Lipidy błon komórkowych

Agnieszka Kabat

Lipidy są zasadniczym budulcem błon komórkowych. W artykule zebrano informacje na temat głównych lipidów znajdujących się w błonach komórek eukariotycznych, z uwzględnieniem ich rozmieszczenia zarówno pomiędzy błonami danej komórki, jak i pomiędzy warstwami danej błony. Opisano procesy umożliwiające utrzymanie konkretnego składu lipidowego, a także przedstawiono przykłady związku między składem lipidowym a funkcją danej błony.


BŁONY W KOMÓRKACH

Myśląc o błonie lipidowej w komórce najczęściej pierwszym skojarzeniem jest zewnętrzna błona komórkowa, tymczasem należy pamiętać, że system błon w każdej niemalże komórce jest daleko bardziej skomplikowanym pojęciem, a wiele cech błony zewnętrznej nie może być wprost przypisanych innym wewnętrznym błonom komórki. W rzeczywistości, pod względem masy i powierzchni, błona komórkowa stanowi niewielki procent w komórkach eukariotycznych; w przeciętnej komórce ssaczej powierzchnia samych błon retikulum endoplazmatycznego jest do 30 razy większa niż błony komórkowej. 2]

Błony biologiczne są selektywnie przepuszczalne. Jest to proste, choć niezmiernie istotne stwierdzenie: właściwość ta jest ważna nie tylko w błonie komórkowej, gdzie konieczne jest oddzielenie środowiska zewnętrznego od wewnętrznego, ale także wewnątrz samej komórki, gdzie oddzielone są przedziały komórkowe pełniące odmienne funkcje; w komórce w jednym czasie zachodzi tysiące reakcji chemicznych, często przeciwstawnych, które muszą zachodzić w odmiennych środowiskach. Błony biologiczne pełnią też zasadniczą rolę w takich procesach jak podział komórkowy, ruch komórki, fuzja, pączkowanie.

Podstawowym budulcem błon są lipidy. W każdej komórce eukariotycznej znajdują się tysiące różnych rodzajów lipidów, a około 5% genomu to geny odpowiedzialne za ich syntezę. Wskazuje to na fakt, iż związki te pełnia wiele istotnych i różnorodnych funkcji. Lipidy służą więc jako zapas energetyczny dla komórki, tworzą macierz błon komórkowych, pełnią też znaczącą rolę w komunikacji komórkowej jako pierwsze i wtórne przekaźniki sygnału. 9]

Naturalnie w skład błon biologicznych wchodzą nie tylko lipidy ale również białka i to one są głównym czynnikiem wpływającym na funkcje pełnione przez daną błonę, jednak podstawowe właściwości fizyczne i chemiczne błony komórkowe zawdzięczają swojemu składowi lipidowemu. Celem tej pracy jest przedstawienie głównych lipidów znajdujących się w błonach komórek eukariotycznych, ze szczególnym uwzględnieniem ich rozmieszczenia zarówno pomiędzy błonami danej komórki, jak i pomiędzy warstwami danej błony, opisanie procesów umożliwiających utrzymanie konkretnego składu lipidowego, a także pokazanie związku między składem lipidowym a funkcją danej błony.

LIPIDY BUDUJĄCE BŁONY

Istota struktury błony komórkowej opiera się na dwuwarstwie lipidowej, jej grubości wynosi najczęściej ok. 5 nm. 1] Warto na początku zwrócić uwagę na cechy wspólne, które pomimo różnic w składzie białkowo-lipidowym wykazują błony biologiczne. Wszystkie błony są:

  • strukturami warstwowymi,
  • zespołem cząsteczek nie związanych kowalencyjnie,
  • asymetryczne,
  • strukturami płynnymi,
  • lipidy wchodzące w ich skład są amfipatyczne,

większość błon jest także spolaryzowana elektrycznie. 3]

Rys 1.jpg

Rysunek 1. Schematyczne przedstawienie budowy błony komórkowej. Źródło rysunku: #anchorname 4

Podstawowym składnikiem błon biologicznych są lipidy o właściwościach amfipatycznych: fosfolipidy i glikolipidy. Dzięki posiadaniu części hydrofobowej oraz hydrofilowej mają zdolność do tworzenia dwuwarstwa; hydrofilowe głowy skierowane są ku wodzie, natomiast hydrofobowe ogony skupiają się razem we wnętrzu dwuwarstwy.

