīšanās ceļš sastāv no sfingolipīdu internalizācijas endocītiskajos pūslīšos, kas tiek nosūtīti atpakaļ uz plazmas membrānu vai transportēti uz lizosomām, kur tos noārda specifiskas skābes hidrolāzes.

Ne visas garo ķēžu bāzes tiek pārstrādātas, endoplazmatiskajam retikulāram ir ceļš to terminālajai degradācijai. Šis noārdīšanās mehānisms sastāv no LCB fosforilēšanas, nevis acilēšanas, radot signālmolekulas, kas var būt šķīstoši substrāti lināzes fermentiem, kas sašķeļ LCB-fosfātu, veidojot aciloaldehīdus un fosfoetanolamīnu.

Regula

Šo lipīdu metabolisms tiek regulēts dažādos līmeņos, viens no tiem ir par sintēzi atbildīgajiem fermentiem, to posttranslācijas modifikācijām un allosteriskajiem mehānismiem.

Daži regulatīvie mehānismi ir specifiski šūnai vai nu lai kontrolētu šūnu attīstības brīdi, kurā tie tiek ražoti, vai arī reaģējot uz īpašiem signāliem.

Atsauces

1. Bartke, N., & Hannun, Y. (2009). Bioaktīvie singolipīdi: metabolisms un darbība. Journal of Lipid Research, 50, 19.
2. Breslow, DK (2013). Sfingolipīdu homeostāze endoplazmatiskajā retikulumā un ārpus tā. Aukstā pavasara ostas perspektīvas bioloģijā, 5 (4), a013326.
3. Futermans, AH un Hannuns, YA (2004). Vienkāršo sfingolipīdu sarežģītais mūžs. EMBO ziņojumi, 5 (8), 777–782.
4. Harisons, PJ, Dunn, T., un Campopiano, DJ (2018). Sfingolipīdu biosintēze cilvēkā un mikrobos. Dabisko produktu pārskati, 35. (9), 921. – 954.
5. Lahiri, S., un Futerman, AH (2007). Sfingolipīdu un glikosfingolipīdu metabolisms un darbība. Šūnu un molekulārās dzīvības zinātnes, 64 (17), 2270–2284.
6. Lodish, H., Berks, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molekulāro šūnu bioloģija (5. izdevums). Freeman, WH & Company.
7. Luckey, M. (2008). Membrānas struktūras bioloģija: ar bioķīmiskajiem un biofizikālajiem pamatiem. Cambridge University Press. Saņemts no vietnes www.cambridge.org/9780521856553
8. Merilla, AH (2011). Sfingolipīdu un glikosfingolipīdu metabolisma ceļi sfingolipidomikas laikmetā. Chemical Reviews, 111 (10), 6387-6422.
9. Nelsons, DL, & Cox, MM (2009). Lehingera bioķīmijas principi. Omega izdevumi (5. izdevums).
10. Vance, JE, & Vance, DE (2008). Lipīdu, lipoproteīnu un membrānu bioķīmija. In New Comprehensive Biochemistry 36. sēj. (4. izdevums). Elsevier.