SFINGOLIPIDIT: OMINAISUUDET, TOIMINNOT, RYHMÄT, SYNTEESI - BIOLOGIA - 2026

Sfingolipidit ovat yksi kolmesta pääryhmään lipidien biologisia kalvoja. Kuten glyserofosfolipidit ja sterolit, ne ovat amfipaattisia molekyylejä, joilla on hydrofiilinen polaarinen alue ja hydrofobinen apolaarinen alue.

Niitä kuvasi ensimmäisen kerran vuonna 1884 Johann LW Thudichum, joka kuvasi kolme sfingolipidia (sfingomyeliini, aivobrosidit ja aivobrosulfatidi), jotka kuuluvat kolmeen tunnettuun luokkaan: fosfoesfingolipidit, neutraalit ja happamat glykosfingolipidit.

Alejandro Porto, Wikimedia Commonsin kautta

Toisin kuin glyserofosfolipidejä, sfingolipidejä ei rakenneta glyseroli-3-fosfaattimolekyyliin päärungona, vaan yhdisteet ovat peräisin sfingosiinista, aminoalkoholista, jolla on pitkä hiilivetyketju, joka on sidottu amidisidoksella.

Monimutkaisuuden ja monimuotoisuuden kannalta nisäkkäiden sfingolipideille tunnetaan vähintään 5 erityyppistä emästä. Näihin emäksiin voi liittyä yli 20 erityyppistä rasvahappoa, joiden pituudet ja kyllästymisaste vaihtelevat, monien polaariryhmien variaatioiden lisäksi, joita voi tapahtua.

Biologisissa membraaneissa on noin 20% sfingolipidejä. Niillä on monipuoliset ja tärkeät toiminnot soluissa rakenteellisesta signaalinsiirtoon ja erilaisten solukkoviestintäprosessien ohjaamiseen.

Näiden molekyylien jakautuminen vaihtelee riippuen niiden organelien toiminnasta, joista ne löytyvät, mutta shingolipidien pitoisuus on normaalisti paljon suurempi plasmamembraanin ulkokerroksessa kuin sisäkerroksessa ja muissa osastoissa.

Ihmisillä on vähintään 60 sphingolipidilajia. Monet niistä ovat tärkeitä hermosolujen kalvojen komponentteja, kun taas toisilla on tärkeitä rakenteellisia tehtäviä tai ne osallistuvat muun muassa signaalin siirtoon, tunnistamiseen, solujen erilaistumiseen, patogeneesiin, ohjelmoituun solukuolemaan.

E rakenne

Sfingolipidien yleinen rakenne. LHcheM, Wikimedia Commonsista

Kaikki sfingolipidit on johdettu L-seriinistä, joka on kondensoitunut pitkäketjuisen rasvahapon kanssa sfingoidiemäksen muodostamiseksi, joka tunnetaan myös nimellä pitkäketjuinen emäs (LCB).

Yleisimmät emäkset ovat sphinganiini ja sfingosiini, jotka eroavat toisistaan ​​vain sfingosiinirasvahapon hiileiden 4 ja 5 välisen trans-kaksoissidoksen läsnä ollessa.

Sfingosiinin hiilet 1, 2 ja 3 ovat rakenteellisesti analogisia glyserofosfolipidien glyserolihiilien kanssa. Kun rasvahappo on kiinnittynyt sfingosiinin hiilidioksidiin amidisidosten kautta, syntyy keramiidi, joka on molekyyli, joka on hyvin samanlainen kuin diasyyliglyseroli ja edustaa yksinkertaisinta sfingolipidiä.

Pitkäketjuiset rasvahapot, jotka muodostavat näiden lipidien hydrofobiset alueet, voivat olla hyvin erilaisia. Pituudet vaihtelevat välillä 14 - 22 hiiliatomia, joilla voi olla erilainen tyydyttymisaste, yleensä hiilen 4 ja 5 välillä.

Asemissa 4 tai 6 heillä voi olla hydroksyyliryhmiä ja kaksoissidoksia muissa asemissa tai jopa haaroissa, kuten metyyliryhmissä.

ominaisuudet

Rasvahappoketjut, jotka on sidottu amidisidoksilla keramideihin, ovat yleensä tyydyttyneitä ja ovat yleensä pidempiä kuin glyserofosfolipideissä olevat, mikä näyttää olevan ratkaisevan tärkeä niiden biologiselle aktiivisuudelle.

Sfingolipidirungon erottuva ominaisuus on, että niillä voi olla nettopositiivinen varaus neutraalissa pH: ssa, harvinainen lipidimolekyylien keskuudessa.