Rys 2.jpg

Rysunek 2. Struktura fosfolipidu z zaznaczoną częścia hudrofobową (ang. hydrophobic) i hydrofilową (ang. hydrophilic). Źródło rysunku: #anchorname 1

Ze względu na strukturę lipidy błonowe dzielimy na trzy główne klasy: glicerolipidy, sfingolipidy, sterole. 7] Pod względem ilościowym głównym składnikiem wszystkich błon są glicerofosfolipidy: fosfatydylocholina (PtdCho, PC), fosfatydyloetanoloamina (PtdEtn, PE), fosfatydyloseryna (PtdSer, PS), fosfatydyloinozytol (PtdIns, PI), fosfatyd (PA). Fosfolipid jest złożony z czterech składników: kwasów tłuszczowych, glicerolu (lub sfingozyny), fosforanu oraz alkoholu. Spośród nich fosfatydylocholina stanowi ponad 50%. Ma ona cylindryczną geometrie, zwykle zawiera jeden łańcuch tłuszczowy w konformacji cis, co pozwala zachować płynność błony w temperaturze pokojowej. Cząsteczką wprowadzającą zakrzywienie do regularnej dwuwarstwy to np. fosfatydyloetanoloamina. Ten fosfolipid ma geometrie stożkową z powodu małej wielkości głowy hydrofilowej. To zakrzywienie jest korzystne dla procesów takich jak fuzja czy podział komórkowy. 3],9]

Rys 3.jpg

Rysunek 3. Główne klasy lipidów budujących błony. Źródło rysunku: #anchorname 7

Sfingolipidy stanowią kolejną klasę lipidów błonowych. Głównym ich przedstawicielem w błonach biologicznych jest sfingomielina (SM): fosfolipid nie będący pochodną glicerolu, zamiast niego w cząsteczce występuję sfingozyna. Cząsteczki te mają geometrie cylindryczną. Ich łańcuchy tłuszczowe są nasycone lub nienasycone, ale wtedy występują w konformacji trans. Z tego względu są więc zdolne do tworzenia bardziej zwartych układów niż fosfatydylocholina. Sfingomielina występuje w znacznych ilościach w błonach zewnętrznych komórek nerwowych i mięśniowych. 9]

Rys 4.jpg

Rysunek 4. Sfingomielina. Źródło rysunku: #anchorname 10

Innymi ważnymi lipidami ze sfingozyną jako rdzeniem są glikosfingolipidy. Tutaj do sfingozyny przyłączone są reszty cukrowe (od jednej w cerebrozydach do siedmiu w gangliozydach). Pomimo, że w większości błon komórkowych lipidy te występują w bardzo małych ilościach, pełnią wiele istotnych funkcji, np. są zaangażowane w komunikacje międzykomórkową, ponieważ w pewnym stopniu decydują o specyficzności tkankowej. Glikolipidy, podobnie jak sfingolipidy, w największej ilości występują w błonach zewnętrznych komórek nerwowych, gdzie wpływają na zdolności przekazywania sygnału tych komórek. 3], 5]

Sfingolipidy zaliczamy do bioaktywnych lipidów: dla przykładu sfingozyna pełni zasadniczą role w regulacji szkieletu aktynowego, a także w endocytozie, regulacji cyklu komórkowego oraz apoptozie. Ceramidy z kolei uczestniczą w odpowiedzi komórek na stres, a fosforan sfingozyny (P1S) pełni rolę w migracji komórek oraz w procesie zapalnym. 6]

