stringtranslate.com

Фосфатидовая кислота

Фосфатидовые кислоты — это анионные фосфолипиды, важные для клеточной сигнализации и прямой активации липид-зависимых ионных каналов . Гидролиз фосфатидовой кислоты приводит к образованию одной молекулы глицерина и фосфорной кислоты и двух молекул жирных кислот. Они составляют около 0,25% фосфолипидов в бислое. [1]

Структура

Общая химическая структура фосфатидных кислот

Фосфатидная кислота состоит из глицеринового остова, в котором, как правило, насыщенная жирная кислота связана с углеродом -1, ненасыщенная жирная кислота связана с углеродом -2, а фосфатная группа связана с углеродом -3. [2] [3]

Формирование и деградация

Помимо синтеза de novo, ПА может образовываться тремя способами:

Путь глицерол-3-фосфата для синтеза PA de novo показан здесь:

Кроме того, PA может быть преобразован в DAG с помощью липидфосфатфосфогидролаз (LPP) [6] [7] или в лизо-PA с помощью фосфолипазы A (PLA).

Роли в клетке

Роль ПА в клетке можно разделить на три категории:

Первые три роли не являются взаимоисключающими. Например, PA может участвовать в формировании везикул, способствуя искривлению мембраны и привлекая белки для выполнения гораздо более энергетически невыгодной задачи формирования шейки и сдавливания.

Роли в биосинтезе

PA является жизненно важным клеточным липидом, который действует как биосинтетический предшественник для образования (прямо или косвенно) всех ацилглицериновых липидов в клетке. [11]

В клетках млекопитающих и дрожжей известны два различных пути синтеза PA de novo, путь глицерол-3-фосфата или путь дигидроксиацетонфосфата. У бактерий присутствует только первый путь, и мутации, которые блокируют этот путь, летальны, что демонстрирует важность PA. В клетках млекопитающих и дрожжей, где ферменты в этих путях избыточны, мутация любого одного фермента не летальна. Однако стоит отметить, что in vitro различные ацилтрансферазы проявляют различную субстратную специфичность в отношении ацил-КоА, которые включены в PA. Различные ацилтрансферазы также имеют различное внутриклеточное распределение, такое как эндоплазматический ретикулум (ЭР), митохондрии или пероксисомы, и локальные концентрации активированных жирных кислот. Это говорит о том, что различные ацилтрансферазы, присутствующие в клетках млекопитающих и дрожжей, могут быть ответственны за выработку различных пулов PA. [11]

Превращение PA в диацилглицерол (DAG) с помощью LPP является шагом, обеспечивающим производство фосфатидилхолина (PC), фосфатидилэтаноламина (PE) и фосфатидилсерина (PS). Кроме того, DAG также преобразуется в CDP-DAG, который является предшественником фосфатидилглицерола (PG), фосфатидилинозитола (PI) и фосфоинозитидов (PIP, PIP 2 , PIP 3 ). [11]

Концентрации PA поддерживаются на крайне низком уровне в клетке за счет активности мощных LPP. [6] Они очень быстро превращают PA в DAG, и поскольку DAG является предшественником для многих других липидов, он также вскоре метаболизируется в другие мембранные липиды. Это означает, что любое повышение регуляции в производстве PA может быть сопоставлено с течением времени с соответствующим повышением регуляции в LPP и в ферментах, метаболизирующих DAG.

Таким образом, ПА необходим для синтеза липидов и выживания клеток, однако в нормальных условиях его уровень в клетке поддерживается на очень низком уровне.

Биофизические свойства

PA является уникальным фосфолипидом, поскольку имеет небольшую высокозаряженную головную группу, которая находится очень близко к глицериновому остову. Известно, что PA играет роль как в делении везикул [12] , так и в слиянии [13] , и эти роли могут быть связаны с биофизическими свойствами PA.

