Jaké jsou primární funkce fosfolipidů?

Fosfolipidy převládají v buňkách bakterií a eukaryot. Jsou to molekuly vyrobené z fosfátové hlavy a lipidového ocasu. Hlava je považována za vodu milující nebo hydrofilní, zatímco ocas je hydrofobní nebo odpuzuje vodu. Fosfolipidy se proto nazývají amfifilní. Kvůli této dvojí povaze fosfolipidů se mnoho typů ve vodním prostředí uspořádá do dvou vrstev. Toto se nazývá fosfolipidová dvojvrstva. K syntéze fosfolipidů dochází primárně v endoplazmatickém retikulu. Mezi další oblasti biosyntézy patří Golgiho aparát a mitochondrie. Fosfolipidy fungují uvnitř buněk různými způsoby.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Fosfolipidy jsou molekuly s hydrofilními fosfátovými hlavami a hydrofobními lipidovými konci. Zahrnují buněčné membrány, regulují určité buněčné procesy a mají jak stabilizační, tak dynamické vlastnosti, které mohou napomáhat při dodávání léčiva.

Fosfolipidy poskytují bariéry v buněčných membránách k ochraně buňky a vytvářejí bariéry pro organely v těchto buňkách. Fosfolipidy zajišťují cesty různých látek přes membrány. Membránové proteiny studují fosfolipidovou dvojvrstvu; tyto reagují na buněčné signály nebo působí jako enzymy nebo transportní mechanismy pro buněčnou membránu. Fosfolipidová dvojvrstva snadno umožňuje esenciální molekuly, jako je voda, kyslík a oxid uhličitý procházet membránou, ale velmi velké molekuly nemohou tímto způsobem vstoupit do buňky nebo nemusí být schopné Všechno. S touto kombinací fosfolipidů a proteinů se říká, že buňka je selektivně propustná a umožňuje pouze určité látky volně a jiné prostřednictvím složitějších interakcí.

Fosfolipidy poskytují strukturu buněčným membránám, což zase udržuje organizované organely a rozdělena tak, aby pracovala efektivněji, ale tato struktura také pomáhá v pružnosti membrán a tekutost. Některé fosfolipidy indukují negativní zakřivení membrány, zatímco jiné indukují pozitivní zakřivení v závislosti na jejich složení. Proteiny také přispívají k zakřivení membrány. Fosfolipidy se mohou také translokovat přes membrány, často pomocí speciálních proteinů, jako jsou flippázy, floppázy a scramblasy. Fosfolipidy také přispívají k povrchovému náboji membrán. I když fosfolipidy přispívají ke stabilitě, jejich fúzi a štěpení, pomáhají také při přepravě materiálů a signálů. Fosfolipidy proto vytvářejí membrány vysoce dynamické, spíše než jednoduché dvouvrstvé bariéry. A zatímco fosfolipidy přispívají více než se původně myslelo k různým procesům, zůstávají stabilizátory buněčných membrán napříč druhy.

Díky lepší technologii jsou vědci schopni vizualizovat některé fosfolipidy v živých buňkách pomocí fluorescenčních sond. Další metody k objasnění funkčnosti fosfolipidů zahrnují použití knockout druhů (jako jsou myši), které mají nadměrně exprimované lipid modifikující enzymy. To pomáhá pochopit více funkcí pro fosfolipidy.

Fosfolipidy mají aktivní roli kromě vytváření dvojvrstev. Fosfolipidy udržují gradient chemických a elektrických procesů, aby zajistily přežití buněk. Jsou také nezbytné pro regulaci exocytózy, chemotaxe a cytokineze. Některé fosfolipidy hrají roli ve fagocytóze a pracují na obklopení částic za vzniku fagozomů. Fosfolipidy také přispívají k endocytóze, což je tvorba vakuol. Tento proces zahrnuje vazbu membrány kolem částic, prodloužení a nakonec štěpení. Výsledné endosomy a fagozomy zase mají své vlastní lipidové dvojvrstvy.

Fosfolipidy regulují buněčné procesy spojené s růstem, synaptickým přenosem a imunitním dohledem.

Další funkcí fosfolipidů je shromažďování cirkulujících lipoproteinů. Tyto proteiny hrají zásadní roli v transportu lipofilních triglyceridů a cholesterolů v krvi.

Fosfolipidy také fungují jako emulgátory v těle, například když jsou smíchány s cholesterolem a žlučovou kyselinou ve žlučníku a vytvářejí micely pro absorpci mastných látek. Fosfolipidy také hrají roli zvlhčování povrchů, jako jsou klouby, alveoly a další části těla vyžadující plynulý pohyb.

