Kardiolipin, také známý jako diphosphatidylglycerol, je rodina lipidů glicerofosfolípidos a skupina poliglicerofosfolípidos. Nachází se v mitochondriální membráně eukaryotických organismů, v plazmatické membráně mnoha bakterií a také v některých archaeach.
Pangborn byl objeven v roce 1942 z analýzy membránových lipidů srdeční tkáně skotu. Jeho struktura byla navržena v roce 1956 a chemická syntéza proběhla asi o 10 let později.
Struktura kardiolipinu (Zdroj: Edgar181 přes Wikimedia Commons)
Někteří autoři se domnívají, že její přítomnost je omezena na membrány produkující ATP, jako například v případě mitochondrií v eukaryotech, plazmatických membránách v bakteriích a hydrogensomech (organochelách podobných mitochondriím) u některých protistů.
Skutečnost, že se kardiolipin nachází v mitochondriích a v plazmatické membráně bakterií, byla použita k posílení základů endosymbiotické teorie, která uvádí, že mitochondrie vznikla v progenitorových buňkách eukaryot fagocytózou bakterie, která pak se stala závislou na buňce a naopak.
Jeho biosyntetická cesta u zvířat byla popsána v letech 1970 až 1972 a později se ukázalo, že se jedná o stejnou cestu, která se vyskytuje v rostlinách, kvasnicích, plísních a bezobratlých. Není to velmi hojný lipid, ale buňky vyžadují, aby správně fungoval.
Význam tohoto fosfolipidu pro mitochondrie, a tedy pro buněčný metabolismus, je zřejmý, když porucha metabolických drah, které jsou s ním spojeny, vede k lidské patologii známé jako Barthův syndrom (kardioskeletální myopatie).
Struktura
Kardiolipin nebo difosfatidylglycerol je tvořen dvěma molekulami kyseliny fosfatidové (nejjednodušší fosfolipid), které jsou spolu spojeny molekulou glycerolu.
Kyselina fosfatidová, jeden z běžných meziproduktů v biosyntetických drahách jiných fosfolipidů, sestává z molekuly glycerol 3-fosfátu, na kterou jsou dva řetězce mastných kyselin esterifikovány v pozicích uhlíku 1 a 2, takže to je také známé jako 1,2-diacylglycerol 3-fosfát.
Kardiolipin se tedy skládá ze tří molekul glycerolu: centrální glycerol, připojený k fosfátové skupině na uhlíku 1, další fosfátová skupina na uhlíku 3 a hydroxylová skupina na uhlíku 2; a dva "vedlejší" glyceroly.
Dvě "postranní" glycerolové molekuly jsou připojeny k centrální molekule "glycerolovými můstky" přes své uhlíky v poloze 3. V uhlících v pozicích 1 a 2 jsou esterifikovány dva řetězce mastných kyselin o délce a nasycení. proměnná.
Kardiolipin je lipid, který může nebo nemusí tvořit dvojvrstvy, v závislosti na přítomnosti nebo nepřítomnosti dvojmocných kationtů. Souvisí to se skutečností, že se jedná o symetrickou molekulu, která je důležitá v membránách, které jsou zodpovědné za procesy přenosu energie.
Stejně jako ostatní lipidy ze skupiny polyglycerofosfolipidů má kardiolipin několik hydroxylových skupin, které mohou sloužit k vazbě mastných kyselin. Proto má více polohových stereoisomerů.
Vaše mastné kyseliny
Různé studie prokázaly, že mastné kyseliny připojené k postranním glycerolovým molekulám kardiolipinu jsou obvykle nenasycené, ale stupeň nenasycení nebyl stanoven.
Takové mastné kyseliny tedy mohou mít délku 14-22 uhlíků a 0-6 dvojných vazeb. To a skutečnost, že kardiolipin má čtyři spojené molekuly mastných kyselin, znamená, že může existovat více proměnných a kombinací tohoto fosfolipidu.
Syntéza
Biosyntéza kardiolipinu, jak lze očekávat, začíná syntézou kyseliny fosfatidové nebo 1,2-diacylglycerol-3-fosfátu z glycerol-3-fosfátu a mastných kyselin. K tomuto procesu dochází v mitochondriích eukaryot a v plazmatické membráně bakterií.