В местах почкования или слияния мембраны мембрана становится или является сильно изогнутой. Главным событием в почковании везикул, таких как транспортные переносчики из Гольджи , является создание и последующее сужение шейки мембраны. Исследования показали, что этот процесс может быть липидным, и постулировали центральную роль DAG из-за его, также уникальной молекулярной формы. Наличие двух ацильных цепей, но без головной группы, приводит к большой отрицательной кривизне в мембранах. [14]

LPAAT BARS-50 также участвует в почковании от аппарата Гольджи. [12] Это говорит о том, что превращение lysoPA в PA может влиять на кривизну мембраны. Активность LPAAT удваивает количество ацильных цепей, значительно увеличивая площадь поперечного сечения липида, который находится «внутри» мембраны, в то время как поверхностная головная группа остается неизменной. Это может привести к более отрицательной кривизне мембраны. Исследователи из Утрехтского университета изучили влияние lysoPA по сравнению с PA на кривизну мембраны, измерив их влияние на температуру перехода PE из липидных бислоев в неламеллярные фазы с помощью 31P -ЯМР. [15] Было показано, что кривизна, вызванная этими липидами, зависит не только от структуры lysoPA по сравнению с PA, но и от динамических свойств, таких как гидратация головных групп и меж- и внутримолекулярные взаимодействия. Например, Ca 2+ может взаимодействовать с двумя PA, образуя нейтральный, но сильно изогнутый комплекс. Нейтрализация в противном случае отталкивающих зарядов головных групп и отсутствие каких-либо стерических препятствий обеспечивает сильные межмолекулярные взаимодействия между ацильными цепями, что приводит к образованию микродоменов, богатых PA. Таким образом , in vitro физиологические изменения pH, температуры и концентрации катионов оказывают сильное влияние на кривизну мембраны, вызванную PA и lysoPA. [15] Взаимное превращение lysoPA, PA и DAG — и изменения pH и концентрации катионов — может вызывать изгиб и дестабилизацию мембраны, играя прямую роль в делении мембраны просто в силу своих биофизических свойств. Однако, хотя было показано, что PA и lysoPA влияют на кривизну мембраны in vitro , их роль in vivo неясна.

Роль lysoPA, PA и DAG в содействии изгибу мембраны не исключает их роль в привлечении белков к мембране. Например, потребность в Ca 2+ для слияния сложных липосом не сильно зависит от добавления аннексина I, хотя она снижается PLD. Однако с аннексином I и PLD степень слияния значительно увеличивается, а потребность в Ca 2+ снижается почти в 1000 раз до почти физиологических уровней. [13]

Таким образом, метаболическая, биофизическая, рекрутинговая и сигнальная роли ПА могут быть взаимосвязаны.

Роль в сигнализации

PA поддерживается на низком уровне в объеме мембраны для того, чтобы временно взорваться и сигнализировать локально в высокой концентрации. [16] Например, каналы TREK-1 активируются локальной ассоциацией с PLD и продукцией PA. [17] Константа диссоциации PA для TREK-1 составляет приблизительно 10 микромоль. [18] Относительно слабое связывание в сочетании с низкой концентрацией PA в мембране позволяет каналу выключаться. Локальная высокая концентрация для активации предполагает, по крайней мере, некоторые ограничения в локальной диффузии липидов. Объемная низкая концентрация PA в сочетании с высокими локальными выбросами является противоположностью сигнализации PIP2. PIP2 поддерживается на относительно высоком уровне в мембране, а затем временно гидролизуется вблизи белка для того, чтобы временно уменьшить сигнализацию PIP2. [19] Сигнализация PA отражает сигнализацию PIP2 в том, что объемная концентрация сигнального липида не должна меняться, чтобы оказать мощное локальное воздействие на целевой белок.

Как описано выше, PLD гидролизует PC с образованием PA и холина . Поскольку холин очень распространен в клетке, активность PLD не оказывает существенного влияния на уровень холина; и холин вряд ли будет играть какую-либо роль в передаче сигналов. [ необходима цитата ]

Роль активации PLD в многочисленных сигнальных контекстах в сочетании с отсутствием роли холина предполагает, что PA важен в передаче сигналов. Однако PA быстро преобразуется в DAG, а DAG также известен как сигнальная молекула. ​​Это поднимает вопрос о том, играет ли PA какую-либо прямую роль в передаче сигналов или же он просто действует как предшественник для производства DAG. [20] [21] Если будет обнаружено, что PA действует только как предшественник DAG, то можно поднять вопрос о том, почему клетки должны производить DAG с использованием двух ферментов, когда они содержат PLC , который может производить DAG за один шаг.

