Kardiolipin, tiež známy ako diphosphatidylglycerol, je rodina lipidov glicerofosfolípidos a skupina poliglicerofosfolípidos. Nachádza sa v mitochondriálnej membráne eukaryotických organizmov, v plazmatickej membráne mnohých baktérií a tiež v niektorých archaeach.
Zistil ju Pangborn v roku 1942 z analýzy membránových lipidov srdcového tkaniva hovädzieho dobytka. Jeho štruktúra bola navrhnutá v roku 1956 a chemická syntéza prebehla asi o 10 rokov neskôr.
Štruktúra kardiolipínu (Zdroj: Edgar181 prostredníctvom Wikimedia Commons)
Niektorí autori sa domnievajú, že jej prítomnosť je obmedzená na membrány produkujúce ATP, ako napríklad v prípade mitochondrií v eukaryotoch, plazmatických membránach v baktériách a hydrogenzómov (organochelách podobných mitochondriám) u určitých protistov.
Skutočnosť, že sa kardiolipín nachádza v mitochondriách a v plazmatickej membráne baktérií, sa používa na posilnenie základov endosymbiotickej teórie, ktorá uvádza, že mitochondrie vznikla v progenitorových bunkách eukaryotov fagocytózou baktérie, ktorá potom sa stala závislou na bunke a naopak.
Jeho biosyntetická cesta u zvierat bola opísaná v rokoch 1970 až 1972 a neskôr sa ukázalo, že ide o rovnakú cestu, ktorá sa vyskytuje v rastlinách, kvasinkách, plesniach a bezstavovcoch. Nie je to veľmi hojný lipid, ale bunky vyžadujú, aby správne fungoval.
Dôležitosť tohto fosfolipidu pre mitochondrie, a tým aj pre bunkový metabolizmus, je zrejmá, keď porucha metabolických dráh, ktoré sú s ňou spojené, vedie k ľudskej patológii známej ako Barthov syndróm (kardioskeletálna myopatia).
štruktúra
Kardiolipín alebo difosfatidylglycerol je tvorený dvoma molekulami kyseliny fosfatidovej (najjednoduchší fosfolipid), ktoré sú navzájom spojené molekulou glycerolu.
Kyselina fosfatidová, jeden z bežných medziproduktov v biosyntetických dráhach iných fosfolipidov, pozostáva z molekuly glycerol-3-fosfátu, na ktorú sú dva reťazce mastných kyselín esterifikované v pozíciách uhlíka 1 a 2, takže je tiež známy ako 1,2-diacylglycerol 3-fosfát.
Preto je kardiolipín zložený z troch molekúl glycerolu: centrálny glycerol, viazaný na fosfátovú skupinu na uhlíku 1, ďalšiu fosfátovú skupinu na uhlíku 3 a hydroxylovú skupinu na uhlíku 2; a dva "vedľajšie" glyceroly.
Dve "vedľajšie" molekuly glycerolu sú pripojené k centrálnej molekule prostredníctvom "glycerolových mostíkov" cez svoje uhlíky v polohe 3. V uhlíkoch v pozíciách 1 a 2 sú esterifikované dva reťazce mastných kyselín dlhé a nasýtené. variabilné.
Kardiolipín je lipid, ktorý môže alebo nemusí tvoriť dvojvrstvy, v závislosti od prítomnosti alebo neprítomnosti dvojmocných katiónov. Súvisí to so skutočnosťou, že ide o symetrickú molekulu, ktorá je dôležitá v membránach, ktoré sú zodpovedné za procesy transdukcie energie.
Rovnako ako iné lipidy skupiny polyglycerofosfolipidov, aj kardiolipín má niekoľko hydroxylových skupín, ktoré môžu slúžiť na väzbu mastných kyselín. Preto má viac polohových stereoizomérov.
Vaše mastné kyseliny
Rôzne štúdie stanovili, že mastné kyseliny naviazané na laterálne glycerolové molekuly kardiolipínu sú zvyčajne nenasýtené, ale stupeň nenasýtenia nebol stanovený.
Takéto mastné kyseliny môžu mať dĺžku 14 až 22 uhlíkov a 0 až 6 dvojitých väzieb. To a skutočnosť, že kardiolipín má štyri spojené molekuly mastných kyselín, naznačuje, že môže existovať viac premenných a kombinácií tohto fosfolipidu.
syntéza
Biosyntéza kardiolipínu, ako sa dá očakávať, začína syntézou kyseliny fosfatidovej alebo 1,2-diacylglycerol-3-fosfátu z glycerol-3-fosfátu a mastných kyselín. Tento proces sa vyskytuje v mitochondriách eukaryot a v plazmatickej membráne baktérií.