Syntéza v eukaryotech
Po vytvoření kyselina fosfatidová reaguje s vysoce energetickou molekulou analogickou ATP: CTP. Pak se vytvoří meziprodukt, také s vysokou energií, známý jako fosfatidyl-CMP. Aktivovaná fosfatidylová skupina je přenesena na hydroxylovou skupinu v poloze C1 centrální molekuly glycerolu, která slouží jako páteř.
Výsledkem tohoto procesu je molekula zvaná fosfatidylglycerofosfát, která je hydrolyzována za vzniku fosfatidylglycerolu. To dostává další fosfatidyl skupinu aktivovanou z jiné fosfatidyl-CMP molekuly, reakci katalyzovanou fosfatidyltransferázou známou také jako kardiolipin syntáza.
Enzym cardiolipin syntáza se nachází ve vnitřní mitochondriální membráně a zdá se, že tvoří velký komplex, alespoň v kvasnicích. Jeho gen je exprimován ve velkém množství v tkáních bohatých na mitochondrie, jako jsou srdce, játra a kosterní sval obratlovců.
Regulace její aktivity do značné míry závisí na stejných transkripčních faktorech a endokrinních faktorech, které modulují mitochondriální biogenezi.
Jakmile je syntetizován ve vnitřní mitochondriální membráně, musí být kardiolipin přemístěn směrem k vnější mitochondriální membráně tak, aby v membráně proběhla řada topologických procesů a byly přizpůsobeny další její strukturální prvky.
Syntéza v prokaryotech
Obsah kardiolipinu v bakteriích může být vysoce variabilní a závisí hlavně na fyziologickém stavu buněk: obvykle je méně hojný v exponenciální růstové fázi a hojnější, když je redukován (například ve stacionární fázi).
Jeho biosyntetická cesta může být vyvolána různými stresovými stimuly, jako jsou energetické deficity nebo osmotický stres.
Dokud nedochází k tvorbě fosfatidylglycerolu, je proces v eukaryotech a prokaryotech ekvivalentní, ale v prokaryotech fosfatidylglycerol dostává transesterifikací fosfatidylskupinu z jiné molekuly fosfatidylglycerolu. Tato reakce je katalyzována enzymem typu fosfolipázy D známým také jako kardiolipin syntáza.
Tato reakce je známá jako „transfosfatidylační“ reakce (z anglické „transposfatidylace“), kde jeden z fosfatidylglycerolů působí jako dárce fosfatidylové skupiny a druhý jako akceptor.
Funkce
Fyzikální vlastnosti molekul kardiolipinu zjevně umožňují určité interakce, které hrají důležitou roli ve strukturální organizaci membrán, kde se nacházejí.
Mezi tyto funkce patří mimo jiné diskriminace některých membránových domén, interakce nebo „křížení“ s transmembránovými proteiny nebo jejich subdoménami.
Kardiolipin je díky svým fyzikálně-chemickým vlastnostem rozpoznáván jako lipid, který netvoří dvojvrstvu, ale jehož funkcí může být stabilizace a „přizpůsobení“ transmembránových proteinů v lipidových dvojvrstvách.
Jeho elektrické vlastnosti, zejména, dávají jí funkce v procesech přenosu protonů, které probíhají v mitochondriích.
Ačkoli buňky mohou přežít bez tohoto fosfolipidu, některé studie prokázaly, že je to nezbytné pro jejich optimální fungování.
Reference
- Harayama, T., a Riezman, H. (2018). Pochopení rozmanitosti složení membránových lipidů. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 19 (5), 281–296.
- Luckey, M. (2008). Strukturní biologie membrány: s biochemickými a biofyzikálními základy. Cambridge University Press.
- Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V. a Weil, P. (2009). Harperova ilustrovaná biochemie (28. vydání). McGraw-Hill Medical.
- van Meer, G., Voelker, DR, a Feigenson, GW (2008). Membránové lipidy: kde jsou a jak se chovají. Nature Reviews, 9, 112-124.
- Vance, JE, a Vance, DE (2008). Biochemie lipidů, lipoproteinů a membrán. V New Comprehensive Biochemistry svazek 36 (4. vydání). Elsevier.