Kwas fosfatydowy - Phosphatidic acid

Kwasy fosfatydowe są anionowymi fosfolipidami ważnymi dla sygnalizacji komórkowej i bezpośredniej aktywacji kanałów jonowych bramkowanych lipidami . Hydroliza kwasu fosfatydowego powoduje powstanie jednej cząsteczki glicerolu i kwasu fosforowego oraz dwóch cząsteczek kwasów tłuszczowych. Stanowią około 0,25% fosfolipidów w dwuwarstwie.

Struktura

Ogólna struktura chemiczna kwasów fosfatydowych

Kwas fosfatydowy składa się ze szkieletu glicerolowego , na ogół z nasyconym kwasem tłuszczowym związanym z węglem -1, nienasyconym kwasem tłuszczowym związanym z węglem -2 i grupą fosforanową związaną z węglem -3.

Formacja i degradacja

Oprócz syntezy de novo, PA można tworzyć na trzy sposoby:

Synteza kwasu fosfatydowego en.svg

PA jest degradowany przez konwersję do DAG przez fosfohydrolazy lipidowo-fosforanowe (LPP) lub do lizo-PA przez fosfolipazę A (PLA).

Role w komórce

Rolę PA w komórce można podzielić na trzy kategorie:

  • PA jest prekursorem biosyntezy wielu innych lipidów.
  • Właściwości fizyczne PA wpływają na krzywiznę membrany.
  • PA działa jako lipid sygnałowy, rekrutując białka cytozolowe do odpowiednich błon (np. kinaza sfingozynowa 1 ).
  • PA odgrywa bardzo ważną rolę w fototransdukcji u Drosophila
  • PA jest ligandem lipidowym, który bramkuje kanały jonowe. Zobacz także kanały jonowe bramkowane lipidami .

Pierwsze trzy role nie wykluczają się wzajemnie. Na przykład PA może brać udział w tworzeniu pęcherzyków poprzez promowanie krzywizny błony i rekrutację białek do wykonywania znacznie bardziej niekorzystnego energetycznie zadania, jakim jest tworzenie szyi i szczypanie.

Role w biosyntezie

PA jest niezbędnym lipidem komórkowym, który działa jako biosyntetyczny prekursor tworzenia (bezpośrednio lub pośrednio) wszystkich lipidów acyloglicerolowych w komórce.

W komórkach ssaków i drożdży znane są dwa różne szlaki syntezy PA de novo, szlak 3-fosforanu glicerolu lub szlak fosforanu dihydroksyacetonu. U bakterii obecny jest tylko ten pierwszy szlak, a mutacje blokujące ten szlak są śmiertelne, co wskazuje na znaczenie PA. W komórkach ssaków i drożdży, gdzie enzymy w tych szlakach są zbędne, mutacja żadnego enzymu nie jest śmiertelna. Jednak warto zauważyć, że in vitro różne acylotransferazy wykazują różne specyficzności substratowe w stosunku do acylo-CoA, które są włączone do PA. Różne acylotransferazy mają również różne rozkłady wewnątrzkomórkowe, takie jak retikulum endoplazmatyczne (ER), mitochondria lub peroksysomy oraz lokalne stężenia aktywowanych kwasów tłuszczowych. Sugeruje to, że różne acylotransferazy obecne w komórkach ssaków i drożdży mogą być odpowiedzialne za wytwarzanie różnych puli PA.

Konwersja PA do diacyloglicerolu (DAG) przez LPP jest etapem zaangażowania w produkcję fosfatydylocholiny (PC), fosfatydyloetanoloaminy (PE) i fosfatydyloseryny (PS). Ponadto DAG także przekształcić CDP-DAG, który jest prekursorem dla fosfatydyloglicerol (PG), fosfatydyloinozytolu (PI) i fosfoinozytydy (PIP, PIP 2 PIP 3 ).

Stężenia PA są utrzymywane na skrajnie niskich poziomach w komórce dzięki aktywności silnych LPP. Przekształcają one PA w DAG bardzo szybko, a ponieważ DAG jest prekursorem dla tak wielu innych lipidów, jest również szybko metabolizowany do innych lipidów błonowych. Oznacza to, że wszelkie podwyższenie produkcji PA można z czasem dopasować do odpowiedniego podwyższenia poziomu LPP i enzymów metabolizujących DAG.

PA jest zatem niezbędny do syntezy lipidów i przeżycia komórek, jednak w normalnych warunkach utrzymuje się w komórce na bardzo niskim poziomie.

Właściwości biofizyczne

PA jest unikalnym fosfolipidem, ponieważ ma małą, silnie naładowaną grupę czołową, która jest bardzo blisko szkieletu glicerolowego. Wiadomo, że PA odgrywa rolę zarówno w rozszczepianiu, jak i fuzji pęcherzyków , a role te mogą odnosić się do biofizycznych właściwości PA.

