Phospholippid

Phospholipide: Struktur, Funktionen und Wert in der Biologie

I. Molekulare Architektur von Phospholipiden: die Grundlage für Lebensmembranen

Phospholipide sind eine Klasse von Lipiden, die die Hauptstrukturkomponenten von Zellmembranen sind. Ihre einzigartige amphipatische Struktur, die hydrophobe (wasserrepellent) und hydrophile (wasserliebende) Eigenschaften kombiniert, bestimmt die Bildung von Lipidschalen und liefert Barrierefunktion und Organisation von Zellprozessen. Das Verständnis der molekularen Architektur von Phospholipiden bedeutet kritisch, die Struktur und Dynamik biologischer Membranen zu verstehen.

A. Glyceroposfolipide: Der Kern der Membranorganisation

1. Glycerin -Skelett: Glycerin, Drei -Agent -Alkohol, ist die Grundlage von Glycerophospholipiden. Zwei Hydroxylradikale von Glycerin werden mit Fettsäuren entrückt und bilden Dialyglycerin (DAG). Das dritte Hydroxylradikal ist mit einer Phosphatgruppe verbunden. Die Nummerierung von Kohlenstoffatomen in Glycerin ist wichtig für die Identifizierung verschiedener Phospholipide und ihrer Stoffwechselwege (SN-1, SN-2, SN-3).

2. Fettsäuren: hydrophobe “Schwänze”: Fettsäuren, gesättigt oder ungesättigt, sind wichtige hydrophobe Komponenten von Phospholipiden. Normalerweise befindet sich gesättigte Fettsäure in der SN-1-Position und in der SN-2-Position ungesättigt. Die Länge und der Grad der Ungesättigtheit von Fettsäuren beeinflussen die Fluidität der Membranen signifikant.

   • Gesättigte Fettsäuren: Sie enthalten keine doppelten Verbindungen, wodurch sie fest verpackt werden können, wodurch die Steifheit der Membran erhöht wird. Beispiele: Palmitinsäure (16: 0), Stearinsäure (18: 0).

   • Ungesättigte Fettsäuren: Sie enthalten eine oder mehrere Doppelbindungen, die in einer Kohlenstoffkette “Biegungen” erzeugen. Dies verhindert eine dichte Verpackung und erhöht die Fluidität der Membranen. Beispiele: Ölsäure (18: 1), Linolsäure (18: 2), Linolensäure (18: 3), Arachidonsäure (20: 4). Die doppelte Kommunikation ist ebenfalls wichtig, da sie die Konformation des Moleküls bestimmt.

3. Phosphatgruppe: hydrophiler “Kopf”: Die Phosphatgruppe gibt Phospholipide Polarität und die Fähigkeit, mit Wasser zu interagieren. Die Phosphatgruppe wird mit anderen Alkohol weiter tertiert und bildet verschiedene Arten von Glyceropholipiden.

4. Polar -Kopfgruppen: Identitätsdefinition: Verschiedene Alkohole, die mit der Phosphatgruppe assoziiert sind, bestimmen die Besonderheiten von Glyceroposfolipid und ihre Wechselwirkung mit der Umwelt. Zu den Hauptgruppen der Polar Head gehören:

   • Холин (Phosphatidylcholin, PC): Das häufigste Phospholipid in eukaryotischen Zellen. Neutral mit physiologischem pH -Wert aufgeladen. Es ist wichtig für die Struktur von Membranen und Lipidtransport.

   • Ethanolhamin (Phosphatidyletanolamin, PE): Es ist auch häufig, insbesondere in Bakterienmembranen und inneren Mitochondrienmembran. Neutral mit physiologischem pH -Wert aufgeladen, hat jedoch eine kleinere Kopfgruppe, die zur Krümmung der Membran beiträgt.

   • Seren (Phosphhatidylserin, PS): Es trägt eine negative Ladung mit physiologischem pH. Normalerweise lokalisiert auf der internen (Cytosa) Seite der Plasmamembran. Sein Auftreten von außen ist ein Apoptosesignal. Nimmt an Signalspuren teil.

