Was sind die Hauptfunktionen von Phospholipiden?

Phospholipide sind in den Zellen von Bakterien und Eukaryoten weit verbreitet. Sie sind Moleküle aus einem Phosphatkopf und einem Lipidschwanz. Der Kopf gilt als wasserliebend oder hydrophil, während der Schwanz hydrophob oder wasserabweisend ist. Phospholipide werden daher als amphiphil bezeichnet. Aufgrund dieser dualen Natur von Phospholipiden ordnen sich viele Arten in einer wässrigen Umgebung in zwei Schichten an. Dies wird als Phospholipid-Doppelschicht bezeichnet. Die Phospholipidsynthese findet hauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum statt. Weitere Bereiche der Biosynthese sind der Golgi-Apparat und die Mitochondrien. Phospholipide funktionieren auf verschiedene Weise innerhalb von Zellen.

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Phospholipide sind Moleküle mit hydrophilen Phosphatköpfen und hydrophoben Lipidschwänzen. Sie umfassen Zellmembranen, regulieren bestimmte Zellprozesse und besitzen sowohl stabilisierende als auch dynamische Eigenschaften, die bei der Wirkstoffabgabe helfen können.

Phospholipide bieten Barrieren in Zellmembranen, um die Zelle zu schützen, und sie bilden Barrieren für die Organellen innerhalb dieser Zellen. Phospholipide arbeiten, um Wege für verschiedene Substanzen durch Membranen bereitzustellen. Membranproteine ​​bedecken die Phospholipid-Doppelschicht; diese reagieren auf Zellsignale oder fungieren als Enzyme oder Transportmechanismen für die Zellmembran. Die Phospholipid-Doppelschicht ermöglicht es essentiellen Molekülen wie Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxid, die Membran passieren, aber sehr große Moleküle können auf diese Weise nicht in die Zelle eindringen oder können nicht in die Zelle eindringen alle. Bei dieser Kombination aus Phospholipiden und Proteinen soll die Zelle selektiv permeabel sein, indem sie nur bestimmte Stoffe frei einlässt und andere über komplexere Wechselwirkungen.

Phospholipide strukturieren die Zellmembranen, die wiederum die Organellen organisieren und geteilt, um effizienter zu arbeiten, aber diese Struktur trägt auch zur Flexibilität der Membranen bei und Flüssigkeit. Einige Phospholipide führen je nach Zusammensetzung zu einer negativen Krümmung einer Membran, während andere eine positive Krümmung induzieren. Proteine ​​tragen auch zur Membrankrümmung bei. Phospholipide können auch durch Membranen translozieren, oft durch spezielle Proteine ​​wie Flippasen, Floppasen und Scramblases. Phospholipide tragen ebenfalls zur Oberflächenladung von Membranen bei. Während Phospholipide also zur Stabilität, ihrer Fusion und ihrer Spaltung beitragen, helfen sie auch beim Transport von Materialien und Signalen. Phospholipide machen Membranen daher eher dynamisch als einfache Doppelschichtbarrieren. Und obwohl Phospholipide zu verschiedenen Prozessen mehr beitragen als ursprünglich angenommen, bleiben sie artenübergreifend die Stabilisatoren der Zellmembranen.

Mit besserer Technologie sind Wissenschaftler in der Lage, einige Phospholipide in lebenden Zellen über fluoreszierende Sonden sichtbar zu machen. Andere Verfahren zur Aufklärung der Phospholipidfunktionalität umfassen die Verwendung von Knockout-Spezies (wie Mäusen), die überexprimierte Lipid-modifizierende Enzyme besitzen. Dies hilft beim Verständnis weiterer Funktionen für Phospholipide.

Phospholipide spielen neben der Bildung von Doppelschichten eine aktive Rolle. Phospholipide halten einen Gradienten von chemischen und elektrischen Prozessen aufrecht, um das Überleben der Zellen zu gewährleisten. Sie sind auch essentiell für die Regulierung von Exozytose, Chemotaxis und Zytokinese. Einige Phospholipide spielen eine Rolle bei der Phagozytose und arbeiten daran, Partikel zu umgeben, um Phagosomen zu bilden. Phospholipide tragen auch zur Endozytose bei, also der Bildung von Vakuolen. Der Prozess beinhaltet das Binden der Membran um die Partikel, die Dehnung und schließlich die Spaltung. Die resultierenden Endosomen und Phagosomen besitzen wiederum ihre eigenen Lipiddoppelschichten.

