ספינגוליפידים: מאפיינים, פונקציות, קבוצות, סינתזה - ביולוגיה - 2025

ספינגוליפיד הם אחת משלוש המשפחות הגדולות של ליפידים בממברנות ביולוגיות. כמו גליצרופוספוליפידים וסטרולים, הם מולקולות אמפיפטיות עם אזור קוטבי הידרופילי ואזור אפולרי הידרופובי.

הם תוארו לראשונה בשנת 1884 על ידי Johann LW Thudichum, שתיאר שלושה ספינגוליפידים (sphingomyelin, cerebrosides ו- cerebrosulfatide) המשתייכים לשלושת המעמדות השונים הידועים: phosphoesphingolipids, glycosphingolipids ניטרלי וחומצי.

אלחנדרו פורטו, באמצעות Wikimedia Commons

בשונה מגליצרופוספוליפידים, הספינגוליפידים אינם בנויים על מולקולת גליצרול 3-פוספט כעמוד השדרה העיקרי, אלא הם תרכובות שמקורם בספינגוזין, אלכוהול אמינו עם שרשרת פחמימנית ארוכה המקושרת באמצעות קשר אמיד.

מבחינת המורכבות והמגוון, לפחות 5 סוגים שונים של בסיסים ידועים כספינגוליפידים אצל יונקים. לבסיסים אלה ניתן לצרף יותר מ 20 סוגים שונים של חומצות שומן, באורכים ובדרגות שונות של רוויה משתנים, בנוסף לשונות הרבות בקבוצות הקוטב שיכולות להופיע.

בקרומים ביולוגיים יש כ- 20% ספינגוליפידים. לאלה פונקציות מגוונות וחשובות בתאים, החל ממתח מבנה לתמורה לאות ובקרה על תהליכי תקשורת סלולריים שונים.

התפלגות מולקולות אלה משתנה בהתאם לתפקוד האורגנל במקום בו הן נמצאות, אך בדרך כלל ריכוז הספינגוליפידים הוא גבוה בהרבה במכסה החיצונית של קרום הפלזמה מאשר בתכונות החד-שכביות הפנימיות.

ישנם לפחות 60 מינים של ספינגוליפידים בבני אדם. רבים מהם הם רכיבים חשובים בממברנות של תאי עצב, בעוד שאחרים ממלאים תפקידים מבניים חשובים או משתתפים בהולכת אות, זיהוי, בידול תאים, פתוגנזה, מוות תאים מתוכנת, בין היתר.

E structura

מבנה כללי של הספינגוליפידים. LHcheM, מ- Wikimedia Commons

כל הספינגוליפידים נגזרים מ- L-serine, המעובה בחומצה שומנית ארוכת שרשרת ליצירת בסיס הספינגואידי, המכונה גם בסיס השרשרת הארוכה (LCB).

הבסיסים הנפוצים ביותר הם ספינגנין וספינגוזין, אשר נבדלים זה מזה רק בנוכחות קשר כפול טרנס בין פחמימות 4 ל -5 של חומצת השומן הספינגוזין.

הפחמימות 1, 2 ו -3 של הספינגוזין מקבילות באופן מבני לפחמימות הגליצרול של גליצרופוספוליפידים. כאשר חומצה שומנית מחוברת לפחמן 2 של ספינגוזין דרך קשרי אמיד, נוצר סרמיד, שהוא מולקולה הדומה מאוד לדיאציל-גליצרול ומייצג את הספינגוליפיד הפשוט ביותר.

חומצות השומן הארוכות המרכיבות את האזורים ההידרופוביים של ליפידים אלה יכולות להיות מגוונות מאוד. האורך משתנה בין 14 ל 22 אטומי פחמן שיכולים להיות בדרגות שונות של רוויה, לרוב בין פחמן 4 ל 5.

בעמדות 4 או 6 יכולות להיות להם קבוצות הידרוקסיל וקשרים כפולים בתנוחות אחרות או אפילו ענפים כמו קבוצות מתיל.

מאפיינים

שרשרות חומצות השומן המקושרות באמצעות קשרי אמיד לסרמידות הן בדרך כלל רוויות, והן נוטות להיות ארוכות יותר מאלה שנמצאות בגליצרופוספוליפידים, שנראית חשובה מכרעת לפעילותן הביולוגית.

מאפיין ייחודי של שלד הספינגוליפיד הוא שיכולים להיות להם מטען חיובי נטו ב- pH ניטרלי, נדיר בקרב מולקולות שומנים.

עם זאת, ה- pKa מקבוצת האמינו הוא נמוך בהשוואה לאמין פשוט, בין 7 ל- 8, כך שחלק מהמולקולה אינו נטען ב pH פיזיולוגי, מה שיכול להסביר את התנועה "החופשית" של אלה בין דו צדדי.