   • Inositol (Phosphatidylinnylinositol, PI): Die Nebenkomponente spielt jedoch eine wichtige Rolle beim Zellalarm. Es kann in verschiedenen Positionen des Inositolrings phosphorisiert werden und bilden Phosphoinositide (PIP, PIP2, PIP3), die Regulatoren der Aktivität vieler Proteine ​​sind.

   • Глицерол (Phosphatidylglycerin, PG): In Bakterienmembranen und innere Mitochondrienmembran enthalten. Ist der Vorgänger von Cardiolipin.

   • Cardiolipin (Diphosphatidylglycerin): Einzigartiges Phospholipid, das zwei durch Glycerin verbundene Phosphatidylllycerinreste enthält. Es befindet sich praktisch ausschließlich in der internen Membran der Mitochondrien, wo es eine Schlüsselrolle bei der Funktionsweise der Atemwege und des Transports von Protonen spielt.

B. Spingolipids: eine alternative Grundlage einer Membranorganisation

Sphingolipide sind zwar seltener als Glycerophospholipide, spielen jedoch eine wichtige Rolle bei Zellmembranen, insbesondere im nervösen Gewebe. Sie unterscheiden sich von Glycerophospholipiden darin, dass ihre Basis Spingosin und nicht Glycerin ist.

1. Sphingosin: Basis Sphingolipid: Sphingosin ist ein Aminodiol, das eine lange Kohlenwasserstoffkette enthält. Es wird aus Palmitoil-CoA und Serina gebildet.

2. Ceramid: Schlüssel Gesprächspartner: Ceramid wird durch N-akadilierter Spingosin mit Fettsäure gebildet. Ceramid ist ein zentrales Stoffwechsel für alle anderen Sphingolipide.

3. Sphinghomeelin: Phosphocholin -haltiges Sphingolipid: Das Sphinggomelin wird gebildet, indem sich die Phosphocholin -Kopfgruppe zu Ceramid verbindet. Es ist das Hauptphospholipid in der Myelinmembran von Nervenzellen, die die Isolierung und das schnelle Verhalten von Nervenimpulsen sicherstellen.

4. Glicosfingholipide: Zuckerspuren auf der Oberfläche der Zellen: Glicosfingholipide enthalten einen oder mehrere mit Ceramid verbundene Zucker. Sie sind außerhalb der Plasmamembran lokalisiert und spielen eine Rolle bei der zellulären Erkennung, interzellulären Wechselwirkung und Immunreaktionen. Wichtige Beispiele:

   • Cerebroside: Enthalten ein Zuckermolekül (Glukose oder Galactose).

   • Ganglioziden: Sie enthalten eine Oligosaccharidkette, die eine oder mehrere Sialinsäuremoleküle (N-Acetyleraminsäure, Nana) enthält. Ganglioside spielen eine wichtige Rolle im Nervensystem und nehmen an verschiedenen Signalverfahren teil.

Ii. Physikalisch-chemische Eigenschaften und Struktur von Membranen

Die amphipatische Natur von Phospholipiden führt zu ihrer Selbstorganisation in der aquatischen Umgebung und bildet verschiedene Strukturen wie Mizellen, Liposomen und vor allem Lipidbehälter, die die Grundlage biologischer Membranen sind.

A. Bildung von Lipidbilage:

1. Hydrophobe Wirkung: Hydrophobe “Schwänze” von Phospholipiden bemühen sich, Kontakt mit Wasser zu vermeiden, was zu ihrer Selbstassoziation führt.

2. Van-der-Valsov-Interaktion: Schwache Van-Der-Valsov-Wechselwirkung zwischen Kohlenwasserstoffketten von Fettsäuren stabilisieren die Struktur der Kaution.

3. Hydrophile Wechselwirkungen: Polare Kopfgruppen von Phospholipiden interagieren mit Wasser durch Wasserstoffverbindungen und elektrostatische Wechselwirkungen.

4. Lipida Bilage als zweidimensionale Flüssigkeit: Phospholipide in Bilase können laterale Diffusion, Rotation und flexible Bewegungen von Kohlenwasserstoffketten in der Lage sind. Dies gibt der Membran die Fluidität, die für viele zelluläre Prozesse erforderlich ist.

