Vilka är de primära funktionerna hos fosfolipider?

Fosfolipider förekommer i celler från bakterier och eukaryoter. De är molekyler gjorda av ett fosfathuvud och en lipidsvans. Huvudet anses vara vattenälskande eller hydrofilt, medan svansen är hydrofob eller avstötande mot vatten. Fosfolipider kallas därför amfifila. På grund av denna dubbla natur av fosfolipider arrangerar många typer sig i två lager i en vattnig miljö. Detta kallas ett fosfolipid dubbelskikt. Fosfolipidsyntes förekommer främst i endoplasmatisk retikulum. Andra områden av biosyntes inkluderar Golgi-apparaten och mitokondrier. Fosfolipider fungerar på olika sätt inuti celler.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Fosfolipider är molekyler med hydrofila fosfathuvuden och hydrofoba lipidsvansar. De består av cellulära membran, reglerar vissa cellulära processer och har både stabiliserande och dynamiska egenskaper som kan hjälpa till med läkemedelsleverans.

Fosfolipider ger barriärer i cellulära membran för att skydda cellen, och de utgör barriärer för organellerna i dessa celler. Fosfolipider arbetar för att ge vägar för olika ämnen över membran. Membranproteiner tappar fosfolipid-dubbelskiktet; dessa svarar på cellsignaler eller fungerar som enzymer eller transportmekanismer för cellmembranet. Fosfolipid-dubbelskiktet tillåter lätt väsentliga molekyler såsom vatten, syre och koldioxid att korsar membranet, men mycket stora molekyler kan inte komma in i cellen på det här sättet eller kanske inte kan Allt. Med denna kombination av fosfolipider och proteiner sägs cellen vara selektivt permeabel, vilket endast tillåter vissa ämnen i fritt och andra via mer komplexa interaktioner.

Fosfolipider ger struktur till cellens membran, som i sin tur håller organeller organiserade och delad för att arbeta mer effektivt, men denna struktur hjälper också till i membranens flexibilitet och fluiditet. Vissa fosfolipider kommer att inducera negativ krökning av ett membran, medan andra inducerar en positiv krökning, beroende på deras smink. Proteiner bidrar också till membranets krökning. Fosfolipider kan också translokera över membran, ofta av speciella proteiner som flippaser, floppaser och scramblaser. Fosfolipider bidrar också till membranets ytladdning. Så medan fosfolipider bidrar till stabilitet, fusion och fission, hjälper de också till vid transport av material och signaler. Fosfolipider gör därför membran mycket dynamiska snarare än enkla tvåskiktsbarriärer. Och medan fosfolipider bidrar mer än vad man ursprungligen trodde till olika processer, förblir de stabilisatorer för cellulära membran över arter.

Med bättre teknik kan forskare visualisera vissa fosfolipider i levande celler via fluorescerande sonder. Andra metoder för att klargöra fosfolipidfunktionalitet inkluderar användning av knockout-arter (såsom möss) som har överuttryckta lipidmodifierande enzymer. Detta hjälper till att förstå fler funktioner för fosfolipider.

Fosfolipider tar en aktiv roll förutom att bilda dubbelskikt. Fosfolipider upprätthåller en gradient av kemiska och elektriska processer för att säkerställa cellöverlevnad. De är också viktiga för att reglera exocytos, kemotaxis och cytokinese. Vissa fosfolipider spelar en roll i fagocytos och arbetar för att omge partiklar för att bilda fagosomer. Fosfolipider bidrar också till endocytos, vilket är alstringen av vakuoler. Processen innebär bindning av membranet runt partiklar, förlängning och slutligen klyvning. De resulterande endosomerna och fagosomerna har i sin tur sina egna lipiddubbelskikt.

Fosfolipider reglerar cellulära processer relaterade till tillväxt, synaptisk överföring och immunövervakning.

En annan funktion av fosfolipider är att montera cirkulerande lipoproteiner. Dessa proteiner spelar den väsentliga rollen för transport för lipofila triglycerider och kolesteroler i blodet.

Fosfolipider fungerar också som emulgeringsmedel i kroppen, till exempel när de blandas med kolesteroler och gallsyra i gallblåsan för att göra miceller för att absorbera fettämnen. Fosfolipider spelar också rollen som vätning av ytor för sådana saker som leder, alveoler och andra kroppsdelar som kräver jämn rörelse.

Fosfolipider i eukaryoter framställs i mitokondrier, endosomer och endoplasmatisk retikulum (ER). De flesta fosfolipider tillverkas i det endoplasmiska retikulumet. I ER används fosfolipider vid nonvesikulär lipidtransport mellan ER och andra organeller. I mitokondrier spelar fosfolipider många roller för cellulär homeostas och mitokondriell funktion.

