Jakie są podstawowe funkcje fosfolipidów?

Fosfolipidy są powszechne w komórkach bakterii i eukariontów. Są to cząsteczki zbudowane z fosforanowej głowy i lipidowego ogona. Głowa jest uważana za kochającą wodę lub hydrofilną, podczas gdy ogon jest hydrofobowy lub odpycha wodę. Fosfolipidy są zatem nazywane amfifilowymi. Z powodu tej podwójnej natury fosfolipidów wiele typów układa się w dwie warstwy w środowisku wodnym. Nazywa się to dwuwarstwą fosfolipidową. Synteza fosfolipidów zachodzi głównie w retikulum endoplazmatycznym. Inne obszary biosyntezy to aparat Golgiego i mitochondria. Fosfolipidy działają na różne sposoby wewnątrz komórek.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Fosfolipidy to cząsteczki z hydrofilowymi główkami fosforanowymi i hydrofobowymi ogonami lipidowymi. Zawierają błony komórkowe, regulują niektóre procesy komórkowe i posiadają zarówno właściwości stabilizujące, jak i dynamiczne, które mogą pomóc w dostarczaniu leków.

Fosfolipidy tworzą bariery w błonach komórkowych w celu ochrony komórki i tworzą bariery dla organelli w tych komórkach. Fosfolipidy działają, aby zapewnić ścieżki dla różnych substancji w błonach. Białka błonowe badają dwuwarstwę fosfolipidową; reagują one na sygnały komórkowe lub działają jako enzymy lub mechanizmy transportowe w błonie komórkowej. Dwuwarstwa fosfolipidowa z łatwością pozwala niezbędnym cząsteczkom, takim jak woda, tlen i dwutlenek węgla, na przechodzą przez błonę, ale bardzo duże cząsteczki nie mogą w ten sposób dostać się do komórki lub mogą nie wszystko. Dzięki tej kombinacji fosfolipidów i białek komórka jest selektywnie przepuszczalna, pozwalając tylko niektórym substancjom swobodnie się przenikać, a innym poprzez bardziej złożone interakcje.

Fosfolipidy zapewniają strukturę błonom komórkowym, które z kolei utrzymują uporządkowane organelle i podzielone, aby pracować wydajniej, ale ta struktura pomaga również w elastyczności membran i płynność. Niektóre fosfolipidy wywołują negatywną krzywiznę błony, podczas gdy inne wywołują krzywiznę pozytywną, w zależności od ich składu. Białka przyczyniają się również do krzywizny błony. Fosfolipidy mogą również przemieszczać się przez błony, często przez specjalne białka, takie jak flippazy, floppazy i scramblases. Fosfolipidy również przyczyniają się do ładunku powierzchniowego błon. Tak więc, chociaż fosfolipidy przyczyniają się do stabilności, ich fuzji i rozszczepiania, pomagają również w transporcie materiałów i sygnałów. Fosfolipidy sprawiają zatem, że błony są wysoce dynamiczne, a nie proste bariery dwuwarstwowe. I chociaż fosfolipidy przyczyniają się w większym stopniu niż pierwotnie sądzono do różnych procesów, pozostają stabilizatorami błon komórkowych u różnych gatunków.

Dzięki lepszej technologii naukowcy są w stanie wizualizować niektóre fosfolipidy w żywych komórkach za pomocą sond fluorescencyjnych. Inne metody wyjaśniania funkcjonalności fosfolipidów obejmują stosowanie gatunków nokautujących (takich jak myszy), które posiadają nadekspresję enzymów modyfikujących lipidy. Pomaga to w zrozumieniu większej liczby funkcji fosfolipidów.