Aminoryhmän pKa on kuitenkin alhainen verrattuna yksinkertaiseen amiiniin, välillä 7 - 8, joten osaa molekyylistä ei ole varautunut fysiologiseen pH-arvoon, mikä voisi selittää näiden "vapaan" liikkeen bilayers.

Shingolipidien perinteinen luokittelu johtuu monista modifikaatioista, jotka keramidimolekyyli voi suorittaa, etenkin polaaristen pääryhmien substituutioiden suhteen.

ominaisuudet

Sfingolipidit ovat välttämättömiä eläimissä, kasveissa ja sienissä, samoin kuin joissakin prokaryoottisissa organismeissa ja viruksissa.

- Rakenteelliset toiminnot

Sfingolipidit moduloivat kalvojen fysikaalisia ominaisuuksia, mukaan lukien niiden juoksevuus, paksuus ja kaarevuus. Näiden ominaisuuksien modulointi antaa heille myös suoran vaikutuksen membraaniproteiinien alueelliseen organisointiin.

Lipidi "laudoissa"

Biologisissa membraaneissa voidaan havaita dynaamiset mikrodomeenit, joilla on vähemmän juoksevuutta ja jotka koostuvat kolesteroli- ja shingolipidimolekyyleistä, joita kutsutaan lipidilauttoiksi.

Nämä rakenteet esiintyvät luonnossa ja liittyvät läheisesti kiinteisiin proteiineihin, solun pintareseptoreihin ja signalointiproteiineihin, kuljettajiin ja muihin proteiineihin, joissa on glykosyylifosfatidyylinositoli (GPI) -ankkurit.

-Merkintätoiminnot

Ne toimivat signalointimolekyyleinä, jotka toimivat toisina sanansaattajina tai erittyvinä ligandeina solun pintareseptoreihin.

Toissijaisina lähettiläinä ne voivat osallistua kalsiumin homeostaasin, solujen kasvun, tuumorigeneesin ja apoptoosin tukahduttamisen säätelyyn. Lisäksi monien integraalisten ja perifeeristen kalvoproteiinien aktiivisuus riippuu niiden assosiaatiosta sfingolipideihin.

Monet solujen ja solujen väliset vuorovaikutukset ympäristön kanssa riippuvat sfingolipidien eri polaaristen ryhmien altistumisesta plasmakalvon ulkopinnalle.

Glykosfingolipidien ja lektiinien sitoutuminen on ratkaisevaa myeliinin assosioitumiselle aksonien kanssa, neutrofiilien tarttumiseen endoteeliin jne.

Metabolian sivutuotteet

Tärkeimmät signaloivat sfingolipidit ovat pitkäketjuiset emäkset tai sfingosiinit ja keramidit sekä niiden fosforyloituneet johdannaiset, kuten sfingosiini-1-fosfaatti.

Monien sfingolipidien aineenvaihduntatuotteet aktivoivat tai estävät useita alavirtaan kohdistuvia kohteita (proteiinikinaasit, fosfoproteiinifosfataasit ja muut), jotka säätelevät monimutkaisia ​​solujen käyttäytymistä, kuten kasvua, erilaistumista ja apoptoosia.

- Kalvojen reseptoreina

Jotkut taudinaiheuttajat käyttävät glykosfingolipidejä reseptoreina välittämään niiden pääsyä isäntäsoluihin tai toimittamaan heille virulenssitekijöitä.

Sfingolipidien on osoitettu osallistuvan moniin soluihin liittyviin tapahtumiin, kuten eritykseen, endosytoosiin, kemotaksikseen, hermoston välitykseen, angiogeneesiin ja tulehdukseen.

Ne osallistuvat myös membraanikauppaan, vaikuttaen siten reseptorien internalisaatioon, järjestämiseen, liikkeeseen ja eritysrakkojen fuusioon vasteena erilaisille ärsykkeille.

Sfingolipidiryhmät

Sfingolipidejä on kolme alaluokkaa, jotka kaikki on johdettu keramiidista ja eroavat toisistaan ​​polaarisilla ryhmillä, nimittäin: sfingomyeliinit, glykolipidit ja gangliosidit.

sfingomyeliinit

Sphingomilein. Musta: sfingosiini. Punainen: fosfokoliini. Sininen: rasvahappo.

Ne sisältävät fosfoliinia tai fosfoetanoliamiinia polaarisena pääryhmänä, joten ne luokitellaan fosfolipideiksi yhdessä glyserofosfolipidien kanssa. Ne muistuttavat tietysti fosfatidyylikoliinia kolmiulotteisessa rakenteessa ja yleisissä ominaisuuksissa, koska niiden polaarisissa päissä ei ole varausta.