B. Faktoren, die die Fluidität der Membranen beeinflussen:

1. Temperatur: Ein Temperaturanstieg erhöht die Fluidität der Membran und die Abnahme verringert sich.

2. Die Länge der Fettsäuren: Große Fettsäuren erhöhen die Fluidität der Membranen.

3. Der Grad der Ungesättigtheit von Fettsäuren: Eine größere Menge an Doppelbindungen in Fettsäuren erhöht die Fluidität der Membranen.

4. Cholesteringehalt: Das Cholesterinspiegel, Steroidlipid, beeinflusst die Fluidität der Membranen je nach Temperatur auf unterschiedliche Weise. Bei hohen Temperaturen stabilisiert es die Membran und verringert ihre Fluidität. Bei niedrigen Temperaturen verhindert das Einfrieren der Membran und erhöht ihre Fließfähigkeit.

C. Lipidflöße: Die Organisation von Membranen im Mikrodom:

Lipidflöße sind Mikrodomänen in der mit Sphingolipiden, Cholesterin und bestimmten Proteinen angereicherten Membran. Sie sind durch größere Ordnung und Dichte gekennzeichnet als die umgebenden Abschnitte der Membran. Lipidflöße sind an der Organisation von Membranproteinen, Signaltransduktion und vesikulärem Transport beteiligt.

D. Asymmetrie der Membran:

Die Lipidzusammensetzung der inneren und äußeren Seiten der Plasmamembran unterscheidet sich. Diese Asymmetrie wird durch spezielle Enzyme wie Flippase, Floppase und Scramblase unterstützt.

• Flippase: Fospholipide von außen der Membran bis zum inneren (erfordern ATP). Spezifisch für bestimmte Phospholipide, beispielsweise Phosphatidylserin (PS) und Phosphatidydinolamin (PE).
• Floppase: Fospholipide werden von der Innenseite der Membran auf die Außenübertragung übertragen (erfordern ATP).
• Skramblazes: Sie übertragen Phospholipide in beide Richtungen der Membran und stimmen ihre Konzentration aus (benötigen Sie keine ATP).

Asymmetrie ist wichtig für Zellalarm, Apoptose und andere zelluläre Prozesse.

III. Funktionen von Phospholipiden: von der Struktur zur Regulation

Phospholipide führen viele Funktionen in einer Zelle aus, die über die einfache Bildung der Struktur der Membran hinausgehen. Sie nehmen an Zellalarm, vesikulärem Transport, Aktivierung von Enzymen und Regulation der Apoptose teil.

A. Die Rolle bei der Bildung von Zellmembranen:

Phospholipide sind die Hauptstrukturkomponenten aller Zellmembranen, einschließlich der Plasmamembran, der Organellenmembran (Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum, Golji -Apparat, Lysosa usw.) und Kernmembran. Durch Phospholipiden gebildete Lipidbelage liefert eine Barrierefunktion und trennt die innere Umgebung der Zelle von der Außenseite. Es dient auch als Matrix zum Einbetten von Membranproteinen, die verschiedene Funktionen wie Transport, Empfang und Katalyse ausführen.

B. Teilnahme am Zellalarm:

Einige Phospholipide, insbesondere Phosphoinositide, spielen eine Schlüsselrolle beim Zellalarm. Sie können durch Kinasen phosphoryliert werden und verschiedene Phosphoinositide bilden (PIP, PIP2, PIP3), die mit verschiedenen Proteinen assoziiert sind und ihre Aktivität regulieren.

1. Phospholipase C (SPS): SPS hydrolysiert das PIP2 mit der Bildung von Inositrifosphat (IP3) und Dialyglycerin (DAG), die sekundäre Boten sind. IP3 verursacht die Freisetzung von Ca2+ aus endoplasmatischem Retikulum, und DAG aktiviert Proteinquin C (PKC).

2. Phosphinositid-3-Chinase (PI3K): PI3K -Phosphorylisten PIP2 mit der Bildung von PIP3, einem wichtigen Signallipid, das das Zellwachstum, die Proliferation, das Überleben und den Stoffwechsel reguliert. PIP3 rekruiert Proteine, die die pH -Domäne (Pleckstrin -Homologie) wie Akt (Proteinquinase B) zur Plasmamembran enthalten.