W miejscach pączkowania lub fuzji błony błona staje się lub jest mocno zakrzywiona. Ważnym wydarzeniem w pączkowaniu pęcherzyków, takim jak nośniki transportowe z aparatu Golgiego , jest tworzenie i późniejsze zwężenie szyjki błony. Badania sugerują, że proces ten może być napędzany przez lipidy i postulują centralną rolę dla DAG ze względu na jego unikalny kształt molekularny. Obecność dwóch łańcuchów acylowych, ale brak grupy czołowej, powoduje dużą ujemną krzywiznę w błonach.

LPAAT BARS-50 był również zamieszany w pączkowanie z Golgiego. Sugeruje to, że konwersja lizoPA do PA może wpływać na krzywiznę błony. Aktywność LPAAT podwaja liczbę łańcuchów acylowych, znacznie zwiększając pole przekroju poprzecznego lipidu, który znajduje się "w" błonie, podczas gdy grupa czołowa powierzchni pozostaje niezmieniona. Może to spowodować bardziej ujemną krzywiznę membrany. Naukowcy z Uniwersytetu w Utrechcie przyjrzeli się wpływowi lizoPA w porównaniu z PA na krzywiznę błony, mierząc wpływ, jaki mają one na temperaturę przejścia PE z dwuwarstw lipidowych do faz nielamelarnych przy użyciu 31 P-NMR. Wykazano, że krzywizna indukowana przez te lipidy zależy nie tylko od struktury lizoPA w porównaniu z PA, ale także od właściwości dynamicznych, takich jak uwodnienie grup głównych oraz interakcje między- i wewnątrzcząsteczkowe. Na przykład Ca 2+ może oddziaływać z dwoma PA, tworząc neutralny, ale mocno zakrzywiony kompleks. Neutralizacja w przeciwnym razie odpychających ładunków grup czołowych i brak jakiejkolwiek przeszkody przestrzennej umożliwia silne interakcje międzycząsteczkowe między łańcuchami acylowymi, co skutkuje powstaniem mikrodomen bogatych w PA. Zatem in vitro fizjologiczne zmiany pH, temperatury i stężeń kationów mają silny wpływ na krzywiznę błony indukowaną przez PA i lysoPA. Wzajemna konwersja lizoPA, PA i DAG – oraz zmiany pH i stężenia kationów – mogą powodować zginanie i destabilizację błony, odgrywając bezpośrednią rolę w rozszczepieniu błony, po prostu ze względu na ich właściwości biofizyczne. Jednakże, chociaż wykazano, że PA i lysoPA wpływają na krzywiznę błony in vitro ; ich rola in vivo jest niejasna.

Rola lysoPA, PA i DAG w promowaniu krzywizny błony nie wyklucza roli w rekrutacji białek do błony. Na przykład, dodatek aneksyny I nie wpływa znacząco na zapotrzebowanie Ca2 + na fuzję złożonych liposomów, chociaż jest ono zmniejszane przez PLD. Jednak w przypadku aneksyny I i PLD zakres fuzji jest znacznie zwiększony, a zapotrzebowanie na Ca2 + jest zmniejszone prawie 1000-krotnie do poziomów zbliżonych do fizjologicznych.

Zatem role metaboliczne, biofizyczne, rekrutacyjne i sygnalizacyjne PA mogą być ze sobą powiązane.

Rola w sygnalizacji

PA jest utrzymywany na niskim poziomie w masie membrany, aby przejściowo pękać i sygnalizować lokalnie w wysokim stężeniu. Na przykład kanały TREK-1 są aktywowane przez lokalne powiązanie z PLD i produkcją PA. Stała dysocjacji PA dla TREK-1 wynosi około 10 mikromoli. Stosunkowo słabe wiązanie w połączeniu z niskim stężeniem PA w membranie pozwala na wyłączenie kanału. Lokalne wysokie stężenie do aktywacji sugeruje co najmniej pewne ograniczenia w lokalnej dyfuzji lipidów. Masowe niskie stężenie PA w połączeniu z wysokimi lokalnymi impulsami jest przeciwieństwem sygnalizacji PIP2. PIP2 jest utrzymywany stosunkowo wysoko w błonie, a następnie przejściowo hydrolizowany w pobliżu białka w celu przejściowego zmniejszenia sygnalizacji PIP2. Sygnalizacja PA odzwierciedla sygnalizację PIP2 w tym sensie, że masowe stężenie lipidu sygnalizacyjnego nie musi się zmieniać, aby wywierać silny lokalny wpływ na docelowe białko.

Jak opisano powyżej, PLD hydrolizuje PC z wytworzeniem PA i choliny . Ponieważ cholina jest bardzo obfita w komórce, aktywność PLD nie wpływa znacząco na poziom choliny; a cholina prawdopodobnie nie będzie odgrywać żadnej roli w sygnalizacji.

