Aké sú primárne funkcie fosfolipidov?

Fosfolipidy prevažujú v bunkách baktérií a eukaryotov. Sú to molekuly vyrobené z fosfátovej hlavy a lipidového chvosta. Hlava je považovaná za vodu milujúcu alebo hydrofilnú, zatiaľ čo chvost je hydrofóbny alebo odpudzuje vodu. Fosfolipidy sa preto nazývajú amfifilné. Kvôli tejto dvojitej povahe fosfolipidov sa veľa druhov vo vodnom prostredí usporadúva do dvoch vrstiev. Toto sa nazýva fosfolipidová dvojvrstva. Syntéza fosfolipidov sa vyskytuje primárne v endoplazmatickom retikulu. Medzi ďalšie oblasti biosyntézy patria Golgiho aparát a mitochondrie. Fosfolipidy fungujú vo vnútri buniek rôznymi spôsobmi.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Fosfolipidy sú molekuly s hydrofilnými fosfátovými hlavicami a hydrofóbnymi lipidovými koncami. Zahŕňajú bunkové membrány, regulujú určité bunkové procesy a majú stabilizačné aj dynamické vlastnosti, ktoré môžu napomáhať dodávanie liečiva.

Fosfolipidy poskytujú bariéry v bunkových membránach na ochranu bunky a vytvárajú bariéry pre organely v týchto bunkách. Fosfolipidy fungujú tak, že vytvárajú cesty pre rôzne látky cez membrány. Membránové proteíny studujú fosfolipidovú dvojvrstvu; tieto reagujú na bunkové signály alebo pôsobia ako enzýmy alebo transportné mechanizmy pre bunkovú membránu. Fosfolipidová dvojvrstva ľahko umožňuje použitie základných molekúl, ako je voda, kyslík a oxid uhličitý prechádzajú cez membránu, ale veľmi veľké molekuly nemôžu týmto spôsobom vstúpiť do bunky alebo nemusia byť schopné všetko. Pri tejto kombinácii fosfolipidov a proteínov sa hovorí, že bunka je selektívne priepustná a umožňuje iba určité látky voľne a iným prostredníctvom zložitejších interakcií.

Fosfolipidy poskytujú štruktúru bunkovým membránam, ktoré následne udržiavajú organely organizované a rozdelené tak, aby pracovali efektívnejšie, ale táto štruktúra tiež pomáha pri flexibilite membrán a plynulosť. Niektoré fosfolipidy indukujú negatívne zakrivenie membrány, zatiaľ čo iné indukujú pozitívne zakrivenie v závislosti od ich zloženia. Bielkoviny tiež prispievajú k zakriveniu membrány. Fosfolipidy sa môžu tiež translokovať cez membrány, často pomocou špeciálnych proteínov, ako sú flippázy, floppázy a scramblasy. Fosfolipidy tiež prispievajú k povrchovému náboju membrán. Fosfolipidy teda prispievajú k stabilite, ich fúzii a štiepeniu, ale tiež pomáhajú pri preprave materiálov a signálov. Fosfolipidy preto robia membrány skôr vysoko dynamickými než jednoduchými dvojvrstvovými bariérami. A hoci fosfolipidy prispievajú k rôznym procesom viac, ako sa pôvodne myslelo, zostávajú stabilizátormi bunkových membrán naprieč druhmi.

Vďaka lepšej technológii sú vedci schopní vizualizovať niektoré fosfolipidy v živých bunkách pomocou fluorescenčných sond. Medzi ďalšie metódy na objasnenie funkčnosti fosfolipidov patrí použitie knock-out druhov (napríklad myší), ktoré majú nadmerne exprimované lipidy modifikujúce enzýmy. To pomáha porozumieť ďalším funkciám fosfolipidov.