Phospholipide regulieren zelluläre Prozesse im Zusammenhang mit Wachstum, synaptischer Übertragung und Immunüberwachung.

Eine weitere Funktion von Phospholipiden besteht darin, zirkulierende Lipoproteine ​​zusammenzusetzen. Diese Proteine ​​spielen die wesentliche Rolle beim Transport von lipophilen Triglyceriden und Cholesterinen im Blut.

Phospholipide wirken auch als Emulgatoren im Körper, etwa wenn sie in der Gallenblase mit Cholesterin und Gallensäure vermischt werden, um Mizellen für die Fettstoffaufnahme zu bilden. Phospholipide spielen auch die Rolle der Benetzung von Oberflächen von Gelenken, Alveolen und anderen Körperteilen, die eine reibungslose Bewegung erfordern.

Phospholipide in Eukaryoten werden in den Mitochondrien, Endosomen und im endoplasmatischen Retikulum (ER) gebildet. Die meisten Phospholipide werden im endoplasmatischen Retikulum gebildet. Im ER werden Phospholipide für den nichtvesikulären Lipidtransport zwischen dem ER und anderen Organellen verwendet. In Mitochondrien spielen Phospholipide zahlreiche Rollen für die zelluläre Homöostase und die mitochondriale Funktion.

Phospholipide, die keine Doppelschichten bilden, helfen bei der Membranfusion und -verbiegung.

Die am häufigsten vorkommenden Phospholipide in Eukaryoten sind die Glycerophospholipide, die ein Glycerinrückgrat besitzen. Sie haben eine Kopfgruppe, hydrophobe Seitenketten und aliphatische Ketten. Die Kopfgruppe dieser Phospholipide kann in ihrer chemischen Zusammensetzung variieren, was zu verschiedenen Arten von Phospholipiden führt. Die Strukturen dieser Phospholipide reichen von zylindrisch über konisch bis hin zu umgekehrt konisch, und als solche unterscheidet sich ihre Funktionalität. Sie wirken mit Cholesterin und Sphingolipiden zusammen, um die Endozytose zu unterstützen, sie bilden Lipoproteine, werden als Tenside verwendet und sind die Hauptbestandteile von Zellmembranen.

Phosphatidinsäure (PA), auch Phosphatidat genannt, enthält nur einen geringen Anteil an Phospholipiden in Zellen. Es ist das grundlegendste Phospholipid und dient als Vorläufer für andere Glycerophospholipide. Es besitzt eine konische Form und kann zu einer Krümmung von Membranen führen. PA fördert die mitochondriale Fusion und Spaltung und ist essentiell für den Fettstoffwechsel. Es bindet an das Rac-Protein, das mit Chemotaxis verbunden ist. Es wird auch angenommen, dass es aufgrund seiner anionischen Natur mit vielen anderen Proteinen interagiert.

Phosphatidylcholin (PC) ist das am häufigsten vorkommende Phospholipid und macht bis zu 55 Prozent der Gesamtlipide aus. PC ist ein als Zwitterion bekanntes Ion, hat eine Zylinderform und ist dafür bekannt, Doppelschichten zu bilden. PC dient als Komponentensubstrat für die Bildung von Acetylcholin, einem wichtigen Neurotransmitter. PC kann in andere Lipide wie Sphingomyeline umgewandelt werden. PC dient auch als Surfactant in der Lunge und ist Bestandteil der Galle. Seine allgemeine Rolle ist die der Membranstabilisierung.

Phosphatidylethanolamin (PE) ist ebenfalls reichlich vorhanden, aber etwas konisch und neigt nicht zur Bildung von Doppelschichten. Es enthält bis zu 25 Prozent Phospholipide. Es ist reichlich in der inneren Membran der Mitochondrien vorhanden und kann von den Mitochondrien gebildet werden. PE besitzt im Vergleich zu PC eine relativ kleinere Kopfgruppe. PE ist für Makroautophagie bekannt und hilft bei der Membranfusion.