Rola aktywacji PLD w licznych kontekstach sygnalizacyjnych, w połączeniu z brakiem roli choliny, sugeruje, że PA jest ważne w sygnalizacji. Jednak PA jest szybko przekształcany w DAG, a DAG jest również znany jako cząsteczka sygnalizacyjna. Rodzi to pytanie, czy PA odgrywa jakąkolwiek bezpośrednią rolę w sygnalizacji, czy po prostu działa jako prekursor do produkcji DAG. Jeśli okaże się, że PA działa tylko jako prekursor DAG, można zadać pytanie, dlaczego komórki powinny wytwarzać DAG przy użyciu dwóch enzymów, skoro zawierają PLC, który może wytwarzać DAG w jednym kroku.

PA wytwarzane przez PLD lub DAGK można wyodrębnić dodając y- [ 32 P] ATP. To pokaże, czy grupa fosforanowa jest nowo wyprowadzona z aktywności kinazy, czy też pochodzi z PC.

Chociaż PA i DAG są wzajemnie konwertowalne, nie działają na tych samych ścieżkach. Bodźce aktywujące PLD nie aktywują enzymów poniżej DAG i odwrotnie. Na przykład, wykazano, że dodanie PLD membrany powoduje powstanie w [ 32 P] -znakowanego Pa i [ 32 P] -znakowanego fosfoinozytydy. Dodanie inhibitorów DAGK eliminuje produkcję [ 32 P] -znakowanego PA, ale nie stymuluje produkcji PLD z fosfoinozytydach.

Jest możliwe, że chociaż PA i DAG są wzajemnie konwertowalne, można zachować oddzielne pule lipidów sygnalizujących i niesygnalizujących. Badania sugerują, że w sygnalizacji DAG pośredniczy wielonienasycony DAG, podczas gdy PA pochodzący z PLD jest jednonienasycony lub nasycony. Zatem funkcjonalny nasycony/jednonienasycony PA może zostać zdegradowany przez hydrolizę go z wytworzeniem niefunkcjonalnego nasyconego/jednonienasyconego DAG, podczas gdy funkcjonalny wielonienasycony DAG może zostać zdegradowany przez przekształcenie go w niefunkcjonalny wielonienasycony PA.

Model ten sugeruje, że efektory PA i DAG powinny być w stanie odróżnić lipidy z tymi samymi grupami czołowymi, ale z różnymi łańcuchami acylowymi. Chociaż niektóre białka wiążące lipidy są zdolne do wstawiania się do błon i hipotetycznie mogą rozpoznawać typ łańcucha acylowego lub wynikające z tego właściwości błony, wiele białek wiążących lipidy jest cytozolowych i lokalizuje się na błonie, wiążąc tylko grupy czołowe lipidów. Być może różne łańcuchy acylowe mogą wpływać na kąt główki w błonie. Jeśli tak jest, sugeruje to, że domena wiążąca PA musi nie tylko być w stanie specyficznie wiązać PA, ale musi również być w stanie zidentyfikować te grupy głów, które znajdują się pod odpowiednim kątem. Bez względu na mechanizm, taka specyfika jest możliwa. Widać to w DAGK z jąder świni, który jest specyficzny dla wielonienasyconych DAG oraz w dwóch LPP hepatocytów szczura, które defosforylują różne gatunki PA o różnej aktywności. Ponadto wykazano , że stymulacja aktywności SK1 przez PS in vitro różni się znacznie w zależności od tego, czy zastosowano dioleoilowe (C18:1), distearoilowe (C18:0) lub 1-stearoilowe, 2-oleoilowe rodzaje PS. Wydaje się zatem, że chociaż PA i DAG są wzajemnie konwertowalne, różne gatunki lipidów mogą mieć różne aktywności biologiczne; a to może umożliwić dwóm lipidom utrzymanie oddzielnych szlaków sygnałowych.

Pomiar produkcji PA

Ponieważ PA jest szybko przekształcany w DAG, jest bardzo krótkotrwały w komórce. Oznacza to, że trudno jest zmierzyć produkcję PA, a zatem zbadać rolę PA w komórce. Aktywność PLD można jednak zmierzyć przez dodanie do komórki pierwszorzędowych alkoholi. PLD przeprowadza następnie reakcję transfosfatydylacji zamiast hydrolizy, wytwarzając alkohole fosfatydylowe zamiast PA. Alkohole fosfatydylowe są ślepymi zaułkami metabolicznymi i można je łatwo wyekstrahować i zmierzyć. W ten sposób można zmierzyć aktywność PLD i produkcję PA (jeśli nie sam PA), a poprzez blokowanie tworzenia PA można wywnioskować udział PA w procesach komórkowych.

Interaktory białek

Bibliografia

Zewnętrzne linki