3. Arachidonsäure und Eicosanoide: Die Phospholipide der Plasmamembran sind eine Quelle für Arachidonsäure, die unter dem Einfluss von Phospholipase A2 (PLA2) freigesetzt wird. Arachidonsäure ist der Vorläufer von Eicosanoiden (Prostaglandine, Thromboxans, Leukotriene), die an entzündlichen Reaktionen, Schmerzen und anderen physiologischen Prozessen beteiligt sind.

C. Die Rolle beim vesikulären Transport:

Phospholipide spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung und Fusion von Vesikeln, die den Transport von Substanzen zwischen verschiedenen Zellen der Zelle sowie zwischen der Zelle und der externen Umgebung vermitteln.

1. Lipidzusammensetzung der Membran -Vesikel: Die Lipidzusammensetzung der Membran -Vesikel bestimmt ihre gezielte und wechselwirkende Wechselwirkung mit anderen Membranen. Zum Beispiel rekrutieren spezifische Phosphoinositide Proteine, die an der Bildung von Vesikeln und deren Abgabe an das Ziel beteiligt sind.

2. Membrankrümmung: Phospholipide mit einer konischen Form wie Phosphatidydinolamin (PE) und Cardiolipin tragen zur Bildung der Krümmung der Membran bei, die für die Bildung von Vesikeln erforderlich ist. Balkenproteine ​​(Bin/Amphiphysin/RVs) beteiligen sich ebenfalls an der Bildung der Krümmung der Membran.

3. Fusionen der Membran: Der Zusammenschluss der Vesicula mit der Zielmembran erfordert spezifische Proteine, wie Snare (lösche n -thylmaleimid -sensitive Ottachment -Proteinrezeptor) Proteine. Phospholipide spielen auch eine Rolle bei der Fusion von Membranen und bieten optimale Bedingungen für die Wechselwirkung von Snare -Proteinen.

D. Vorschriften Apoptoza:

Phosphatidylserin (PS) ist normalerweise auf der Innenseite der Plasmamembran lokalisiert. Während der Apoptose bewegt sich PS unter dem Einfluss von Scrapblase und hemmender Flippase an die Außenseite der Membran. PS an der Außenseite der Membran ist ein Signal für Phagozyten, die eine apoptotische Zelle absorbieren. PS kann auch mit verschiedenen Proteinen interagieren, die an Apoptose beteiligt sind.

E. Aktivierung von Enzymen:

Einige Enzyme benötigen bestimmte Phospholipide für ihre Aktivität. Beispielsweise wird Proteinquinase C (PKC) durch Dialyglycerin (DAG) und Phosphatidylserin (PS) aktiviert. Cardiolipin ist für die optimale Aktivität vieler Enzyme erforderlich, die an der oxidativen Phosphorylierung in Mitochondrien beteiligt sind.

Iv. Metabolismus von Phospholipiden: Synthese und Abbau

Der Metabolismus von Phospholipiden ist ein komplexer Prozess, der die Synthese, die Modifikation und den Abbau von Phospholipiden umfasst. Dieser Prozess ist streng reguliert und notwendig, um die Struktur und Funktion von Zellmembranen sowie zur Teilnahme von Phospholipiden an Zellalarm aufrechtzuerhalten.

A. Syntheseglycerophospholipid:

Die Synthese von Glycerophospholipiden tritt im endoplasmatischen Retikulum (ER) auf und beginnt mit Glycerin-3-phosphat.

1. Synthesephosphation Aciset (PA): Glycerin-3-phosphat wird von zwei Fettsäuremolekülen angewendet, die Phosphatidsäure (PA) bilden. Dieses Verfahren wird durch Glycerin-3-phosphat aziltransaea (gpat) und 1-acilglilicerol-3-phosphat aciltransferara (AGPAT) katalysiert.

2. Cardiolipin -Synthese (CL): Cardiolipin wird aus Phosphatidylglycerol (PG) und Citididindyfhospatdiagcerol (CDP-DAG) in der inneren Membran von Mitochondrien synthetisiert.

3. Synthese von Phosphatidylcholin (PC) und Phosphatidydanolamin (PE): PA wird mit der Bildung von Dialyglycerin (DAG) verteilt. Dann interagiert die DAG mit einem CDP-Cholin oder CDP-Ethanolamin und bzw. einen PC bzw. PE. Die PC -Synthese kann auch durch Methylierung PE auftreten.