Niitä on läsnä eläinsolujen plasmamembraaneissa ja erityisen runsaasti myeliinissä, vaipassa, joka ympäröi ja eristää joidenkin neuronien aksoneja.

Neutraalit glykolipidit tai glykosfingolipidit (ilmainen)

glykolipidi Wpcrosson, Wikimedia Commonsista

Niitä löytyy pääasiassa plasmakalvon ulkopinnalta, ja niissä on yksi tai useampia sokereita polaarisena pääryhmänä, joka on kiinnittynyt suoraan keramidiosan hiilen 1 hydroksyyliin. Heillä ei ole fosfaattiryhmiä. Koska pH 7: ssä heillä ei ole varausta, niitä kutsutaan neutraaleiksi glykolipideiksi.

Serebrosideilla on yksi sokerimolekyyli kiinnittyneenä keramidiin. Ne, jotka sisältävät galaktoosia, löytyvät ei-hermostokudossolujen kalvoista. Globosidit ovat glykosfingolipidejä, joissa on kaksi tai useampia sokereita, yleensä D-glukoosi, D-galaktoosi tai N-asetyyli-D-galaktosamiini.

Happaat gangliosidit tai glykosfingolipidit

Gangliosidin GM1 rakenne

Nämä ovat monimutkaisimpia sfingolipidejä. Heillä on oligosakkarideja polaarisessa pääryhmässä ja yksi tai useampi terminaalinen N-asetyylimuraamihappotähde, jota kutsutaan myös sialihapoksi. Siaalhappo antaa gangliosideille negatiivisen varauksen pH: ssa 7, mikä erottaa ne neutraaleista glykosfingolipideistä.

Tämän sfingolipidiluokan nimikkeistö riippuu polaarisen pään oligosakkaridiosassa olevien siaalhappotähteiden määrästä.

Synteesi

Pitkäketjuinen emäsmolekyyli tai sfingosiini syntetisoidaan endoplasmisessa retikulumissa (ER) ja polaarisen ryhmän lisääminen näiden lipidien päähän tapahtuu myöhemmin Golgi-kompleksissa. Nisäkkäissä sphingolipidien synteesi voi tapahtua myös mitokondrioissa.

Kun synteesi on suoritettu loppuun Golgi-kompleksissa, sfingolipidit kuljetetaan muihin soluosastoihin vesikkelin välittämien mekanismien kautta.

Sfingolipidien biosynteesi koostuu kolmesta perustapahtumasta: pitkäketjuisten emästen synteesistä, keramidien biosynteesistä rasvahapon liitoksella amidisidoksen kautta ja lopuksi kompleksisten sfingolipidien muodostumisesta läpi naparyhmien liitosta sfingoidisen emäksen hiilellä 1.

De novo -synteesin lisäksi sfingolipidejä voidaan muodostaa myös vaihtamalla tai kierrättämällä pitkäketjuisia emäksiä ja keramiideja, jotka voivat syöttää sfingolipidialtaita.

Keramidirungon synteesi

Keramidin, sfingolipidien selkärangan biosynteesi alkaa palmitoyyli-CoA-molekyylin ja L-seriinin dekarboksylatiivisella kondensaatiolla. Reaktiota katalysoi heterodimeerinen seriinipalmitoyylitransferaasi (SPT), riippuen pyridoksaalifosfaatista ja tuote on 3-ketodihydrosfingosiini.

P-halo-L-alaniinit ja L-sykloseriinit estävät tätä entsyymiä. Hiivassa sitä koodaavat kaksi geeniä, kun taas nisäkkäissä tätä entsyymiä on kolme geeniä. Aktiivinen kohta sijaitsee endoplasmisen retikulumin sytoplasmisen puolella.

Tämän ensimmäisen entsyymin rooli säilyy kaikissa tutkituissa organismeissa. Taksonien välillä on kuitenkin joitain eroja, jotka liittyvät entsyymin solunsisäiseen sijaintiin: bakteerit ovat sytoplasmisia, hiivat, kasvit ja eläimet endoplasmisessa retikulumissa.

Sen jälkeen NADPH: sta riippuvainen 3-ketosfinganiinireduktaasi pelkistää 3-ketosfiiniganiinia sfganganiinin tuottamiseksi. Dihydrokeramidisyntaasi (sphinganiini-N-asyylitransferaasi) asetyyloi sitten sphinganiinin dihydrokeramidin tuottamiseksi. Keramidi muodostetaan sitten dihydrokeramididesaturaasilla / reduktaasilla, joka asettaa trans-kaksoissidoksen asemaan 4-5.

