Fosfatidylethanolamin (PE) je glycerofosfolipid abundande v plazmatických membránách prokaryot. Naopak v eukaryotických buněčných membránách je to druhý nejhojnější glycerofosfolipid na vnitřní straně plazmatické membrány po fosfatidylcholinu.
Přes hojnost fosfatidylethanolaminu, jeho hojnost závisí nejen na typu buňky, ale také na kompartmentu a okamžiku konkrétního uvažovaného životního cyklu buněk.
Fosfatidylethanolaminová molekula
Biologické membrány jsou bariéry, které definují buněčné organismy. Mají nejen ochranné a izolační funkce, ale jsou také klíčem k vytvoření proteinů, které pro své optimální fungování vyžadují hydrofobní prostředí.
Jak eukaryoty, tak prokaryoty mají membrány složené hlavně z glycerofosfolipidů a v menší míře sfingolipidů a sterolů.
Glycerofosfolipidy jsou amfipatické molekuly strukturované na L-glycerolovém základním řetězci, který je esterifikován v pozicích sn-1 a sn-2 dvěma mastnými kyselinami různé délky a stupně nasycení. V hydroxylové poloze sn-3 je esterifikována fosfátovou skupinou, ke které mohou být připojeny různé typy molekul, které vedou k různým třídám glycerofosfolipidů.
V buněčném světě existuje velké množství glycerofosfolipidů, nejhojnější jsou však fosfatidylcholin (PC), fosfatidylethanolamin (PE), fosfatidylserin (PS), fosfatidylinositol (PI), fosfatidylglycerol (PG) a fosfatidylglycerol (PG) a kardiolipin (CL).
Struktura
Struktura fosfatidylethanolaminu byla objevena Baerem et al. V roce 1952. Jak bylo experimentálně stanoveno pro všechny glycerofosfolipidy, fosfatidylethanolamin je tvořen molekulou glycerolu esterifikovanou v sn-1 a sn-2 pozicích kyselými řetězci mastná s 16 až 20 atomy uhlíku.
Mastné kyseliny esterifikované v hydroxyskupině sn-1 jsou obecně nasycené (bez dvojných vazeb) s maximální délkou 18 atomů uhlíku, zatímco řetězce spojené v poloze sn-2 jsou delší a mají jednu nebo více nenasycených vazeb (dvojné vazby).
Stupeň nasycení těchto řetězců přispívá k pružnosti membrány, což má velký vliv na inzerci a sekvestraci proteinů v dvojvrstvu.
Fosfatidylethanolamin je považován za lamelární glycerofosfolipid, protože má kónický geometrický tvar. Tento tvar je dán malou velikostí jeho polární skupiny nebo „hlavy“ ve vztahu k řetězcům mastných kyselin, které obsahují hydrofobní „ocasy“.
„Hlava“ nebo polární skupina fosfatidylethanolaminu má zwitteriontový charakter, to znamená, že má skupiny, které mohou být za určitých podmínek pH kladně a záporně nabity.
Tato vlastnost mu umožňuje vodíkovou vazbu s velkým počtem aminokyselinových zbytků a její distribuce náboje je nezbytným určujícím faktorem pro topologii domény mnoha integrálních membránových proteinů.
Biosyntéza
V eukaryotických buňkách je syntéza strukturálních lipidů geograficky omezena, přičemž hlavním místem biosyntézy je endoplazmatické retikulum (ER) a v menší míře Golgiho aparát.
Pro produkci fosfatidylethanolaminu existují čtyři nezávislé biosyntetické dráhy: (1) dráha CDP-ethanolaminu, známá také jako Kennedyho cesta; (2) dráha PSD pro dekarboxylaci fosfatidylserinu (PS); (3) acylace lyso-PE a (4) reakce změny báze polární skupiny jiných glycerofosfolipidů.
Kennedy Route
Biosyntéza fosfatidylethanolaminu touto cestou je omezena na ER a ukázalo se, že v jaterních buňkách křečka je hlavní cestou produkce. Skládá se ze tří po sobě jdoucích enzymatických kroků katalyzovaných třemi různými enzymy.
V prvním kroku jsou fosfoethanolamin a ADP produkovány díky působení ethanolamin kinázy, která katalyzuje ATP-dependentní fosforylaci ethanolaminu.
Na rozdíl od rostlin nejsou savci ani kvasinky schopni tento substrát produkovat, takže musí být konzumován ve stravě nebo získán degradací dříve existujících molekul fosfatidylethanolaminu nebo sfingosinu.
Fosfhoethanolamin se používá v CTP: fosfoethanolamin cytidyltransferáze (ET) k vytvoření vysoce energetické sloučeniny CDP: ethanolamin a anorganického fosfátu.
1,2-Diacylglycerol ethanolamin fosfotransferáza (ETP) využívá energii obsaženou v CDP-ethanolaminové vazbě kovalentní vazbě ethanolaminu na molekulu diacylglycerolu vloženou do membrány, což vede k fosfatidylethanolaminu.