Oprócz tworzenia dwuwarstw fosfolipidy odgrywają aktywną rolę. Fosfolipidy utrzymują gradient procesów chemicznych i elektrycznych, aby zapewnić przeżycie komórek. Są również niezbędne do regulacji egzocytozy, chemotaksji i cytokinezy. Niektóre fosfolipidy odgrywają rolę w fagocytozie, otaczając cząstki, tworząc fagosomy. Fosfolipidy przyczyniają się również do endocytozy, czyli powstawania wakuoli. Proces ten polega na wiązaniu membrany wokół cząstek, wydłużeniu i wreszcie rozcięciu. Powstałe endosomy i fagosomy z kolei posiadają własne dwuwarstwy lipidowe.

Fosfolipidy regulują procesy komórkowe związane ze wzrostem, transmisją synaptyczną i nadzorem immunologicznym.

Inną funkcją fosfolipidów jest gromadzenie krążących lipoprotein. Białka te odgrywają zasadniczą rolę w transporcie lipofilowych triglicerydów i cholesterolu we krwi.

Fosfolipidy działają również jako emulgatory w organizmie, na przykład gdy są zmieszane z cholesterolami i kwasem żółciowym w woreczku żółciowym, aby wytworzyć micele do wchłaniania substancji tłuszczowych. Fosfolipidy pełnią również rolę zwilżania powierzchni takich rzeczy jak stawy, pęcherzyki i inne części ciała wymagające płynnego ruchu.

Fosfolipidy u eukariontów powstają w mitochondriach, endosomach i retikulum endoplazmatycznym (ER). Większość fosfolipidów powstaje w retikulum endoplazmatycznym. W ER fosfolipidy są wykorzystywane w niepęcherzykowym transporcie lipidów między ER a innymi organellami. W mitochondriach fosfolipidy odgrywają liczne role w homeostazie komórkowej i funkcjonowaniu mitochondriów.

Fosfolipidy, które nie tworzą dwuwarstw, pomagają w łączeniu i zginaniu błon.

Najbardziej rozpowszechnionymi fosfolipidami u eukariontów są glicerofosfolipidy, które posiadają szkielet glicerolowy. Mają grupę czołową, hydrofobowe łańcuchy boczne i łańcuchy alifatyczne. Główna grupa tych fosfolipidów może różnić się składem chemicznym, co prowadzi do różnych odmian fosfolipidów. Struktury tych fosfolipidów wahają się od cylindrycznych do stożkowych do odwrotnie stożkowych, a zatem ich funkcjonalność jest różna. Współdziałają z cholesterolem i sfingolipidami, pomagając w endocytozie, tworzą lipoproteiny, są stosowane jako surfaktanty i są głównymi składnikami błon komórkowych.

Kwas fosfatydowy (PA), zwany także fosfatydanem, zawiera tylko niewielki procent fosfolipidów w komórkach. Jest najbardziej podstawowym fosfolipidem i służy jako prekursor dla innych glicerofosfolipidów. Ma kształt stożkowy i może powodować zakrzywienie membran. PA promuje fuzję i rozszczepienie mitochondriów i jest niezbędny do metabolizmu lipidów. Wiąże się z białkiem Rac, związanym z chemotaksją. Uważa się również, że oddziałuje z wieloma innymi białkami ze względu na swój anionowy charakter.

Fosfatydylocholina (PC) jest fosfolipidem w największej ilości, stanowiąc aż 55 procent wszystkich lipidów. PC jest jonem znanym jako jon obojnaczy, ma kształt cylindra i jest znany z tworzenia dwuwarstw. PC służy jako komponent substratu do wytwarzania acetylocholiny, kluczowego neuroprzekaźnika. PC można przekształcić w inne lipidy, takie jak sfingomieliny. PC służy również jako środek powierzchniowo czynny w płucach i jest składnikiem żółci. Jego ogólną rolą jest stabilizacja błony.

Fosfatydyloetanoloamina (PE) jest również dość obfita, ale jest nieco stożkowa i nie ma tendencji do tworzenia dwuwarstw. Zawiera aż 25% fosfolipidów. Jest obfity w błonie wewnętrznej mitochondriów i może być wytwarzany przez mitochondria. PE ma stosunkowo mniejszą grupę głowy w porównaniu do PC. PE jest znany z makroautofagii i wspomaga fuzję błon.