Syntéza v eukaryotoch
Po vytvorení reaguje kyselina fosfatidová s vysokoenergetickou molekulou analogickou ATP: CTP. Potom sa vytvorí medziprodukt, tiež s vysokou energiou, známy ako fosfatidyl-CMP. Aktivovaná fosfatidylová skupina sa prenáša na hydroxylovú skupinu v polohe C1 centrálnej molekuly glycerolu, ktorá slúži ako hlavný reťazec.
Výsledkom tohto procesu je molekula nazývaná fosfatidylglycerofosfát, ktorá sa hydrolyzuje na fosfatidylglycerol. Týmto sa získa ďalšia fosfatidylová skupina aktivovaná z inej molekuly fosfatidyl-CMP, reakcia katalyzovaná fosfatidyltransferázou známou tiež ako kardiolipín syntáza.
Enzým cardiolipínsyntáza sa nachádza vo vnútornej mitochondriálnej membráne a zdá sa, že tvorí veľký komplex, aspoň v kvasinkách. Jeho gén je exprimovaný vo veľkých množstvách v tkanivách bohatých na mitochondrie, ako sú srdce, pečeň a kostrový sval stavovcov.
Regulácia jeho aktivity do veľkej miery závisí od rovnakých transkripčných faktorov a endokrinných faktorov, ktoré modulujú mitochondriálnu biogenézu.
Akonáhle je syntetizovaný vo vnútornej mitochondriálnej membráne, musí sa kardiolipín premiestniť smerom k vonkajšej mitochondriálnej membráne, aby v membráne prebehol celý rad topologických procesov a aby sa prispôsobili jej ďalšie štruktúrne prvky.
Syntéza v prokaryotoch
Obsah kardiolipínu v baktériách môže byť veľmi variabilný a závisí hlavne od fyziologického stavu buniek: zvyčajne je v exponenciálnej rastovej fáze zvyčajne oveľa hojnejší a pri znížení (napríklad v stacionárnej fáze) je hojnejší.
Jeho biosyntetická dráha sa môže spustiť rôznymi stresovými stimulmi, ako sú energetické deficity alebo osmotický stres.
Až do vzniku fosfatidylglycerolu je proces v eukaryotoch a prokaryotoch rovnocenný, ale v prokaryotoch fosfatidylglycerol dostáva transesterifikáciou fosfatidylskupinu z inej molekuly fosfatidylglycerolu. Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom typu fosfolipázy D známym tiež ako kardiolipín syntáza.
Táto reakcia je známa ako „transfosfatidylačná“ reakcia (z anglickej „transposfatidylácie“), pri ktorej jeden z fosfatidylglycerolov pôsobí ako darca fosfatidylovej skupiny a druhý ako akceptor.
Vlastnosti
Fyzikálne vlastnosti molekúl kardiolipínu zjavne umožňujú určité interakcie, ktoré hrajú dôležitú úlohu v štruktúrnej organizácii membrán, kde sa nachádzajú.
Medzi tieto funkcie patrí okrem iného diskriminácia niektorých membránových domén, interakcie alebo „kríženie“ s transmembránovými proteínmi alebo ich subdoménami.
Vďaka svojim fyzikálno-chemickým vlastnostiam je kardiolipín uznávaný ako lipid, ktorý netvorí dvojvrstvu, ale ktorého funkciou môže byť stabilizácia a "umiestnenie" transmembránových proteínov v lipidových dvojvrstvách.
Jeho elektrické vlastnosti mu dodávajú najmä funkcie v procesoch prenosu protónov, ktoré prebiehajú v mitochondriách.
Hoci bunky môžu prežiť bez tohto fosfolipidu, niektoré štúdie stanovili, že je potrebný pre ich optimálne fungovanie.
Referencie
- Harayama, T., a Riezman, H. (2018). Pochopenie rozmanitosti zloženia lipidových membrán. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 19 (5), 281–296.
- Luckey, M. (2008). Štrukturálna biológia membrán: s biochemickými a biofyzikálnymi základmi. Cambridge University Press.
- Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V. a Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28. vydanie). McGraw-Hill Medical.
- van Meer, G., Voelker, DR, a Feigenson, GW (2008). Membránové lipidy: kde sú a ako sa správajú. Nature Reviews, 9, 112-124.
- Vance, JE a Vance, DE (2008). Biochémia lipidov, lipoproteínov a membrán. In New Comprehensive Biochemistry, zväzok 36 (4. vydanie). Elsevier.