Fosfolipidy majú okrem tvorby dvojvrstiev aktívnu úlohu. Fosfolipidy udržiavajú gradient chemických a elektrických procesov, aby zabezpečili prežitie buniek. Sú tiež nevyhnutné na reguláciu exocytózy, chemotaxie a cytokinézy. Niektoré fosfolipidy hrajú úlohu vo fagocytóze, pracujú na obklopení častíc a vytvárajú fagozómy. Fosfolipidy tiež prispievajú k endocytóze, čo je tvorba vakuol. Tento proces zahŕňa väzbu membrány okolo častíc, jej predĺženie a nakoniec štiepenie. Výsledné endozómy a fagozómy zase majú svoje vlastné lipidové dvojvrstvy.

Fosfolipidy regulujú bunkové procesy spojené s rastom, synaptickým prenosom a imunitným dohľadom.

Ďalšou funkciou fosfolipidov je zhromažďovanie cirkulujúcich lipoproteínov. Tieto proteíny zohrávajú podstatnú úlohu pri prenose lipofilných triglyceridov a cholesterolu v krvi.

Fosfolipidy tiež pôsobia v tele ako emulgátory, napríklad keď sa zmiešajú s cholesterolmi a žlčovými kyselinami v žlčníku, aby sa z nich vytvorili micely na vstrebávanie mastných látok. Fosfolipidy tiež zohrávajú úlohu zmáčania povrchov, ako sú kĺby, alveoly a ďalšie časti tela vyžadujúce plynulý pohyb.

Fosfolipidy v eukaryotoch sa tvoria v mitochondriách, endozómoch a endoplazmatickom retikulu (ER). Väčšina fosfolipidov sa vyrába v endoplazmatickom retikule. V ER sa fosfolipidy používajú na nevesikulárny transport lipidov medzi ER a inými organelami. V mitochondriách hrajú fosfolipidy početné úlohy pre bunkovú homeostázu a mitochondriálne fungovanie.

Fosfolipidy, ktoré netvoria dvojvrstvy, pomáhajú pri fúzii a ohýbaní membrány.

Najbežnejším fosfolipidom u eukaryotov sú glycerofosfolipidy, ktoré majú glycerolovú kostru. Majú hlavnú skupinu, hydrofóbne vedľajšie reťazce a alifatické reťazce. Hlavná skupina týchto fosfolipidov sa môže líšiť chemickým zložením, čo vedie k rôznym odrodám fosfolipidov. Štruktúry týchto fosfolipidov sa pohybujú od valcových cez kónické až po inverzne kužeľovité, a preto sa ich funkčnosť líši. Pracujú s cholesterolom a sfingolipidmi na pomoc pri endocytóze, tvoria lipoproteíny, používajú sa ako povrchovo aktívne látky a sú hlavnou zložkou bunkových membrán.

Kyselina fosfatidová (PA), tiež nazývaná fosfatidát, obsahuje iba malé percento fosfolipidov v bunkách. Je to najzákladnejší fosfolipid a slúži ako predchodca iných glycerofosfolipidov. Má kužeľovitý tvar a môže mať za následok zakrivenie membrán. PA podporuje mitochondriálnu fúziu a štiepenie a je nevyhnutný pre metabolizmus lipidov. Viaže sa na proteín Rac spojený s chemotaxiou. Tiež sa predpokladá, že interaguje s mnohými inými proteínmi kvôli svojej aniónovej povahe.

Fosfatidylcholín (PC) je fosfolipid v najväčšom množstve a tvorí až 55 percent celkových lipidov. PC je ión známy ako zwitterión, má tvar valca a je známy pre tvorbu dvojvrstiev. PC slúži ako komponentný substrát pre generovanie acetylcholínu, rozhodujúceho neurotransmitera. PC sa môže konvertovať na iné lipidy, ako sú sfingomyelíny. PC slúži tiež ako povrchovo aktívna látka v pľúcach a je súčasťou žlče. Jeho všeobecná úloha spočíva v stabilizácii membrány.

Fosfatidyletanolamín (PE) je tiež dosť bohatý, ale je trochu kužeľovitý a nemá tendenciu vytvárať dvojvrstvy. Obsahuje až 25 percent fosfolipidov. Je hojný vo vnútornej membráne mitochondrií a môžu ho vytvárať mitochondrie. PE má v porovnaní s PC relatívne menšiu hlavnú skupinu. PE je známy pre makroautofágiu a pomáha pri fúzii membrán.