Kardiolipina (CL) jest dimerem fosfolipidowym w kształcie stożka i jest głównym niedwuwarstwowym fosfolipidem występującym w mitochondriach, które są jedynymi organellami wytwarzającymi CL. Kardiolipina znajduje się głównie na wewnętrznej błonie mitochondrialnej i wpływa na aktywność białek w mitochondriach. Ten bogaty w kwasy tłuszczowe fosfolipid jest niezbędny do funkcjonowania mitochondrialnych kompleksów łańcucha oddechowego. CL stanowi znaczną ilość tkanek serca i znajduje się w komórkach i tkankach wymagających dużej energii. CL działa, aby przyciągnąć protony do enzymu zwanego syntazą ATP. CL pomaga również w sygnalizacji śmierci komórki przez apoptozę.

Fosfatydyloinozytol (PI) stanowi aż 15 procent fosfolipidów znajdujących się w komórkach. PI znajduje się w licznych organellach, a jego głowa może ulegać odwracalnym zmianom. PI działa jako prekursor, który pomaga w przekazywaniu wiadomości w układzie nerwowym, a także w transporcie błonowym i ukierunkowaniu białek.

Fosfatydyloseryna (PS) zawiera do 10 procent fosfolipidów w komórkach. PS odgrywa znaczącą rolę w sygnalizacji wewnątrz i na zewnątrz komórek. PS pomaga komórkom nerwowym funkcjonować i reguluje przewodzenie impulsów nerwowych. PS występuje w apoptozie (spontaniczna śmierć komórki). PS zawiera również błony płytek krwi i dlatego odgrywa rolę w krzepnięciu.

Fosfatydyloglicerol (PG) jest prekursorem bis(monoacyloglicero)fosforanu lub BMP, który występuje w wielu komórkach i jest potencjalnie niezbędny do transportu cholesterolu. BMP znajduje się głównie w komórkach ssaków, gdzie stanowi około 1 procent fosfolipidów. BMP powstaje głównie w ciałach wielopęcherzykowych i uważa się, że indukuje pączkowanie błony wewnętrznej.

Sfingomielina (SM) to kolejna forma fosfolipidu. SM są ważne dla budowy błon komórkowych zwierząt. Podczas gdy szkieletem glicerofosfolipidów jest glicerol, szkieletem sfingomielin jest sfingozyna. Dwuwarstwy fosfolipidów SM reagują inaczej na cholesterol i są bardziej skompresowane, ale mają zmniejszoną przepuszczalność wody. SM obejmuje tratwy lipidowe, stabilne nanodomeny w błonach, które są ważne dla sortowania błon, transdukcji sygnału i transportu białek.

Dysfunkcja fosfolipidów prowadzi do szeregu zaburzeń, takich jak neuropatia obwodowa Charcot-Marie-Tooth, zespół Scotta i nieprawidłowy katabolizm lipidów, który jest związany z kilkoma nowotworami.

Zaburzenia genetyczne spowodowane mutacjami genów mogą prowadzić do dysfunkcji w biosyntezie i metabolizmie fosfolipidów. Okazują się one dość wyraźne w zaburzeniach związanych z mitochondriami.

W mitochondriach potrzebna jest wydajna sieć lipidowa. Fosfolipidy kardiolipina, kwas fosfatydowy, fosfatydyloglicerol i fosfatydyloetanoloamina odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu błony mitochondriów. Mutacje genów, które wpływają na te procesy, czasami prowadzą do chorób genetycznych.

W mitochondrialnej chorobie sprzężonej z chromosomem X zespół Bartha (BTHS) stany obejmują osłabienie mięśni szkieletowych, zmniejszenie wzrost, zmęczenie, opóźnienie motoryczne, kardiomiopatia, neutropenia i kwasica 3-metyloglutakonowa, potencjalnie śmiertelna choroba. Pacjenci ci wykazują wadliwe mitochondria, które mają zmniejszone ilości CL fosfolipidów.

