I fosfolipidi sono prevalenti nelle cellule dei batteri e degli eucarioti. Sono molecole costituite da una testa fosfatica e una coda lipidica. La testa è considerata amante dell'acqua o idrofila, mentre la coda è idrofoba o repellente all'acqua. I fosfolipidi sono quindi chiamati anfifilici. A causa di questa doppia natura dei fosfolipidi, molti tipi si dispongono in due strati in un ambiente acquoso. Questo è chiamato doppio strato fosfolipidico. La sintesi dei fosfolipidi avviene principalmente nel reticolo endoplasmatico. Altre aree della biosintesi includono l'apparato del Golgi e i mitocondri. I fosfolipidi funzionano in vari modi all'interno delle cellule.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
I fosfolipidi sono molecole con teste fosfatiche idrofile e code lipidiche idrofobe. Comprendono membrane cellulari, regolano alcuni processi cellulari e possiedono qualità sia stabilizzanti che dinamiche che possono aiutare nella somministrazione dei farmaci.
Fosfolipidi formano membrane
I fosfolipidi forniscono barriere nelle membrane cellulari per proteggere la cellula e creano barriere per gli organelli all'interno di quelle cellule. I fosfolipidi lavorano per fornire percorsi per varie sostanze attraverso le membrane. Le proteine di membrana fissano il doppio strato fosfolipidico; questi rispondono ai segnali cellulari o agiscono come enzimi o meccanismi di trasporto per la membrana cellulare. Il doppio strato fosfolipidico consente alle molecole essenziali come acqua, ossigeno e anidride carbonica di attraversare la membrana, ma molecole molto grandi non possono entrare nella cellula in questo modo o potrebbero non essere in grado di at tutti. Con questa combinazione di fosfolipidi e proteine, si dice che la cellula sia selettivamente permeabile, consentendo solo a determinate sostanze di entrare liberamente e altre attraverso interazioni più complesse.
I fosfolipidi forniscono struttura alle membrane cellulari, che a loro volta mantengono gli organelli organizzati e diviso per lavorare in modo più efficiente, ma questa struttura aiuta anche nella flessibilità e fluidità. Alcuni fosfolipidi indurranno una curvatura negativa di una membrana, mentre altri indurranno una curvatura positiva, a seconda della loro composizione. Le proteine contribuiscono anche alla curvatura della membrana. I fosfolipidi possono anche traslocare attraverso le membrane, spesso mediante proteine speciali come flippasi, floppasi e scramblasi. Anche i fosfolipidi contribuiscono alla carica superficiale delle membrane. Quindi, mentre i fosfolipidi contribuiscono alla stabilità, alla loro fusione e alla loro fissione, aiutano anche nel trasporto di materiali e segnali. I fosfolipidi rendono quindi le membrane altamente dinamiche, piuttosto che semplici barriere a doppio strato. E mentre i fosfolipidi contribuiscono più di quanto originariamente pensato a vari processi, rimangono gli stabilizzatori delle membrane cellulari tra le specie.
Altre funzioni dei fosfolipidi
Con una tecnologia migliore, gli scienziati sono in grado di visualizzare alcuni fosfolipidi all'interno di cellule vive tramite sonde fluorescenti. Altri metodi per chiarire la funzionalità dei fosfolipidi includono l'uso di specie knockout (come i topi) che possiedono enzimi modificanti i lipidi sovraespressi. Questo aiuta a comprendere più funzioni per i fosfolipidi.
I fosfolipidi svolgono un ruolo attivo oltre a formare doppi strati. I fosfolipidi mantengono un gradiente di processi chimici ed elettrici per garantire la sopravvivenza cellulare. Sono inoltre essenziali per regolare l'esocitosi, la chemiotassi e la citochinesi. Alcuni fosfolipidi svolgono un ruolo nella fagocitosi, lavorando per circondare le particelle per formare i fagosomi. I fosfolipidi contribuiscono anche all'endocitosi, che è la generazione di vacuoli. Il processo prevede il legame della membrana attorno alle particelle, l'estensione e infine la scissione. Gli endosomi e i fagosomi risultanti possiedono a loro volta i loro doppi strati lipidici.
I fosfolipidi regolano i processi cellulari legati alla crescita, alla trasmissione sinaptica e alla sorveglianza immunitaria.
Un'altra funzione dei fosfolipidi è quella di assemblare le lipoproteine circolanti. Queste proteine svolgono il ruolo essenziale di trasporto dei trigliceridi lipofili e dei colesteroli nel sangue.
I fosfolipidi funzionano anche come emulsionanti nel corpo, ad esempio quando vengono miscelati con colesterolo e acido biliare nella cistifellea per creare micelle per l'assorbimento di sostanze grasse. I fosfolipidi svolgono anche il ruolo di bagnare le superfici per cose come articolazioni, alveoli e altre parti del corpo che richiedono un movimento regolare.