Trasa PSD
Tato cesta funguje jak v prokaryotoch, tak u kvasinek a savců. U bakterií se vyskytuje v plazmatické membráně, ale v eukaryotech se vyskytuje v oblasti endoplazmatického retikula, které úzce souvisí s mitochondriální membránou.
U savců je cesta katalyzována jediným enzymem, fosfatidylserin dekarboxylázou (PSD1p), který je zabudován do mitochondriální membrány, jejíž gen je kódován jádrem. Reakce zahrnuje dekarboxylaci PS na fosfatidylethanolamin.
Zbývající dvě cesty (acylace PE-lyso a výměna vápníku v závislosti na polární skupině) se vyskytují v endoplazmatickém retikulu, ale významně nepřispívají k celkové produkci fosfatidylethanolaminu v eukaryotických buňkách.
Funkce
Glycerofosfolipidy mají v buňce tři hlavní funkce, mezi kterými vynikají strukturální funkce, ukládání energie a buněčná signalizace.
Fosfatidylethanolamin je spojen s ukotvením, stabilizací a skládáním více membránových proteinů, jakož i s konformačními změnami nezbytnými pro funkci mnoha enzymů.
Existují experimentální důkazy, které navrhují fosfatidylethanolamin jako rozhodující glycerofosfolipid v pozdním stádiu telopházy, během tvorby kontraktilního kruhu a zřízení fragmoplastu, který umožňuje rozdělení membrány dvou dceřiných buněk.
Má také důležitou roli ve všech procesech fúze a štěpení (sjednocení a separace) membrán endoplazmatického retikula a Golgiho aparátu.
V E. coli bylo prokázáno, že fosfatidylethanolamin je nezbytný pro správné složení a funkci enzymu laktóza-permeáza, a proto bylo navrženo, že hraje roli molekulárního „chaperonu“.
Fosfatidylethanolamin je hlavním dárcem molekuly ethanolaminu, který je nezbytný pro posttranslační modifikaci řady proteinů, jako jsou GPI kotvy.
Tento glycerofosfolipid je předchůdcem mnoha molekul s enzymatickou aktivitou. Kromě toho molekuly, které jsou odvozeny od jeho metabolismu, jakož i diacylglycerol, kyselina fosfatidová a některé mastné kyseliny, mohou působit jako druhé posly. Kromě toho je důležitým substrátem pro výrobu fosfatidylcholinu.
Reference
- Brouwers, JFHM, Vernooij, EAAM, Tielens, AGM a van Golde, LMG (1999). Rychlá separace a identifikace molekul fosfatidylethanolaminu. Journal of Lipid Research, 40 (1), 164–169. Obnoveno z jlr.org
- Calzada, E., McCaffery, JM, & Claypool, SM (2018). Fosfatidylethanolamin vytvořený ve vnitřní mitochondriální membráně je nezbytný pro funkci komplexu 3 kvasinkového cytochromu bcl. BioRxiv, 1, 46.
- Calzada, E., Onguka, O., & Claypool, SM (2016). Fosfatidylethanolaminový metabolismus ve zdraví a nemoci. Mezinárodní přehled buněčné a molekulární biologie (svazek 321). Elsevier Inc.
- Gibellini, F., a Smith, TK (2010). Kennedyho cesta-de novo syntéza fosfatidylethanolaminu a fosfatidylcholinu. IUBMB Life, 62 (6), 414–428.
- 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. Cambrudge University Press. Obnoveno z cambrudge.org
- Seddon, JM, Cevc, G., Kaye, RD, a Marsh, D. (1984). Rentgenová difrakční studie polymorfismu hydratovaných diacyl- a dialkylfosfatidylethanolaminů. Biochemistry, 23 (12), 2634-2644.
- Sendecki, AM, Poyton, MF, Baxter, AJ, Yang, T. a Cremer, PS (2017). Podporované lipidové dvojvrstvy s fosfatidylethanolaminem jako hlavní složkou. Langmuir, 33 (46), 13423–13429.
- van Meer, G., Voelker, DR, a Feignenson, GW (2008). Membránové lipidy: kde jsou a jak se chovají. Nature Reviews, 9, 112-124.
- Vance, JE (2003). Molekulární a buněčná biologie metabolismu fosfatidylserinu a fosfatidylethanolaminu. V K. Moldave (Ed.), Progress Nucleic Acid Research a Molecular Biology (str. 69-111). Academic Press.
- Vance, JE (2008). Fosfatidylserin a fosfatidylethanolamin v savčích buňkách: dva metabolicky příbuzné aminofosfolipidy. Journal of Lipid Research, 49 (7), 1377-1387.
- Vance, JE, & Tasseva, G. (2013). Tvorba a funkce fosfatidylserinu a fosfatidylethanolaminu v savčích buňkách. Biochimica et Biophysica Acta - Molekulární a buněčná biologie lipidů, 1831 (3), 543–554.
- Watkins, SM, Zhu, X. a Zeisel, SH (2003). Fosfatidylethanolamin-N-methyltransferáza a dietní cholín regulují tok lipidů v plazmě v játrech a esenciální metabolismus mastných kyselin u myší. The Journal of Nutrition, 133 (11), 3386–3391.