Cholesterol jest sterolem najczęściej występującym w błonach komórek zwierzęcych. Jego część hydrofobowa ogranicza się do grupy hydroksylowej, resztę stanowią cztery połączone pierścienie węglowodorowe. Pełni on ważną rolę zarówno jako element szlaków sygnalizacyjnych, a także wpływając znacząco na płynność błon biologicznych (wprowadzając większe uporządkowanie w strukturę błony ogranicza ruchliwość polarnych cząsteczek i zmniejsza płynność błony). Występowanie cholesterolu różni się bardzo w zależności od rodzaju komórki: w niektórych komórkach nerwowych może stanowić do 25% wszystkich lipidów. 3]

Rys 5.jpg

Rysunek 5. Cholesterol. Źródło rysunku: #anchorname 10

Odrębny rodzaj lipidów stanowią lipidy tworzące się w wyniku hydrolizy glicerolipidów i sfingolipidów na drodze przekazywania sygnału. Nie jest to wcale marginalne zjawisko, jeśli chodzi o skład lipidowy błony, jeśli bowiem lipidy sygnałowe są produkowane w znaczących ilościach potrafią wpłynąć na fizyczne właściwości błony 9]. Do najczęściej powstających pochodnych glicerolipidów i sfingolipidów należą: lizoPtdCho (LPC), lizoPA (LPA), PA, diacyloglcerol (DAG), sfingozyna (Sph), fosforan sfingozyny (S1P), fosforan ceramidu (C1P) oraz ceramid (Cer). 9]

ROZMIESZCZENIE LIPIDÓW

W RE lipidy są rozmieszczone równomiernie pomiędzy obiema monowarstwami, podczas gdy w aparacie Golgiego, błonie plazmatycznej czy błonach endosomów wyraźna jest asymetria rozmieszczenia: generalnie SM oraz glikosfingolipidy występują w znacznych ilościach po stronie zewnętrznej, natomiast PtdEtn, PtdSer oraz PtdIns po stronie cytozolowej. PtdSer, jeśli występuje na powierzchni komórki, jest sygnałem do fagocytozy, a także jest jednym z sygnałów w procesie krzepnięcia krwi. 2], 9] Glikolipidy są dobrym przykładem asymetrycznego rozmieszczenia w błonie, gdyż występują tylko po zewnętrznej stronie błony komórkowej, gdzie wchodzą w skład glikokaliksu (struktury występującej wyłącznie na powierzchni komórek).

Nazwa lipidu

Zewnętrzna monowarstwa

Wewnętrzna monowarstwa

Fosfatydylocholina

21%

8%

Fosfatydyloetanoloamina

7%

24%

Fosfatydyloseryna

0%

9%

Sfingomielina

20%

5%

Ogółem fosfolipidów

50%

50%

Tabela 1. Średnia procentowa zawartość fosfolipidów w zewnętrznej błonie komórkowej. Źródło:5]

Również rozmieszczenie cholesterolu w błonach komórki jest nieheterogeniczne: najwięcej występuje go w błonach zewnętrznych, ale również znaczne ilości znaleźć można w błonach aparatu Golgiego (w szczególności w przedziałach trans) podczas gdy w błonach RE występuje zaledwie 1% całego cholesterolu obecnego w komórce. Stężenie tego sterolu w retikulum endoplazmatycznym wydaje się kontrolować wiele funkcji związanych z transportem w RE oraz pomiędzy RE a aparatem Golgiego, takich jak uwalnianie nowozsyntetyzowanych białek błonowych z RE. Jaka jest dokładnie rola cholesterolu – nie zostało dotychczas wyjaśnione, jednak pewną rolę może tu odgrywać współpraca z białkami COPII. 8]

Rys 6.jpg

Rysunek 6. Rozmieszczenie lipidów w błonie zewnetrznej (PM) oraz retikulum endoplazmatycznym (ER). Oznaczenia w tekście. Źródło rysunku: #anchorname 7

METABOLIZM I TRANSPORT

Jak to się dzieje, że rozmieszczenie lipidów w błonach jest nieprzypadkowe?