Fosfolipider som inte bildar dubbelskikt hjälper till med membranfusion och böjning.

De vanligaste fosfolipiderna i eukaryoter är glycerofosfolipiderna, som har en glycerolkedja. De har en huvudgrupp, hydrofoba sidokedjor och alifatiska kedjor. Huvudgruppen för dessa fosfolipider kan variera i kemisk sammansättning, vilket leder till olika sorter av fosfolipider. Strukturen hos dessa fosfolipider sträcker sig från cylindrisk till konisk till omvänt konisk, och som sådan skiljer sig deras funktionalitet. De arbetar med kolesterol och sfingolipider för att underlätta endocytos, de utgör lipoproteiner, används som ytaktiva medel och är de viktigaste komponenterna i cellulära membran.

Fosfatidinsyra (PA), även kallad fosfatidat, innehåller endast en liten andel fosfolipider i celler. Det är den mest basiska fosfolipiden och fungerar som en föregångare till andra glycerofosfolipider. Den har en konisk form och kan resultera i krökning av membran. PA främjar mitokondriell fusion och fission och är viktigt för lipidmetabolism. Det binder till Rac-proteinet, associerat med kemotaxi. Det antas också interagera med många andra proteiner på grund av dess anjoniska natur.

Fosfatidylkolin (PC) är fosfolipiden i största mängd och utgör så mycket som 55 procent av de totala lipiderna. PC är en jon som kallas en zwitterion, har en cylinderform och är känd för att bilda dubbelskikt. PC fungerar som ett komponentsubstrat för alstring av acetylkolin, en viktig neurotransmittor. PC kan omvandlas till andra lipider såsom sfingomyeliner. PC fungerar också som ytaktivt medel i lungorna och är en del av gallan. Dess allmänna roll är membranstabilisering.

Fosfatidyletanolamin (PE) är också ganska rikligt men är något koniskt och tenderar inte att bilda dubbelskikt. Det omfattar så mycket som 25 procent av fosfolipider. Det är överflödigt i mitokondriernas inre membran, och det kan göras av mitokondrier. PE har en relativt mindre huvudgrupp jämfört med PC. PE är känt för makroautofagi och hjälper till med membranfusion.

Cardiolipin (CL) är en konformad fosfolipid-dimer och är den huvudsakliga icke-dubbelskiktade fosfolipiden som finns i mitokondrier, som är de enda organellerna som framställer CL. Kardiolipin finns främst på det inre mitokondriella membranet och påverkar proteinaktiviteten i mitokondrier. Denna fettsyrarika fosfolipid är nödvändig för funktionaliteten hos mitokondriella andningskedjekomplex. CL utgör en betydande mängd hjärtvävnader och finns i celler och vävnader som kräver hög energi. CL arbetar för att locka protoner till ett enzym som kallas ATP-syntas. CL hjälper också till att signalera celldöd genom apoptos.

Fosfatidylinositol (PI) utgör så mycket som 15 procent av fosfolipider som finns i celler. PI finns i många organeller och dess huvudgrupp kan genomgå reversibla förändringar. PI fungerar som en föregångare som hjälper till vid meddelandeöverföring i nervsystemet såväl som membranhandel och proteininriktning.

Fosfatidylserin (PS) omfattar upp till 10 procent av fosfolipider i celler. PS spelar en viktig roll för signalering inom och utanför cellerna. PS hjälper nervceller att fungera och reglerar nervimpulsledning. PS-funktioner i apoptos (spontan celldöd). PS innefattar också trombocytmembran och spelar därför en roll vid koagulering.

Fosfatidylglycerol (PG) är en föregångare för bis (monoacylglycero) fosfat eller BMP, som finns i många celler och potentiellt nödvändig för kolesteroltransport. BMP finns främst i cellerna hos däggdjur, där det utgör ungefär 1 procent av fosfolipiderna. BMP tillverkas främst i multivesikulära kroppar och antas inducera inåtgående membran.

Sfingomyelin (SM) är en annan form av fosfolipid. SM är viktiga för smink av djurcellmembran. Medan ryggraden i glycerofosfolipider är glycerol, är ryggraden i sfingomyeliner sfingosin. Dubbelskikt av SM-fosfolipider reagerar annorlunda på kolesterol och är mer komprimerade men har minskad permeabilitet för vatten. SM består av lipidflottor, stabila nanodomäner i membran som är viktiga för membransortering, signaltransduktion och transport av proteiner.