Kardiomiopatia rozstrzeniowa z ataksją (DCMA) objawia się kardiomiopatią rozstrzeniową o wczesnym początku, ataksją mózg, który nie postępuje (ale powoduje opóźnienia motoryczne), zaburzenia wzrostu i inne stany. Choroba ta wynika z problemów funkcjonalnych z genem, który pomaga w regulacji przebudowy CL i biogenezy białek mitochondrialnych.

Zespół MEGDEL objawia się jako autosomalne recesywne zaburzenie z encefalopatią, pewną formą głuchoty, opóźnieniami w rozwoju i motoryce oraz innymi schorzeniami. W zaatakowanym genie prekursor CL, fosfolipid, PG, ma zmieniony łańcuch acylowy, który z kolei zmienia CL. Dodatkowo defekty genów obniżają poziom fosfolipidu BMP. Ponieważ BMP reguluje regulację i handel cholesterolem, jego zmniejszenie prowadzi do gromadzenia się nieestryfikowanego cholesterolu.

Ponieważ naukowcy dowiadują się więcej o roli fosfolipidów i ich znaczeniu, istnieje nadzieja, że ​​uda się opracować nowe terapie do leczenia chorób wynikających z ich dysfunkcji.

Biokompatybilność fosfolipidów czyni je idealnymi kandydatami na systemy dostarczania leków. Ich amfifilowa konstrukcja (zawierająca zarówno elementy kochające wodę, jak i nienawidzące wody) pomaga w samodzielnym montażu i tworzeniu większych konstrukcji. Fosfolipidy często tworzą liposomy, które mogą przenosić leki. Fosfolipidy służą również jako dobre emulgatory. Firmy farmaceutyczne mogą wybierać fosfolipidy z jaj, soi lub sztucznie skonstruowanych fosfolipidów, aby wspomóc dostarczanie leków. Sztuczne fosfolipidy można wytwarzać z glicerofosfolipidów przez zmianę grup głowy lub ogona lub obu. Te syntetyczne fosfolipidy są bardziej stabilne i czystsze niż naturalne fosfolipidy, ale ich koszt jest zwykle wyższy. Ilość kwasów tłuszczowych w naturalnych lub syntetycznych fosfolipidach wpłynie na ich skuteczność enkapsulacji.

Fosfolipidy mogą tworzyć liposomy, specjalne pęcherzyki, które lepiej dopasowują się do struktury błony komórkowej. Te liposomy służą następnie jako nośniki leków dla leków hydrofilowych lub lipofilowych, leków o kontrolowanym uwalnianiu i innych środków. Liposomy zbudowane z fosfolipidów są często stosowane w lekach przeciwnowotworowych, terapii genowej i szczepionkach. Można sprawić, by liposomy były wysoce specyficzne dla dostarczania leków, upodabniając je do błony komórkowej, przez którą muszą przejść. Zawartość fosfolipidów w liposomach można zmienić w zależności od miejsca docelowej choroby.

Właściwości emulgujące fosfolipidów czynią je idealnymi do emulsji do wstrzyknięć dożylnych. W tym celu często stosuje się emulsje fosfolipidowe z żółtka jaja i soi.

Jeśli leki mają słabą biodostępność, czasami naturalne flawonoidy mogą być użyte do tworzenia kompleksów z fosfolipidami, wspomagających wchłanianie leków. Kompleksy te mają tendencję do tworzenia stabilnych leków o dłuższym działaniu.

Ponieważ dalsze badania dostarczają więcej informacji na temat coraz bardziej użytecznych fosfolipidów, nauka będzie. skorzystaj z wiedzy, aby lepiej zrozumieć procesy komórkowe i lepiej ukierunkować leki.