Lokalny metabolizm lipidów jest główną przyczyną różnic w składzie i asymetrii błon komórki eukariotycznej. Najważniejszym miejscem syntezy lipidów błonowych jest retikulum endoplazmatyczne, a konkretnie jego cytozolowa monowarstwa. Z kolei błona zewnętrzna, endosomy i lizosomy nie produkują żadnych ze swoich lipidów. Rosnąca w RE nowa błona jest eksportowana do innych organelli poprzez transport pęcherzykowy. W RE powstają fosfolipidy strukturalne (PtdCho, PtdEtn, PtdIns, PtdSer, PA), cholesterol, ceramidy (Cer, GalCer), które stanowią formę prekursorowi złożonych sfingolipidów. Powstające w ER sfingolipidy i cholesterol są niemal natychmiast transportowane do innych organelli, dlatego też w RE ich stężenie jest bardzo niskie. Należy podkreślić, że w rezultacie błony RE są dość luźno upakowane, co pozostaje w zgodzie z ich funkcją: wprowadzanie i transport zsyntetyzowanych lipidów i białek. 2], 9]

Błony aparatu Golgiego są kolejnym ważnym punktem w szlaku syntezy lipidów; w komórkach ssaków w aparacie Golgiego powstają sfingolipidy i glikosfingolipidy (tylko w aparacie Golgiego w warstwie niecytozolowej zachodzi przyłączanie reszt cukrowych do glikolipidów, które wejdą w skład glikokaliksu komórki). Orientacja warstw błony pozostaje taka sama w czasie transportu, a więc w ten sposób zachowana zostaje asymetria rozmieszczenia niektórych lipidów). Także ostatnie etapy syntezy fosfatydylocholiny mogą zachodzić zarówno w RE, jak i w aparacie Golgiego. 1], 9]

Skład błony plazmatycznej ma zapewnić przede wszystkim wytrzymałość, z tego powodu znacznie różni się od błon zewnętrznych zwiększoną zawartością steroli, sfingolipidów i nasyconych glicerolipidów, które zapewniają ściślejsze upakowanie i większą sztywność błony. Mimo, że żadne z lipidów tej błony nie powstają de novo, wiele reakcji modyfikuje skład błony już na miejscu (np. synteza sfingomieliny z ceramidu).9]

Mitochondria, jak wiadomo, są dość autonomicznymi strukturami komórek eukariotycznych, również jeśli chodzi o syntezę lipidów błonowych: syntetyzują około 45% własnych fosfolipidów, łącznie z lipidem charakterystycznym wyłącznie dla mitochondriów: kardiolipiną (CL). Dekarboksylacja PtdSer prowadzona w mitochondriach prowadzi do syntezy PtdEtn, eksportowanej do innych organelli komórkowych. Skład lipidowy błon mitochondrialnych jest pozostałością po ich bakteryjnym pochodzeniu, jest też związany z fosforylacyjną oksydacją prowadzoną w tych organellach: charakterystyczny jest tutaj wysoki stosunek PtdEtn do PtdCho. Zawartość cholesterolu jest niska. 9]

Rys 7.jpg

Rysunek 7. Miejsca syntezy oraz skład błon lipidowych w komórce. Zawartość fosfolipidów jest przedstawiona w formie wykresy jako procent z wszystkich fosfolipidów (na ciemnoniebiesko wartości dla komórek ssaczych, jasnoniebiesko dla komórek drożdży), zawartość steroli (cholesterol dla komórek ssaczych, ergosterol dla drożdży) jest przedstawiona jako stosunek molowy. Pokazane są również miejsca syntezy lipidów (podstawowe fosfolipidy – niebieski, lipidy zaangażowane w przekazywanie sygnału – czerwony). GalCer-galaktozyloceramid, TG-triacyloglicerol, GSLs-złożone glikosfingolipidy, DAG-diacyloglicerol, PG-fosfatydyloglicerol, S1P-fosforan sfingozyny, Sph-sfingozyna, PI(3,5)P2, PI(4,5)P2, PI(3,4,5)P3, PI4P – fosforany inozytolu, pozostałe oznaczenia w tekście. Źródło rysunku: #anchorname 9