4. Synthese -Phosphatidylserin (PS): PS wird durch Austausch der Kopfgruppe zwischen PC oder PE und Serin synthetisiert.

5. Synthese von Phosphatidylosit (PI): PI wird aus CDP-DAG und Inositol synthetisiert.

B. Sphingolipid -Synthese:

Die Synthese von Sphingolipiden beginnt in ER mit der Kondensation von Palmitoil-CoA und Seren, die eine 3-Cutosfinganische bilden.

1. Ceramidsynthese: Das 3-Ketosfinganin wird in Digidrosfingosin restauriert, das dann durch Fettsäure mit der Bildung von Dihydroceumrais angewendet wird. Dihydroceramide wird mit der Bildung von Ceramid injiziert.

2. Synthese Sphingomielina (SM): Das Sphinghomeelin wird gebildet, indem die Phosphocholin -Kopfgruppe von PC auf Ceramid übertragen wird.

3. Synthese von g. Glicosfingholipide werden synthetisiert, indem Ceramid im Golgi -Apparat zu Zuckern hinzugefügt wird.

C. Abbauphospholipid:

Der Abbau von Phospholipiden wird durch verschiedene Phospholipasen (PLA1, PLA2, PLC, PLD) katalysiert, die bestimmte Verbindungen im Phospholipidmolekül hydrolysiert. Die Abbauprodukte von Phospholipiden können erneut verwendet werden, um neue Phospholipide zu synthetisieren oder an anderen Stoffwechselpfaden teilzunehmen.

D. Regulation des Metabolismus von Phospholipiden:

Der Metabolismus von Phospholipiden wird durch verschiedene Faktoren reguliert, einschließlich Hormonen, Wachstumsfaktoren und Signalwegen. Beispielsweise stimuliert Insulin die Synthese von Phospholipiden, und Wachstumsfaktoren aktivieren PI3K, was zu einer Zunahme der Synthese von Phosphoinositiden führt.

V. Phospholipide und Gesundheit: Kommunikation mit Krankheiten

Verstöße gegen den Stoffwechsel von Phospholipiden sind mit verschiedenen Krankheiten verbunden, einschließlich neurodegenerativer Erkrankungen, kardiovaskulären Erkrankungen, Krebs und Stoffwechselstörungen.

A. Neurodegenerative Erkrankungen:

1. Alzheimer -Krankheit: Verstöße gegen den Stoffwechsel von Sphingolipiden, insbesondere Ganglioside, sind mit der Entwicklung der Alzheimer -Krankheit verbunden. Die Akkumulation von Amyloid-β stört die Funktion der Membranen und kann zu Neurodegeneration führen.

2. Parkinson -Krankheit: Verstöße gegen den Metabolismus von Phospholipiden in Mitochondrien, insbesondere Cardiolipin, sind mit der Entwicklung der Parkinson -Krankheit verbunden. Die Beschädigung der Mitochondrien führt zu einer Abnahme des Energiestoffwechsels und dem Tod von Neuronen.

B. Herz -Kreislauf -Erkrankungen:

1. Atherosklerose: Verstöße gegen den Metabolismus von Phospholipiden in Lipoproteinen, insbesondere bei Lipoproteinen mit niedriger Dichte (LDL), sind mit der Entwicklung einer Atherosklerose verbunden. Oxidierte LDL akkumulieren in den Wänden von Arterien, was zu Entzündungen und Bildung von atherosklerotischen Plaques führt.

2. Herzinsuffizienz: Störungen im Stoffwechsel von Cardiolipin in Mitochondrien von Kardiomyozyten sind mit der Entwicklung von Herzinsuffizienz verbunden. Eine Abnahme der Cardiolipinspiegel führt zu einer Beeinträchtigung der Mitochondrienfunktion und einer Abnahme der kontraktilen Fähigkeit des Herzens.

C. Krebs:

Phospholipide spielen eine wichtige Rolle bei Wachstum, Proliferation und Metastasierung von Krebszellen.

1. Phosphoinositid-3-Kinaza (PI3K) und Akt: Die Aktivierung des PI3K/AKT -Signalweges ist ein häufiges Phänomen für Krebs. Dieser Weg stimuliert das zelluläre Wachstum, das Überleben und den Stoffwechsel.