הסיווג המסורתי של הספינגוליפידים נובע מהשינויים המרובים שמולקולת הסרמיד יכולה לעבור, במיוחד מבחינת החלפות של קבוצות הראש הקוטב.

מאפיינים

ספינגוליפידים חיוניים בבעלי חיים, צמחים ופטריות, כמו גם באורגניזמים ווירוסים פרוקריוטיים.

פונקציות מבניות

הספינגוליפידים מווסתים את התכונות הפיזיקליות של הממברנות, כולל נזילותם, עוביהם ועקמומיותם. אפנון מאפיינים אלה מעניק להם גם השפעה ישירה על הארגון המרחבי של חלבוני הממברנה.

ברפסודות "שומנים"

בקרומים ביולוגיים ניתן לאתר אזורים מיקרו דינמיים עם פחות נזילות המורכבים ממולקולות כולסטרול וספינגוליפיד הנקראות רפסודות שומנים.

מבנים אלה מתרחשים באופן טבעי וקשורים קשר הדוק לחלבונים אינטגרליים, קולטני שטח תאיים וחלבוני איתות, הובלות וחלבונים אחרים עם עוגני גליקוזילפוספטיל-נוזיטול (GPI).

פונקציות סימן

יש להם פונקציות כמולקולות איתות הפועלות כשליחים שניים או כליגנדים מופרשים עבור קולטני שטח התא.

כמסרים משניים הם יכולים להשתתף בוויסות ההומאוסטאזיס של סידן, גידול תאים, גידול וגידולים של אפופטוזיס. יתר על כן, פעילותם של חלבונים רבים ממברנה אינטגרלית והיקפית תלויה בקשר שלהם לספינגוליפידים.

אינטראקציות רבות בין תאים לתא עם סביבתו תלויים בחשיפה של קבוצות הקוטב השונות של הספינגוליפידים לפנים החיצוניים של קרום הפלזמה.

קשירת הגליקוספינגוליפידים והלקטינים חיונית לקשר המיאלין לאקסונים, הדבקה של נויטרופילים לאנדותל וכו '.

תמציות ביניים של חילוף החומרים שלך

הספינגוליפידים האותיים החשובים ביותר הם הבסיסים ארוכי השרשרת או הספינגוזינים והקרמידים, כמו גם הנגזרות הזרחניות שלהם, כמו ספינגוזין 1-פוספט.

תוצרי חילוף החומרים של ספינגוליפידים רבים מפעילים או מעכבים מטרות מרובות במורד הזרם (קינאזות חלבון, פוספרוטאינים פוספטאזים ואחרים), השולטות בהתנהגויות סלולריות מורכבות כמו צמיחה, בידול ואפופטוזיס.

כקולטנים בממברנה

ישנם פתוגנים המשתמשים בגליפוספוליפידים כקולטנים כדי לתווך את כניסתם לתאים מארחים או כדי להעביר להם גורמי נגיף.

הוכח כי ספינגוליפידים משתתפים באירועים סלולריים מרובים כמו הפרשה, אנדוציטוזיס, כימוטקסיס, העברת עצבים, אנגיוגנזה ודלקת.

הם גם מעורבים בסחר ממברנות, ובכך משפיעים על הפנמת הקולטנים, סדר, תנועה ואיחוי של שלפוחית ​​הפרשה בתגובה לגירויים שונים.

קבוצות ספינגוליפיד

ישנן שלוש תת-סוגים של ספינגוליפידים, כולם נגזרים מסרמיד ושונים זה מזה על ידי קבוצות קוטביות, כלומר ספינגומיאלינים, גליקוליפידים וגנגליוזידים.

Sphingomyelins

ספינגומילין. שחור: ספינגוזין. אדום: זרחן. כחול: חומצת שומן.

אלה מכילים פוספוכולין או פוספטואתנולמין כקבוצת ראש קוטבית, ולכן הם מסווגים כזרחן יחד עם גליצרופוספוליפידים. הם דומים, כמובן, לפוספטידילכולינות במבנה תלת מימדי ותכונות כלליות מכיוון שאין להם מטען על ראשי העמודים שלהם.

הם קיימים בקרומי הפלזמה של תאי בעלי חיים ושופעים במיוחד במיאלין, נדן העוטף ומבודד את האקסונים של כמה נוירונים.

גליקוליפידים ניטרליים או גליקוספינגוליפידים (ללא חיוב)

גליקוליפיד Wpcrosson, מ- Wikimedia Commons

הם נמצאים בעיקר על הפנים החיצוניות של קרום הפלזמה ויש להם סוכרים אחד או יותר כקבוצת ראש קוטבית המחוברים ישירות להידרוקסיל של פחמן 1 של חלק הסרמיד. אין להם קבוצות פוספטים. מכיוון שב- pH 7 אין להם מטען, הם נקראים גליקוליפידים ניטרליים.