I fosfolipidi negli eucarioti sono prodotti nei mitocondri, negli endosomi e nel reticolo endoplasmatico (ER). La maggior parte dei fosfolipidi è prodotta nel reticolo endoplasmatico. Nell'ER, i fosfolipidi sono utilizzati nel trasporto dei lipidi non vescicolari tra l'ER e altri organelli. Nei mitocondri, i fosfolipidi svolgono numerosi ruoli per l'omeostasi cellulare e il funzionamento mitocondriale.
I fosfolipidi che non formano i doppi strati favoriscono la fusione e la flessione della membrana.
Tipi di fosfolipidi
I fosfolipidi più diffusi negli eucarioti sono i glicerofosfolipidi, che possiedono uno scheletro di glicerolo. Hanno un gruppo di testa, catene laterali idrofobe e catene alifatiche. Il gruppo principale di questi fosfolipidi può variare nella composizione chimica, portando a diverse varietà di fosfolipidi. Le strutture di questi fosfolipidi variano da cilindriche a coniche a inversamente coniche, e come tali la loro funzionalità è diversa. Funzionano con il colesterolo e gli sfingolipidi per favorire l'endocitosi, costituiscono le lipoproteine, sono usati come tensioattivi e sono i principali componenti delle membrane cellulari.
L'acido fosfatidico (PA), chiamato anche fosfatidato, comprende solo una piccola percentuale di fosfolipidi nelle cellule. È il fosfolipide più elementare e funge da precursore di altri glicerofosfolipidi. Possiede una forma conica e può provocare la curvatura delle membrane. PA promuove la fusione e la fissione mitocondriale ed è essenziale per il metabolismo dei lipidi. Si lega alla proteina Rac, associata alla chemiotassi. Si pensa anche che interagisca con molte altre proteine a causa della sua natura anionica.
La fosfatidilcolina (PC) è il fosfolipide in maggiore abbondanza, costituendo fino al 55% dei lipidi totali. Il PC è uno ione noto come zwitterion, ha una forma cilindrica ed è noto per la formazione di doppi strati. Il PC funge da substrato componente per la generazione di acetilcolina, un neurotrasmettitore cruciale. Il PC può essere convertito in altri lipidi come le sfingomieline. Il PC funge anche da tensioattivo nei polmoni ed è un componente della bile. Il suo ruolo generale è quello di stabilizzazione della membrana.
Anche la fosfatidiletanolammina (PE) è abbastanza abbondante, ma è alquanto conica e non tende a formare doppi strati. Comprende fino al 25% di fosfolipidi. È abbondante nella membrana interna dei mitocondri e può essere prodotto dai mitocondri. PE possiede un gruppo di testa relativamente più piccolo rispetto al PC. Il PE è noto per la macroautofagia e aiuta nella fusione della membrana.
La cardiolipina (CL) è un dimero fosfolipidico a forma di cono ed è il principale fosfolipide non a doppio strato trovato nei mitocondri, che sono gli unici organelli a produrre CL. La cardiolipina si trova principalmente sulla membrana mitocondriale interna e influenza l'attività delle proteine nei mitocondri. Questo fosfolipide ricco di acidi grassi è necessario per la funzionalità dei complessi della catena respiratoria mitocondriale. Il CL costituisce una quantità significativa di tessuti cardiaci e si trova nelle cellule e nei tessuti che richiedono un'elevata energia. Il CL lavora per attirare i protoni verso un enzima chiamato ATP sintasi. Il CL aiuta anche a segnalare la morte cellulare per apoptosi.
Il fosfatidilinositolo (PI) costituisce fino al 15% dei fosfolipidi presenti nelle cellule. PI si trova in numerosi organelli e il suo gruppo capo può subire cambiamenti reversibili. PI funziona come un precursore che aiuta nella trasmissione dei messaggi nel sistema nervoso, nonché nel traffico di membrana e nel targeting delle proteine.
La fosfatidilserina (PS) comprende fino al 10% dei fosfolipidi nelle cellule. La PS svolge un ruolo significativo nella segnalazione all'interno e all'esterno delle cellule. La PS aiuta le cellule nervose a funzionare e regola la conduzione degli impulsi nervosi. Caratteristiche di PS nell'apoptosi (morte cellulare spontanea). La PS comprende anche le membrane piastriniche e quindi svolge un ruolo nella coagulazione.
Il fosfatidilglicerolo (PG) è un precursore del bis (monoacilglicero) fosfato o BMP, presente in molte cellule e potenzialmente necessario per il trasporto del colesterolo. Il BMP si trova principalmente nelle cellule dei mammiferi, dove costituisce circa l'1% dei fosfolipidi. Il BMP è prodotto principalmente nei corpi multivescicolari e si pensa che induca il germogliamento della membrana verso l'interno.
La sfingomielina (SM) è un'altra forma di fosfolipide. Gli SM sono importanti per la composizione delle membrane delle cellule animali. Mentre la spina dorsale dei glicerofosfolipidi è il glicerolo, la spina dorsale delle sfingomieline è la sfingosina. I doppi strati di fosfolipidi SM reagiscono in modo diverso al colesterolo e sono più altamente compressi ma hanno una ridotta permeabilità all'acqua. SM comprende zattere lipidiche, nanodomini stabili nelle membrane che sono importanti per lo smistamento delle membrane, la trasduzione del segnale e il trasporto delle proteine.