Cardiolipin (CL) ist ein kegelförmiges Phospholipid-Dimer und ist das wichtigste nicht-doppelschichtige Phospholipid, das in Mitochondrien vorkommt, die die einzigen Organellen sind, die CL bilden. Cardiolipin kommt hauptsächlich an der inneren Mitochondrienmembran vor und beeinflusst die Proteinaktivität in den Mitochondrien. Dieses fettsäurereiche Phospholipid ist für die Funktionalität mitochondrialer Atmungskettenkomplexe notwendig. CL macht einen erheblichen Teil des Herzgewebes aus und kommt in Zellen und Geweben vor, die einen hohen Energiebedarf haben. CL zieht Protonen an ein Enzym namens ATP-Synthase. CL hilft auch bei der Signalisierung des Zelltods durch Apoptose.

Phosphatidylinositol (PI) macht bis zu 15 Prozent der in Zellen vorkommenden Phospholipide aus. PI kommt in zahlreichen Organellen vor und seine Kopfgruppe kann reversible Veränderungen erfahren. PI fungiert als Vorläufer, der die Nachrichtenübertragung im Nervensystem sowie den Membrantransport und das Protein-Targeting unterstützt.

Phosphatidylserin (PS) umfasst bis zu 10 Prozent der Phospholipide in Zellen. PS spielt eine bedeutende Rolle bei der Signalübertragung innerhalb und außerhalb von Zellen. PS hilft den Nervenzellen zu funktionieren und reguliert die Nervenimpulsleitung. PS-Funktionen bei der Apoptose (spontaner Zelltod). PS umfasst auch Thrombozytenmembranen und spielt daher eine Rolle bei der Gerinnung.

Phosphatidylglycerol (PG) ist ein Vorläufer für Bis(monoacylglycero)phosphat oder BMP, das in vielen Zellen vorhanden und möglicherweise für den Cholesterintransport notwendig ist. BMP kommt hauptsächlich in den Zellen von Säugetieren vor, wo es etwa 1 Prozent der Phospholipide ausmacht. BMP wird in erster Linie in multivesikulären Körpern gebildet und es wird angenommen, dass es das Knospen der inneren Membran bewirkt.

Sphingomyelin (SM) ist eine andere Form von Phospholipid. SMs sind wichtig für den Aufbau tierischer Zellmembranen. Während das Rückgrat von Glycerophospholipiden Glycerin ist, ist das Rückgrat von Sphingomyelinen Sphingosin. Doppelschichten von SM-Phospholipiden reagieren unterschiedlich auf Cholesterin und sind stärker komprimiert, weisen jedoch eine verringerte Wasserdurchlässigkeit auf. SM umfasst Lipid Rafts, stabile Nanodomänen in Membranen, die für die Membransortierung, Signaltransduktion und den Transport von Proteinen wichtig sind.

Eine Phospholipid-Dysfunktion führt zu einer Reihe von Erkrankungen wie der peripheren Charcot-Marie-Tooth-Neuropathie, dem Scott-Syndrom und einem abnormalen Lipidkatabolismus, der mit mehreren Tumoren assoziiert ist.

Durch Genmutationen verursachte genetische Störungen können zu Störungen der Phospholipidbiosynthese und des Stoffwechsels führen. Diese erweisen sich bei Erkrankungen im Zusammenhang mit Mitochondrien als recht ausgeprägt.

In den Mitochondrien ist eine effiziente Lipidvernetzung erforderlich. Die Phospholipide Cardiolipin, Phosphatidsäure, Phosphatidylglycerin und Phosphatidylethanolamin spielen alle eine entscheidende Rolle beim Erhalt der Membran der Mitochondrien. Mutationen von Genen, die diese Prozesse beeinflussen, führen manchmal zu genetischen Erkrankungen.

Bei der mitochondrialen X-chromosomalen Erkrankung Barth-Syndrom (BTHS) umfassen die Zustände eine Schwäche der Skelettmuskulatur, reduziert Wachstum, Müdigkeit, motorische Verzögerung, Kardiomyopathie, Neutropenie und 3-Methylglutaconazidurie, eine potenziell tödliche Erkrankung. Diese Patienten weisen defekte Mitochondrien auf, die verminderte Mengen des Phospholipids CL besitzen.