למוח המוח יש מולקולת סוכר יחידה המחוברת לסרמיד. אלו המכילים גלקטוז נמצאים בקרומי פלזמה של תאי רקמה שאינם עצביים. גלובוסידס הם גליקוזינגוליפידים עם שני סוכרים או יותר, לרוב D-גלוקוז, D-galactose, או N-acetyl-D-galactosamine.

גנגליוסידים חומציים או גליקוספינגוליפידים

מבנה הגנגליוסייד GM1

אלה הם הספינגוליפידים המורכבים ביותר. יש להם אוליגוסכרידים כקבוצת ראש קוטבית ומשקעי חומצה N- אצטילמורמיס סופניים או נקראים גם חומצה סיאלית. חומצה סיאלית מעניקה לגנגליוזידים את המטען השלילי ב- pH 7, המבדילה אותם מגליפוספוליפידים ניטרליים.

המינוח של סוג זה של ספינגוליפידים תלוי בכמות שאריות חומצה סיאלית שנמצאת בחלק האוליגוסכרידי של ראש הקוטב.

סִינתֶזָה

מולקולת הבסיס ארוכת השרשרת, או הספינגוזין, מסונתזת בתכנית האנדופלסמה (ER) והתוספת של הקבוצה הקוטבית לראש שומנים אלה מתרחשת בהמשך במתחם גולגי. אצל יונקים, סינתזה מסוימת של sphingolipids יכולה להתרחש גם במיטוכונדריה.

לאחר השלמת הסינתזה שלהם במתחם גולגי מועברים הספינגוליפידים לתאי תאים אחרים באמצעות מנגנונים המתווכים שלפוחית.

הביוסינתזה של הספינגוליפידים מורכבת משלושה אירועים מהותיים: סינתזה של בסיסים ארוכי שרשרת, ביוסינתזה של סרמידות על ידי איחוד של חומצת שומן דרך קשר אמיד, ולבסוף, היווצרות של ספינגוליפידים מורכבים דרך של האיחוד של הקבוצות הקוטביות על פחמן 1 של בסיס הספנואיד.

בנוסף לסינתזה של דה-נובו, הסינגוליפידים יכולים להיווצר גם על ידי מחזור או מחזור של בסיסים ושרמידים ארוכי שרשרת, שיכולים להאכיל את מאגר הסינגוליפידים.

סינתזה שלד הסרמיד

הביוסינתזה של סרמיד, עמוד השדרה של הספינגוליפידים, מתחילה בעיבוי הדקרבוקסילטיבי של מולקולת palmitoyl-CoA ומערכת L-serine. התגובה מנותזת על ידי טרנזיט סרין פלמיטיטיל טרנספרז (SPT), תלוי בפוספט פירידוקסל והמוצר הוא די-הידרוספינגוזין 3-קטו.

אנזים זה מעכב על ידי β-halo-L-alanines ו- L-cycloserines. בשמרים הוא מקודד על ידי שני גנים, ואילו אצל יונקים ישנם שלושה גנים לאנזים זה. האתר הפעיל ממוקם בציטופלסמה של תכנית הרשת האנדופלסמית.

תפקיד האנזים הראשון הזה נשמר בכל האורגניזמים שנחקרו. עם זאת, ישנם כמה הבדלים בין המיסות הקשורות למיקום התת-תאי של האנזים: זה של חיידקים הוא ציטופלסמה, זה של שמרים, צמחים ובעלי חיים נמצא בתכנית הרטיפית האנדופלסמית.

לאחר מכן מופחתת 3-קטוספינגנין על ידי NADPH תלות-3-קטוספטינגנין רדוקטאז לייצור ספינגנין. Dihydroceramide synthase (ספינגנין N-acyl transferase) ואז אצטילטות ספינגנין לייצור דיהידרוקסרמיד. לאחר מכן נוצר הסרמיד על ידי דיהידרוסרמיד / רדוקטאז דיהידרוקסיד, המכניס קשר כפול טרנס במיקום 4-5.

אצל יונקים קיימים איזו-פורמוסים רבים של סינתזות סרמיד, שכל אחד מהם קושר שרשרת ספציפית של חומצות שומן לבסיסים ארוכי שרשרת. לכן, סינתזות סרמיד ואנזימים אחרים, אלונגאזים, מספקים את המקור העיקרי לגיוון לחומצות שומן בספינגוליפידים.