Na różnice występujące w błonach wpływa także fakt, iż dla większości lipidów przemieszczanie się pomiędzy monowarstwami (tzw ruchy flip – flop) jest mocno utrudnione ze względu na fizykochemiczne właściwość; im większa część hydrofilowa, tym trudniejszy ruch; dla PtdChol czas przejścia liczony jest w godzinach lub dniach, ale już dla Cer lub steroli liczony jest w sekundach. 7], 9]

Rys 9.jpg

Rysunek 8. Czasy półtrwania (T1/2) lipidów w błonach: spontaniczne ruchy flip – flop. Źródło rysunku: #anchorname 7

Nie bez znaczenia są również mechanizmy unieruchamiające lipidy w konkretnych miejscach; białka lub inne lipidy potrafią pułapkować cząsteczki, w ten sposób tworząc określone domeny w obrębie błony; prawdopodobnie w ten sposób cholesterol, który mógłby teoretycznie szybko przemieszczać się pomiędzy warstwami, jest pułapkowany przez sfingolipidy i pozostaje głównie w warstwie zewnątrzkomórkowej. 9]

Bardzo ważnym czynnikiem kształtującym skład poszczególnych warstw błony jest obecność transporterów białkowych przenoszących lipidy pomiędzy warstwami. W RE równomierny rozkład lipidów jest związany najprawdopodobniej z niespecyficznymi transporterami niezależnymi od ATP, które wyrównują ilości poszczególnych lipidów pomiędzy warstwami. Pozostałe błony nie wykazują zdolności do wyrównywania składu lipidowego. Kolejnym przykładem wpływu transporterów na rozmieszczenie lipidów jest PtdSer i PtdEtn: w obrębie RE występują one w równych ilościach w dwóch warstwach błony, dopiero w pozostałych błonach ATP zależne transportery aminofosfolipidów (należące głównie do ATPaz typu P4) selektywnie przemieszczają je do warstwy cytozolowej. 9]

Rys 8.jpg

Rysunek 9. Mechanizmy prowadzące do powstania asymetrii błon. P4 – ATPazy P4. Źródło rysunku: #anchorname 9

Błony komórkowe stanowią zasadniczy element budujący komórkę, a właściwie ją określający: błona zewnętrzna stanowi granicę między żywą strukturą a jej środowiskiem. Niebagatelną role w komórce pełnią także błony wewnętrzne; ich wytworzenie było krokiem milowym w ewolucji organizmów jednokomórkowych. Do całkowitego poznania procesów metabolizmu i transportu lipidów błonowych jeszcze daleka droga, ale im więcej wiemy o budowie, powstawaniu i funkcjonowaniu błon, tym więcej jesteśmy w stanie zrozumieć z zasad funkcjonowania całej komórki.


Źródła:

  1. Albert Bruce i in.: Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition

  2. Albert Bruce i in: Podstawy biologii komórki, PWN 2005
  3. Berg J., Wymoczka J., Stryer L.: Biochemia , PWN 2005
  4. Edidin M.: Lipids on the frontier: a century of cell-membrane bilayers, Nature Reviews Molecular Cell Biology, Volume 4, 2003

  5. Garrett R., Grisham C.: Biochemistry, Second Edition
  6. Hannun Y., Obeid M.: Principles of bioactive lipids signalling: lessons from sphingolipids, Nature Reviews Molecular Cell Biology, Volume 9, 2008

  7. Holthuis J., Levine T.: Lipid traffic: floppy drives and a superhighway, Nature Reviews Molecular Cell Biology, Volume 6, 2005

  8. Ikonen E.: Cellular cholesterol trafficking and compartmentalization, Nature Reviews Molecular Cell Biology, Volume 9, 2008

  9. Meer G., Voelker D., Feigenson G.: Membrane lipids: where they are and how they behave, Nature Reviews Molecular Cell Biology, Volume 9, 2008

  10. LIPID Metabolites And Pathways

Articles: Kabat08 (last edited 2011-02-15 23:03:51 by localhost)