Nisäkkäissä on lukuisia keramiinisyntaasien isoformeja, joista kukin sitoo tietyn rasvahappoketjun pitkäketjuisiin emäksiin. Siksi keramidisyntaasit ja muut entsyymit, elonkaasut, tarjoavat tärkeimmän monimuotoisuuden lähteen sfingolipidien rasvahapoille.

Spesifinen sfingolipidien muodostuminen

Sfingomyeliini syntetisoidaan siirtämällä fosfoliini fosfatidyylikoliinista kerami- diin, vapauttaen diasyyliglyserolia. Reaktio yhdistää sfingolipidien ja glyserofosfolipidien signalointireitit.

Fosfoetanoliamiiniseramidi syntetisoidaan fosfatidyylietanoliamiinista ja kerami- dista reaktiossa, joka on analoginen sfingomyeliinisynteesin kanssa, ja muodostettuaan sen voidaan metyloida sfingomyeliiniksi. Inositolifosfaattikeramideja muodostetaan transesteröimällä fosfatidyylinositolista.

Glykosfingolipidit modifioidaan pääasiassa Golgi-kompleksissa, jossa spesifiset glykosyylitransferaasientsyymit osallistuvat oligosakkaridiketjujen lisäämiseen keramiidirungon hydrofiiliselle alueelle.

aineenvaihdunta

Sfingolipidien hajoamista suorittavat entsyymit glukohydrolaasit ja sfingomyelinaasit, jotka vastaavat polaaristen ryhmien modifikaatioiden poistamisesta. Toisaalta keramidaasit regeneroivat pitkien ketjujen emäkset keramiideista.

Gangliosidit hajoavat joukko lysosomaalisia entsyymejä, jotka katalysoivat sokeriyksiköiden poistamista askel askeleelta, tuottaen lopulta keramiinin.

Toinen hajoamisreitti koostuu sfingolipidien sisällyttämisestä endosyyttisiin rakkuloihin, jotka lähetetään takaisin plasmamembraaniin tai kuljetetaan lysosomeihin, missä ne hajoavat spesifisillä happohydrolaaseilla.

Kaikkia pitkäketjuisia emäksiä ei kierrätetä, endoplasmisessa retikulumissa on reitti niiden terminaaliseen hajoamiseen. Tämä hajoamismekanismi koostuu fosforyloinnista LCB: ien asyloinnin sijasta, jolloin syntyy signalointimolekyylejä, jotka voivat olla liukoisia substraatteja lysaasientsyymeille, jotka leikkaavat LCB: n fosfaattia asyylialdehydien ja fosfoetanoliamiinin tuottamiseksi.

Säätö

Näiden lipidien metaboliaa säädellään eri tasoilla, yksi niistä on synteesiä vastaavista entsyymeistä, niiden translaation jälkeisistä modifikaatioista ja niiden allosteerisistä mekanismeista.

Jotkut säätelymekanismit ovat soluspesifisiä, joko niiden solukehitysmomenttien hallitsemiseksi, joissa ne tuotetaan, tai vasteena tiettyihin signaaleihin.

Viitteet

1. Bartke, N., & Hannun, Y. (2009). Bioaktiiviset sfingolipidit: Metabolia ja toiminta. Journal of Lipid Research, 50, 19.
2. Breslow, DK (2013). Sfingolipidinen homeostaasi endoplasmisessa reticulumissa ja sen ulkopuolella. Cold Spring Harbor -perspektiivit biologiassa, 5 (4), a013326.
3. Futerman, AH, ja Hannun, YA (2004). Yksinkertaisten sfingolipidien monimutkainen elämä. EMBO Reports, 5 (8), 777-782.
4. Harrison, PJ, Dunn, T., ja Campopiano, DJ (2018). Sfingolipidien biosynteesi ihmisessä ja mikrobissa. Natural Product Reports, 35 (9), 921–954.
5. Lahiri, S., ja Futerman, AH (2007). Sfingolipidien ja glykosfingolipidien metabolia ja toiminta. Cellular and Molecular Life Sciences, 64 (17), 2270–2284.
6. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. painos). Freeman, WH & Company.
7. Luckey, M. (2008). Kalvorakennebiologia: biokemiallisilla ja biofysikaalisilla perusteilla. Cambridge University Press. Haettu osoitteesta www.cambridge.org/9780521856553
8. Merrill, AH (2011). Sfingolipidien ja glykosfingolipidien aineenvaihduntareitit sfingolipidomian aikakaudella. Chemical Reviews, 111 (10), 6387 - 6422.
9. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerin biokemian periaatteet. Omega Editions (5. painos).
10. Vance, JE, ja Vance, DE (2008). Lipidien, lipoproteiinien ja kalvojen biokemia. Julkaisussa New Comprehensive Biochemistry osa 36 (4. painos). Elsevier.