היווצרות ספינגוליפיד ספציפית

Sphingomyelin מסונתז על ידי העברת פוספוצולין מפוספטידילכולין לסרמיד, ומשחרר דיאכיל-גליצרול. התגובה קושרת בין מסלולי האיתות הספינגוליפיד והגליצרופוספוליפיד.

סרומיד פוספטואתנולמין מסונתז מפוספטידיל-מתנולמין וסרמיד בתגובה המקבילה לזו של סינתזת ספינגומלין, וברגע שנוצר ניתן למתיל אותו למלחמה ספינגומלין. סרמידות פוספטים של אינזיטול נוצרים על ידי טרנס-אסטרסטציה מפוספטידילינוזיטול.

הגליקוספינגוליפידים משתנים בעיקר במתחם הגולגי, בו אנזימי גליקוזילטרנספרז ספציפיים משתתפים בתוספת שרשראות אוליגוסכרידים באזור ההידרופילי של שלד הקרמיד.

חילוף חומרים

השפלת הספינגוליפידים מתבצעת על ידי האנזימים גלוקוהידרולאזים וספינגומיאלינזים, האחראים על הסרת השינויים בקבוצות הקוטביות. מצד שני, סרמידאזים מחדשים בסיסים ארוכי שרשרת מסרמידות.

הגנגליוזידים מושברים על ידי קבוצה של אנזימים ליזוזומליים אשר מזרזים את חיסולם שלב אחר שלב של יחידות הסוכר, ובסופו של דבר מייצרים סרמיד.

מסלול השפלה נוסף מורכב מהפנמת ספינגוליפידים ב שלפוחית ​​אנדוציטית שנשלחים בחזרה לקרום הפלזמה או מועברים לליזוזומים שם הם מושפלים על ידי הידרולאזים חומצה ספציפיים.

לא כל הבסיסים ארוכי השרשרת ממוחזרים, לתכנית הרשת האנדו-פלסמית יש מסלול לשפלתם הסופית. מנגנון השפלה זה מורכב מפוספורילציה במקום acylation של LCBs, ומוליד מולקולות איתות שיכולות להיות מצעים מסיסים לאנזימי lyase החותכים את ה- LCBs-phosphate ליצירת acyloaldehydes ו- phosphoethanolamine.

תַקָנָה

חילוף החומרים של ליפידים אלו מוסדר ברמות שונות, אחד מהם הוא זה של האנזימים האחראים על הסינתזה, השינויים שלהם לאחר התרגום והמנגנונים האלסטרוסטריים שלהם.

חלק מהמנגנונים הרגולטוריים הם ספציפיים לתאים, או כדי לשלוט ברגע התפתחות התאים בהם הם מיוצרים או כתגובה לאותות ספציפיים.

הפניות

1. Bartke, N., and Hannun, Y. (2009). ספינגוליפידים ביו-אקטיביים: מטבוליזם ותפקוד. Journal of Lipid Research, 50, 19.
2. Breslow, DK (2013). הומאוסטזיס ספינגוליפיד בתכנית הרשת האנדופלסמית ומעבר לה. פרספקטיבות של קפיץ ספרינג הארבור בביולוגיה, 5 (4), a013326.
3. פוטרמן, א.ה., וחנון, י"א (2004). החיים המורכבים של הספינגוליפידים הפשוטים. דוחות EMBO, 5 (8), 777-782.
4. הריסון, PJ, Dunn, T., & Campopiano, DJ (2018). ביוסינתזה של ספינגוליפיד אצל האדם והמיקרובים. דוחות טבעיים של מוצרים, 35 (9), 921–954.
5. Lahiri, S., & Futerman, AH (2007). חילוף החומרים ותפקודם של הספינגוליפידים והגלוקוספינגוליפידים. מדעי החיים הסלולריים והמולקולריים, 64 (17), 2270–2284.
6. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה חמישית). פרימן, WH & Company.
7. Luckey, M. (2008). ביולוגיה מבנית ממברנת: עם יסודות ביוכימיים וביו-פיזיים. הוצאת אוניברסיטת קיימברידג '. נשלח מ- www.cambridge.org/9780521856553
8. מריל, א.ה. (2011). מסלולי חילוף חומרים ספינגוליפיד וגליפוספוליפיד בעידן הספינגוליפידומיקה. ביקורות כימיות, 111 (10), 6387-6422.
9. נלסון, DL ו- Cox, MM (2009). עקרונות לינגינגר של ביוכימיה. מהדורות אומגה (מהדורה חמישית).
10. Vance, JE, & Vance, DE (2008). ביוכימיה של ליפידים, ליפופרוטאינים וממברנות. בספר ביו-כימיה חדש מקיף 36 (מהדורה רביעית). אלזביאר.