Fosfolipidy v eukaryotech jsou vytvářeny v mitochondriích, endosomech a endoplazmatickém retikulu (ER). Většina fosfolipidů se vyrábí v endoplazmatickém retikulu. V ER se fosfolipidy používají při nevesikulárním transportu lipidů mezi ER a jinými organelami. V mitochondriích hrají fosfolipidy řadu rolí pro buněčnou homeostázu a mitochondriální fungování.

Fosfolipidy, které netvoří dvojvrstvy, pomáhají při fúzi a ohýbání membrány.

Nejčastějšími fosfolipidy u eukaryot jsou glycerofosfolipidy, které mají glycerolovou kostru. Mají hlavní skupinu, hydrofobní postranní řetězce a alifatické řetězce. Hlavní skupina těchto fosfolipidů se může lišit v chemickém složení, což vede k různým odrůdám fosfolipidů. Struktury těchto fosfolipidů se pohybují od válcových přes kónické až po nepřímo kónické a jejich funkce se liší. Pracují s cholesterolem a sfingolipidy na podporu endocytózy, tvoří lipoproteiny, používají se jako povrchově aktivní látky a jsou hlavní složkou buněčných membrán.

Kyselina fosfatidová (PA), nazývaná také fosfatidát, obsahuje pouze malé procento fosfolipidů v buňkách. Je to nejzákladnější fosfolipid a slouží jako předchůdce dalších glycerofosfolipidů. Má kuželovitý tvar a může mít za následek zakřivení membrán. PA podporuje mitochondriální fúzi a štěpení a je nezbytný pro metabolismus lipidů. Váže se na protein Rac, spojený s chemotaxí. Rovněž se předpokládá, že interaguje s mnoha dalšími proteiny kvůli své aniontové povaze.

Fosfatidylcholin (PC) je fosfolipid v největším množství a tvoří až 55 procent celkových lipidů. PC je ion známý jako zwitterion, má tvar válce a je známý pro tvorbu dvojvrstev. PC slouží jako komponentní substrát pro generování acetylcholinu, rozhodujícího neurotransmiteru. PC lze převést na jiné lipidy, jako jsou sfingomyeliny. PC také slouží jako povrchově aktivní látka v plicích a je součástí žluči. Jeho obecnou úlohou je stabilizace membrány.

Fosfatidylethanolamin (PE) je také poměrně hojný, ale je poněkud kuželovitý a nemá tendenci tvořit dvojvrstvy. Obsahuje až 25 procent fosfolipidů. Je hojný ve vnitřní membráně mitochondrií a mohou jej vytvářet mitochondrie. PE má ve srovnání s PC relativně menší hlavní skupinu. PE je známá pro makroautofagii a pomáhá při fúzi membrán.

Kardiolipin (CL) je kónicky tvarovaný fosfolipidový dimer a je hlavním nevrstvým fosfolipidem nacházejícím se v mitochondriích, které jsou jedinými organelami, z nichž se CL vyrábí. Kardiolipin se nachází především na vnitřní mitochondriální membráně a ovlivňuje aktivitu proteinů v mitochondriích. Tento fosfolipid bohatý na mastné kyseliny je nezbytný pro funkčnost komplexů mitochondriálních dýchacích řetězců. CL tvoří významné množství srdečních tkání a nachází se v buňkách a tkáních, které vyžadují vysokou energii. CL pracuje na přilákání protonů k enzymu nazývanému ATP syntáza. CL také pomáhá při signalizaci buněčné smrti apoptózou.

Fosfatidylinositol (PI) tvoří až 15 procent fosfolipidů nalezených v buňkách. PI se nachází v mnoha organelách a jeho hlavní skupina může podstoupit reverzibilní změny. PI funguje jako předchůdce, který pomáhá při přenosu zpráv v nervovém systému a také při přenosu membrán a cílení na proteiny.

Fosfatidylserin (PS) obsahuje až 10 procent fosfolipidů v buňkách. PS hraje významnou roli při signalizaci uvnitř i vně buněk. PS pomáhá nervovým buňkám fungovat a reguluje vedení nervových impulzů. Vlastnosti PS v apoptóze (spontánní smrt buněk). PS také zahrnuje destičkové membrány, a proto hraje roli při srážení.

Fosfatidylglycerol (PG) je prekurzorem bis (monoacylglycero) fosfátu nebo BMP, který je přítomen v mnoha buňkách a je potenciálně nezbytný pro transport cholesterolu. BMP se nachází hlavně v buňkách savců, kde tvoří zhruba 1 procento fosfolipidů. BMP se vyrábí primárně v multivezikulárních tělech a předpokládá se, že indukuje pučení dovnitř membrány.

Sfingomyelin (SM) je další forma fosfolipidu. SM jsou důležité pro složení membrán živočišných buněk. Zatímco páteří glycerofosfolipidů je glycerol, páteří sfingomyelinů je sfingosin. Dvojvrstvy SM fosfolipidů reagují odlišně na cholesterol a jsou více stlačené, ale mají sníženou propustnost pro vodu. SM zahrnuje lipidové rafty, stabilní nanodomény v membránách, které jsou důležité pro třídění membrán, signální transdukci a transport proteinů.