Die dilatative Kardiomyopathie mit Ataxie (DCMA) zeigt eine früh einsetzende dilatative Kardiomyopathie, Ataxie des Großhirn, das nicht progressiv ist (was aber zu motorischen Verzögerungen führt), Wachstumsstörungen und anderen Erkrankungen. Diese Krankheit resultiert aus funktionellen Problemen mit einem Gen, das bei der Regulierung des CL-Remodelings und der mitochondrialen Proteinbiogenese hilft.

Das MEGDEL-Syndrom präsentiert sich als autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung mit Enzephalopathie, einer bestimmten Form von Taubheit, motorischen und Entwicklungsverzögerungen und anderen Erkrankungen. Im betroffenen Gen besitzt das Vorläuferphospholipid PG von CL eine veränderte Acylkette, die wiederum die CL verändert. Darüber hinaus reduzieren die Gendefekte die Spiegel des Phospholipids BMP. Da BMP die Regulierung und den Handel von Cholesterin reguliert, führt seine Verringerung zur Ansammlung von unverestertem Cholesterin.

Da die Forscher mehr über die Rolle von Phospholipiden und ihre Bedeutung erfahren, hofft man, dass neue Therapien entwickelt werden können, um Krankheiten zu behandeln, die aus ihrer Dysfunktion resultieren.

Die Biokompatibilität von Phospholipiden macht sie zu idealen Kandidaten für Drug-Delivery-Systeme. Ihre amphiphile Konstruktion (die sowohl wasserliebende als auch wasserscheuernde Komponenten enthält) unterstützt die Selbstmontage und die Herstellung größerer Strukturen. Phospholipide bilden oft Liposomen, die Medikamente tragen können. Phospholipide dienen auch als gute Emulgatoren. Pharmaunternehmen können Phospholipide aus Eiern, Sojabohnen oder künstlich hergestellten Phospholipiden wählen, um die Arzneimittelabgabe zu unterstützen. Künstliche Phospholipide können aus Glycerophospholipiden hergestellt werden, indem Kopf- oder Schwanzgruppen oder beides verändert werden. Diese synthetischen Phospholipide sind stabiler und reiner als natürliche Phospholipide, aber ihre Kosten sind tendenziell höher. Die Menge an Fettsäuren in entweder natürlichen oder synthetischen Phospholipiden beeinflusst ihre Einkapselungseffizienz.

Phospholipide können Liposomen bilden, spezielle Vesikel, die sich besser an die Zellmembranstruktur anpassen. Diese Liposomen dienen dann als Wirkstoffträger für entweder hydrophile oder lipophile Wirkstoffe, Wirkstoffe mit kontrollierter Freisetzung und andere Wirkstoffe. Liposomen aus Phospholipiden werden häufig in Krebsmedikamenten, Gentherapie und Impfstoffen eingesetzt. Liposomen können hochspezifisch für die Wirkstoffabgabe gemacht werden, indem sie der Zellmembran ähneln, die sie durchqueren müssen. Der Phospholipidgehalt von Liposomen kann je nach Ort der Zielerkrankung verändert werden.

Die emulgierenden Eigenschaften von Phospholipiden machen sie ideal für intravenöse Injektionsemulsionen. Zu diesem Zweck werden häufig Eigelb- und Sojabohnen-Phospholipid-Emulsionen verwendet.

Wenn Arzneimittel eine schlechte Bioverfügbarkeit aufweisen, können manchmal natürliche Flavonoide verwendet werden, um Komplexe mit Phospholipiden zu bilden, die die Arzneimittelaufnahme unterstützen. Diese Komplexe neigen dazu, stabile Wirkstoffe mit längerer Wirkung zu ergeben.

Da die kontinuierliche Forschung mehr Informationen über die zunehmend nützlichen Phospholipide liefert, wird die Wissenschaft science vom Wissen profitieren, um zelluläre Prozesse besser zu verstehen und zielgerichteter zu gestalten Medikamente.