Kardiolipín (CL) je kužeľovitý fosfolipidový dimér a je hlavným ne dvojvrstvovým fosfolipidom nachádzajúcim sa v mitochondriách, ktoré sú jedinými organelami na výrobu CL. Kardiolipín sa nachádza predovšetkým na vnútornej mitochondriálnej membráne a ovplyvňuje aktivitu proteínov v mitochondriách. Tento fosfolipid bohatý na mastné kyseliny je nevyhnutný pre funkčnosť komplexov mitochondriálnych dýchacích reťazcov. CL tvorí významné množstvo srdcových tkanív a nachádza sa v bunkách a tkanivách, ktoré vyžadujú vysokú energiu. CL pôsobí na prilákanie protónov k enzýmu nazývanému ATP syntáza. CL tiež pomáha pri signalizácii bunkovej smrti apoptózou.

Fosfatidylinozitol (PI) tvorí až 15 percent fosfolipidov nachádzajúcich sa v bunkách. PI sa nachádza v mnohých organelách a jeho hlavná skupina môže prechádzať reverzibilnými zmenami. PI funguje ako prekurzor, ktorý pomáha pri prenose správ v nervovom systéme, ako aj pri premene membrán a zameraní na proteíny.

Fosfatidylserín (PS) obsahuje až 10 percent fosfolipidov v bunkách. PS hrá významnú úlohu pri signalizácii vo vnútri aj mimo buniek. PS pomáha nervovým bunkám fungovať a reguluje vedenie nervových impulzov. Vlastnosti PS pri apoptóze (spontánna smrť buniek). PS tiež zahrnuje doštičkové membrány, a preto hrá úlohu pri zrážaní.

Fosfatidylglycerol (PG) je prekurzorom bis (monoacylglycero) fosfátu alebo BMP, ktorý je prítomný v mnohých bunkách a je potenciálne potrebný na transport cholesterolu. BMP sa nachádza hlavne v bunkách cicavcov, kde tvorí zhruba 1 percento fosfolipidov. BMP sa vyrába primárne v multivezikulárnych telieskach a predpokladá sa, že indukuje pučanie dovnútra membrány.

Sfingomyelín (SM) je ďalšou formou fosfolipidu. SM sú dôležité pre zloženie membrán živočíšnych buniek. Zatiaľ čo kostrou glycerofosfolipidov je glycerol, kostrou sfingomyelínov je sfingozín. Dvojvrstvy SM fosfolipidov reagujú odlišne na cholesterol a sú viac stlačené, avšak majú zníženú priepustnosť pre vodu. SM zahŕňa lipidové rafty, stabilné nanodomény v membránach, ktoré sú dôležité pre triedenie membrán, signálnu transdukciu a transport proteínov.

Fosfolipidová dysfunkcia vedie k mnohým poruchám, ako je periférna neuropatia Charcot-Marie-Tooth, Scottov syndróm a abnormálny lipidový katabolizmus, ktorý je spojený s niekoľkými nádormi.

Genetické poruchy spôsobené génovými mutáciami môžu viesť k dysfunkciám biosyntézy a metabolizmu fosfolipidov. Ukázalo sa, že sú dosť výrazné pri poruchách súvisiacich s mitochondriami.

V mitochondriách je potrebná efektívna lipidová sieť. Fosfolipidy kardiolipín, kyselina fosfatidová, fosfatidylglycerol a fosfatidyletanolamín - všetky zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri udržiavaní membrány mitochondrií. Mutácie génov, ktoré ovplyvňujú tieto procesy, niekedy vedú k genetickým chorobám.

Pri mitochondriálnej X-viazanej chorobe Barthov syndróm (BTHS) zahŕňajú stavy zníženú slabosť kostrových svalov rast, únava, oneskorenie motora, kardiomyopatia, neutropénia a 3-metylglutakonová acidúria, potenciálne smrteľné choroba. Títo pacienti vykazujú defektné mitochondrie, ktoré majú znížené množstvo fosfolipidu CL.