2. Phospholipase D (PLD): PLD ist an der Regulation der Zellproliferation, Migration und Angiogenese beteiligt, die zum Wachstum und der Metastasierung von Krebszellen beiträgt.

3. Lipidflöße: Lipidflöße spielen eine Rolle bei der Organisation von Wachstumsrezeptoren und anderen Signalproteinen in der Krebsmembran.

D. Stoffwechselstörungen:

1. Typ 2 Diabetes: Verstöße gegen den Metabolismus von Phospholipiden in Leber und Muskelgewebe sind mit der Entwicklung der Insulinresistenz bei Typ -2 -Diabetes verbunden.

2. Nicht -alkoholische Fettlebererkrankung (NAZBP): Die Akkumulation von Triglyceriden in der Leber während der PLA ist mit Verstößen gegen den Metabolismus von Phospholipiden und eine Abnahme der Lipoprotein -Synthese der sehr niedrigen Dichte (VLDL) verbunden.

Vi. Methoden zur Untersuchung von Phospholipiden: Von der Extraktion zur Analyse der Struktur

Um die Struktur, Funktion und den Metabolismus von Phospholipiden zu untersuchen, werden verschiedene Methoden verwendet, einschließlich Extraktion, Chromatographie, Massenspektrometrie und fluoreszierender Mikroskopie.

A. Lipidextraktion:

Lipide werden aus biologischen Proben unter Verwendung von organischen Lösungsmitteln wie Chloroform, Methanol und Butanol extrahiert.

1. Blayy-Dyera-Methode: Die Blayy-Dyeer-Methode ist die häufigste Methode zur Lipidtraktion und basiert auf der Verwendung einer Mischung aus Chloroform, Methanol und Wasser.

2. Folienextraktion: Die Folienextraktion wird auch zum Extrahieren von Lipiden verwendet und basiert auf der Verwendung einer Mischung aus Chloroform und Methanol.

B. Chromatographie:

Chromatographie wird verwendet, um verschiedene Phospholipide zu trennen.

1. Dünn -Layer -Chromatographie (TSC): TSH ist eine einfache und kostengünstige Methode zur Trennung von Lipiden basierend auf ihrer Polarität.

2. Hochwirksame Flüssigchromatographie (Vezh): Weehh bietet eine höhere Auflösung und Empfindlichkeit als TSH. Eine Kombination mit Massenspektrometrie (VezH-MS) ist möglich.

3. Gaschromatographie (GH): GH wird verwendet, um Fettsäuren nach ihren Derivaten zu analysieren.

C. Massenspektrometrie:

Die Massenspektrometrie (MS) wird verwendet, um die Bestimmung von Phospholipiden zu identifizieren und zu quantitativer Bestimmung.

1. Massenspektrometrie mit elektrischer Ionisation (ESI-MS): ESI-MS ist eine weiche Ionisationsmethode, mit der Sie Phospholipide ohne ihre Fragmentierung analysieren können.

2. Massenspektrometrie mit Matrix-aktivierter Laserdesorption/Ionisation (MALDI-MS): MALDI-MS wird verwendet, um Lipide direkt aus Geweben und Zellen zu analysieren.

D. Fluoreszenzmikroskopie:

Fluoreszenzmikroskopie wird verwendet, um Phospholipide in Zellen und Geweben zu visualisieren.

1. Fluoreszenzsonden: Fluoreszierende Sonden, insbesondere mit bestimmten Phospholipiden, ermöglichen es Ihnen, ihre Lokalisierung und Dynamik in der Zelle zu visualisieren.

2. Konfokale Mikroskopie: Mit der konfokalen Mikroskopie können Sie hochauflösende Bilder in drei Dimensionen erhalten.

3. Mikroskopie mit fluoreszierender Erholung nach dem Fotothotchen (FRAP): FRAP wird verwendet, um die Dynamik von Phospholipiden in Membranen zu untersuchen.

E. Molekulare Modellierung:

Die molekulare Modellierung wird verwendet, um die Struktur und Dynamik von Lipid durch Shels und die Wechselwirkung von Phospholipiden mit Proteinen zu untersuchen. Mit der Modellierung können Sie Informationen über die Struktur und Dynamik erhalten, die schwer experimentelle Methoden zu erhalten.