Fosfolipidová dysfunkce vede k řadě poruch, jako je Charcot-Marie-Toothova periferní neuropatie, Scottův syndrom a abnormální lipidový katabolismus, který je spojen s několika nádory.

Genetické poruchy způsobené genovými mutacemi mohou vést k dysfunkcím biosyntézy a metabolismu fosfolipidů. Ukazuje se, že jsou docela výrazné u poruch souvisejících s mitochondriemi.

V mitochondriích je zapotřebí účinné lipidové sítě. Fosfolipidy kardiolipin, kyselina fosfatidová, fosfatidylglycerol a fosfatidylethanolamin - všechny hrají klíčovou roli při udržování membrány mitochondrií. Mutace genů, které ovlivňují tyto procesy, někdy vedou ke genetickým chorobám.

U Barthova syndromu (BTHS) s mitochondriální chorobou spojenou s X patří mezi stavy snížená slabost kosterních svalů růst, únava, zpoždění motoru, kardiomyopatie, neutropenie a 3-methylglutakonová acidurie, potenciálně fatální choroba. Tito pacienti vykazují defektní mitochondrie, které mají snížené množství fosfolipidového CL.

Dilatovaná kardiomyopatie s ataxií (DCMA) se projevuje časným nástupem dilatační kardiomyopatie, ataxie mozek, který není progresivní (ale vede k motorickým zpožděním), porucha růstu a další stavy. Toto onemocnění je výsledkem funkčních problémů s genem, který pomáhá regulovat remodelaci CL a biogenezi mitochondriálních proteinů.

Syndrom MEGDEL se projevuje jako autozomálně recesivní porucha s encefalopatií, určitou formou hluchoty, motorickými a vývojovými prodlevami a dalšími stavy. V postiženém genu má prekurzor fosfolipidu CL, PG, změněný acylový řetězec, který zase mění CL. Navíc genové defekty snižují hladinu fosfolipidového BMP. Vzhledem k tomu, že BMP reguluje regulaci a obchodování s cholesterolem, jeho snížení vede k hromadění neesterifikovaného cholesterolu.

Vzhledem k tomu, že se vědci dozvědí více o úloze fosfolipidů a jejich důležitosti, doufáme, že bude možné učinit nové terapie k léčbě nemocí, které jsou výsledkem jejich dysfunkce.

Biokompatibilita fosfolipidů z nich činí ideální kandidáty na systémy pro dodávání léčiv. Jejich amfifilní (obsahující jak vodu milující, tak vodu nenávidící komponenty) pomáhá při vlastní montáži a vytváření větších struktur. Fosfolipidy často tvoří liposomy, které mohou nést léky. Fosfolipidy také slouží jako dobré emulgátory. Farmaceutické společnosti si mohou vybrat fosfolipidy z vajec, sójových bobů nebo uměle vytvořených fosfolipidů, které pomáhají při podávání léků. Umělé fosfolipidy mohou být vyrobeny z glycerofosfolipidů změnou skupin hlavy nebo ocasu nebo obou. Tyto syntetické fosfolipidy jsou stabilnější a čistší než přírodní fosfolipidy, ale jejich náklady mají tendenci být vyšší. Množství mastných kyselin v přírodních nebo syntetických fosfolipidech ovlivní jejich účinnost zapouzdření.

Fosfolipidy mohou vytvářet liposomy, speciální vezikuly, které mohou lépe odpovídat struktuře buněčné membrány. Tyto liposomy pak slouží jako nosiče léčiv buď pro hydrofilní nebo lipofilní léčiva, léčiva s řízeným uvolňováním a další činidla. Liposomy vyrobené z fosfolipidů se často používají v lécích proti rakovině, genové terapii a vakcínách. Liposomy mohou být vyrobeny tak, aby byly vysoce specifické pro podávání léčiv tím, že se budou podobat buněčné membráně, kterou potřebují procházet. Obsah fosfolipidů v liposomech lze změnit na základě místa cíleného onemocnění.

Díky emulgačním vlastnostem fosfolipidů jsou ideální pro emulze pro intravenózní injekci. K tomuto účelu se často používají vaječné žloutky a emulze fosfolipidů ze sójových bobů.

Pokud mají léky špatnou biologickou dostupnost, mohou být někdy použity přírodní flavonoidy k vytvoření komplexů s fosfolipidy, což napomáhá absorpci léčiva. Tyto komplexy mají sklon poskytovat stabilní léky s delším účinkem.

Jak pokračující výzkum přináší více informací o stále užitečnějších fosfolipidech, věda ano těžit ze znalostí pro lepší pochopení buněčných procesů a pro lepší cílení léky.