Fosfolipid dysfunktion leder till ett antal störningar som Charcot-Marie-Tooth perifer neuropati, Scott syndrom och onormal lipidkatabolism, vilket är associerat med flera tumörer.

Genetiska störningar orsakade av genmutationer kan leda till dysfunktioner i fosfolipidbiosyntes och metabolism. Dessa visar sig vara ganska markerade i störningar relaterade till mitokondrier.

Ett effektivt lipidnätverk behövs i mitokondrierna. Fosfolipiderna kardiolipin, fosfatidinsyra, fosfatidylglycerol och fosfatidyletanolamin spelar alla en avgörande roll för att upprätthålla mitokondriernas membran. Mutationer av gener som påverkar dessa processer leder ibland till genetiska sjukdomar.

I den mitokondriella X-länkade sjukdomen Barth syndrom (BTHS), tillstånd inkluderar svaghet i skelettmuskler, minskad tillväxt, trötthet, motorfördröjning, kardiomyopati, neutropeni och 3-metylglutakonsyrauri, en potentiellt dödlig sjukdom. Dessa patienter uppvisar defekt mitokondrier, som har minskade mängder av fosfolipid CL.

Dilaterad kardiomyopati med ataxi (DCMA) presenterar med tidigt utbredd dilaterad kardiomyopati, ataxi hos cerebrum som inte är progressiv (men som resulterar i motoriska förseningar), tillväxtfel och andra tillstånd. Denna sjukdom härrör från funktionella problem med en gen som hjälper till att reglera CL-ombyggnad och mitokondrieproteinbiogenes.

MEGDEL-syndromet är en autosomal recessiv sjukdom med encefalopati, en viss form av dövhet, motoriska och utvecklingsfördröjningar och andra tillstånd. I den drabbade genen har CL: s föregångare fosfolipid, PG, en förändrad acylkedja, vilket i sin tur förändrar CL. Dessutom minskar gendefekterna nivåerna av fosfolipid BMP. Eftersom BMP reglerar kolesterolreglering och människohandel leder dess minskning till ackumulerat oförestrat kolesterol.

När forskare lär sig mer om fosfolipidernas roll och deras betydelse hoppas man att nya terapier kan göras för att behandla sjukdomar som är resultatet av deras dysfunktion.

Biokompatibiliteten hos fosfolipider gör dem till idealiska kandidater för läkemedelsleveranssystem. Deras amfifila konstruktion (som innehåller både vattenälskande och vattenhatande komponenter) hjälpmedel med självmontering och större strukturer. Fosfolipider bildar ofta liposomer som kan bära droger. Fosfolipider fungerar också som bra emulgeringsmedel. Läkemedelsföretag kan välja fosfolipider från ägg, sojabönor eller konstgjorda fosfolipider för att hjälpa till med läkemedelsleverans. Konstgjorda fosfolipider kan tillverkas av glycerofosfolipider genom att ändra huvud- eller svansgrupper eller båda. Dessa syntetiska fosfolipider är mer stabila och renare än naturliga fosfolipider, men deras kostnad tenderar att vara högre. Mängden fettsyror i antingen naturliga eller syntetiska fosfolipider kommer att påverka deras inkapslingseffektivitet.

Fosfolipider kan göra liposomer, speciella vesiklar som bättre kan matcha cellmembranstrukturen. Dessa liposomer tjänar sedan som läkemedelsbärare för antingen hydrofila eller lipofila läkemedel, läkemedel med kontrollerad frisättning och andra medel. Liposomer gjorda av fosfolipider används ofta i cancerläkemedel, genterapi och vacciner. Liposomer kan göras så att de är mycket specifika för läkemedelsleverans genom att få dem att likna det cellmembran de behöver korsa. Fosfolipidhalten i liposomer kan förändras baserat på platsen för den riktade sjukdomen.

De emulgerande egenskaperna hos fosfolipider gör dem idealiska för intravenösa injektionsemulsioner. Äggula och sojabönsfosfolipidemulsioner används ofta för detta ändamål.

Om läkemedel har dålig biotillgänglighet kan ibland naturliga flavonoider användas för att bilda komplex med fosfolipider, vilket hjälper läkemedelsabsorptionen. Dessa komplex tenderar att ge stabila läkemedel med längre verkan.

Eftersom fortsatt forskning ger mer information om de allt mer användbara fosfolipiderna kommer vetenskapen att dra nytta av kunskapen för att bättre förstå cellulära processer och göra mer riktade mediciner.