Malattie legate al metabolismo dei fosfolipidi
La disfunzione fosfolipidica porta a una serie di disturbi come la neuropatia periferica di Charcot-Marie-Tooth, la sindrome di Scott e il catabolismo lipidico anomalo, che è associato a diversi tumori.
I disordini genetici causati da mutazioni genetiche possono portare a disfunzioni nella biosintesi e nel metabolismo dei fosfolipidi. Questi risultano essere abbastanza marcati nei disturbi legati ai mitocondri.
Nei mitocondri è necessaria una rete lipidica efficiente. I fosfolipidi cardiolipina, acido fosfatidico, fosfatidilglicerolo e fosfatidiletanolammina giocano tutti un ruolo cruciale nel mantenimento della membrana dei mitocondri. Le mutazioni dei geni che influenzano questi processi a volte portano a malattie genetiche.
Nella malattia mitocondriale legata all'X, sindrome di Barth (BTHS), le condizioni includono debolezza dei muscoli scheletrici, ridotta crescita, affaticamento, ritardo motorio, cardiomiopatia, neutropenia e aciduria 3-metilglutaconica, potenzialmente fatale malattia. Questi pazienti presentano mitocondri difettosi, che possiedono quantità ridotte del CL fosfolipidico.
La cardiomiopatia dilatativa con atassia (DCMA) si presenta con cardiomiopatia dilatativa ad esordio precoce, atassia del cervello che non è progressivo (ma che si traduce in ritardi motori), deficit di crescita e altre condizioni. Questa malattia deriva da problemi funzionali con un gene che aiuta nella regolazione del rimodellamento del CL e nella biogenesi delle proteine mitocondriali.
La sindrome MEGDEL si presenta come una malattia autosomica recessiva con encefalopatia, una certa forma di sordità, ritardi motori e dello sviluppo e altre condizioni. Nel gene interessato, il fosfolipide precursore del CL, PG, possiede una catena acilica modificata, che a sua volta modifica il CL. Inoltre, i difetti genetici riducono i livelli del fosfolipide BMP. Poiché il BMP regola la regolazione e il traffico del colesterolo, la sua riduzione porta all'accumulo di colesterolo non esterificato.
Man mano che i ricercatori apprendono di più sui ruoli dei fosfolipidi e sulla loro importanza, si spera che possano essere realizzate nuove terapie per curare le malattie che derivano dalla loro disfunzione.
Usi dei fosfolipidi in medicina
La biocompatibilità dei fosfolipidi li rende candidati ideali per i sistemi di somministrazione dei farmaci. La loro costruzione anfifila (contenente sia componenti che amano e che odiano l'acqua) aiuta con l'autoassemblaggio e la realizzazione di strutture più grandi. I fosfolipidi spesso formano liposomi che possono trasportare farmaci. I fosfolipidi servono anche come buoni emulsionanti. Le aziende farmaceutiche possono scegliere fosfolipidi da uova, semi di soia o fosfolipidi artificiali per favorire la somministrazione dei farmaci. I fosfolipidi artificiali possono essere prodotti dai glicerofosfolipidi alterando i gruppi della testa o della coda o entrambi. Questi fosfolipidi sintetici sono più stabili e più puri dei fosfolipidi naturali, ma il loro costo tende ad essere più elevato. La quantità di acidi grassi nei fosfolipidi naturali o sintetici influenzerà la loro efficienza di incapsulamento.
I fosfolipidi possono produrre liposomi, vescicole speciali che possono adattarsi meglio alla struttura della membrana cellulare. Questi liposomi fungono quindi da trasportatori di farmaci per farmaci idrofili o lipofili, farmaci a rilascio controllato e altri agenti. I liposomi costituiti da fosfolipidi sono spesso utilizzati nei farmaci antitumorali, nella terapia genica e nei vaccini. I liposomi possono essere resi altamente specifici per la somministrazione di farmaci, facendoli assomigliare alla membrana cellulare che devono attraversare. Il contenuto di fosfolipidi dei liposomi può essere alterato in base al sito della malattia mirata.
Le proprietà emulsionanti dei fosfolipidi li rendono ideali per emulsioni da iniezione endovenosa. A questo scopo vengono spesso utilizzate emulsioni di tuorlo d'uovo e fosfolipidi di soia.
Se i farmaci hanno una scarsa biodisponibilità, a volte i flavonoidi naturali possono essere utilizzati per formare complessi con i fosfolipidi, favorendo l'assorbimento dei farmaci. Questi complessi tendono a produrre farmaci stabili con un'azione più lunga.
Poiché la ricerca continua fornisce maggiori informazioni sui fosfolipidi sempre più utili, la scienza lo farà beneficiare della conoscenza per comprendere meglio i processi cellulari e rendere più altamente mirati medicinali.