Dilatovaná kardiomyopatia s ataxiou (DCMA) sa vyznačuje skorým nástupom dilatačnej kardiomyopatie, ataxie mozog, ktorý nie je progresívny (ale ktorého výsledkom sú motorické oneskorenia), zlyhanie rastu a ďalšie stavy. Toto ochorenie je výsledkom funkčných problémov s génom, ktorý pomáha pri regulácii remodelácie CL a biogenéze mitochondriálnych proteínov.

MEGDEL syndróm sa prejavuje ako autozomálne recesívna porucha s encefalopatiou, určitou formou hluchoty, motorickými a vývojovými oneskoreniami a ďalšími stavmi. V postihnutom géne má prekurzor fosfolipidu CL, PG, zmenený acylový reťazec, ktorý zase mení CL. Génové defekty navyše znižujú hladiny fosfolipidového BMP. Pretože BMP reguluje reguláciu cholesterolu a obchodovanie s ním, jeho zníženie vedie k hromadeniu neesterifikovaného cholesterolu.

Keď sa vedci dozvedia viac informácií o úlohe fosfolipidov a ich dôležitosti, je nádej, že bude možné vyvinúť nové terapie na liečenie chorôb, ktoré sú výsledkom ich dysfunkcie.

Biokompatibilita fosfolipidov ich robí ideálnymi kandidátmi na systémy dodávania liekov. Ich amfifilná (obsahujúca zložky milujúce vodu aj vodu nenávidiace) pomáha pri samostatnej montáži a vytváraní väčších štruktúr. Fosfolipidy často tvoria lipozómy, ktoré môžu prenášať lieky. Fosfolipidy tiež slúžia ako dobré emulgátory. Farmaceutické spoločnosti si môžu na dodávku liekov zvoliť fosfolipidy z vajec, sójových bôbov alebo umelo vyrobených fosfolipidov. Umelé fosfolipidy môžu byť vyrobené z glycerofosfolipidov zmenou skupín hlavy alebo chvosta alebo obidvoch. Tieto syntetické fosfolipidy sú stabilnejšie a čistejšie ako prírodné fosfolipidy, ale ich cena býva vyššia. Množstvo mastných kyselín v prírodných alebo syntetických fosfolipidoch ovplyvní ich účinnosť zapuzdrenia.

Fosfolipidy môžu vytvárať lipozómy, špeciálne vezikuly, ktoré sa môžu lepšie zhodovať so štruktúrou bunkovej membrány. Tieto lipozómy potom slúžia ako nosiče liečiv buď pre hydrofilné alebo lipofilné liečivá, liečivá s riadeným uvoľňovaním a ďalšie látky. Lipozómy vyrobené z fosfolipidov sa často používajú v liekoch proti rakovine, génovej terapii a vakcínach. Lipozómy môžu byť vyrobené tak, aby boli vysoko špecifické pre dodávanie liečiva tak, že sa podobajú na bunkovú membránu, ktorú musia prechádzať. Obsah fosfolipidov v lipozómoch sa môže meniť na základe miesta cieľového ochorenia.

Vďaka emulgačným vlastnostiam sú fosfolipidy ideálne pre emulzie na intravenóznu injekciu. Na tento účel sa často používajú vaječné žĺtky a emulzie fosfolipidov zo sójových bôbov.

Ak majú lieky zlú biologickú dostupnosť, môžu sa niekedy použiť prírodné flavonoidy na vytvorenie komplexov s fosfolipidmi, ktoré napomáhajú absorpcii liekov. Tieto komplexy majú tendenciu poskytovať stabilné lieky s dlhším účinkom.

Pretože pokračujúci výskum prináša viac informácií o čoraz užitočnejších fosfolipidoch, veda to urobí ťažiť z týchto poznatkov, lepšie porozumieť bunkovým procesom a dosiahnuť vyššiu mieru zacielenia lieky.