PA, произведенный PLD или DAGK, можно отличить по добавлению [γ- 32 P]ATP. Это покажет, является ли фосфатная группа новым производным от активности киназы или она происходит от PC. [22]

Хотя PA и DAG взаимопревращаемы, они не действуют в одних и тех же путях. Стимулы, активирующие PLD, не активируют ферменты ниже DAG, и наоборот. Например, было показано, что добавление PLD к мембранам приводит к образованию PA, меченых [ 32P ], и фосфоинозитидов, меченых [ 32P ]. [23] Добавление ингибиторов DAGK устраняет образование PA, меченых [ 32P ], но не стимулирует PLD образование фосфоинозитидов.

Возможно, что, хотя PA и DAG взаимопревращаемы, могут поддерживаться отдельные пулы сигнальных и несигнальных липидов. Исследования показали, что сигнализация DAG опосредована полиненасыщенным DAG, тогда как PA, полученный из PLD, является мононенасыщенным или насыщенным. Таким образом, функциональный насыщенный/мононенасыщенный PA может быть деградирован путем гидролиза с образованием нефункционального насыщенного/мононенасыщенного DAG, тогда как функциональный полиненасыщенный DAG может быть деградирован путем преобразования его в нефункциональный полиненасыщенный PA. [20] [24]

Эта модель предполагает, что эффекторы PA и DAG должны быть способны различать липиды с одинаковыми головками, но с разными ацильными цепями. Хотя некоторые липидсвязывающие белки способны встраиваться в мембраны и гипотетически могут распознавать тип ацильной цепи или результирующие свойства мембраны, многие липидсвязывающие белки являются цитозольными и локализуются на мембране, связывая только головки липидов. Возможно, разные ацильные цепи могут влиять на угол головки в мембране. Если это так, то это предполагает, что домен связывания PA должен не только быть способен специфически связывать PA, но и должен быть способен идентифицировать те головки, которые находятся под правильным углом. Каким бы ни был механизм, такая специфичность возможна. Она наблюдается в DAGK семенников свиньи, которая специфична для полиненасыщенного DAG [25] , и в двух LPP гепатоцитов крысы, которые дефосфорилируют разные виды PA с разной активностью. [26] Более того, было показано, что стимуляция активности SK1 PS in vitro значительно варьируется в зависимости от того, использовались ли диолеоил (C18:1), дистеароил (C18:0) или 1-стеароил, 2-олеоил виды PS. [27] Таким образом, кажется, что, хотя PA и DAG являются взаимопревращаемыми, различные виды липидов могут иметь различную биологическую активность; и это может позволить двум липидам поддерживать отдельные сигнальные пути.

Измерение производства ПА

Поскольку PA быстро преобразуется в DAG, он очень недолговечен в клетке. Это означает, что трудно измерить выработку PA и, следовательно, изучить роль PA в клетке. Однако активность PLD можно измерить путем добавления первичных спиртов в клетку. [28] Затем PLD проводит реакцию трансфосфатидилирования вместо гидролиза, производя фосфатидиловые спирты вместо PA. Фосфатидиловые спирты являются метаболическими тупиками и могут быть легко извлечены и измерены. Таким образом, можно измерить активность PLD и выработку PA (если не саму PA), и, блокируя образование PA, можно сделать вывод об участии PA в клеточных процессах.

Белковые интеракторы

Ссылки

  1. ^ Welti, R; Li, W; Li, M; Sang, Y; Biesiada, H; Zhou, HE; ​​Rajashekar, CB; Williams, TD; Wang, X (30 августа 2002 г.). «Профилирование мембранных липидов в реакциях растений на стресс. Роль фосфолипазы D-альфа в изменениях липидов, вызванных замораживанием, у Arabidopsis». Журнал биологической химии . 277 (35): 31994–2002. doi : 10.1074/jbc.M205375200 . PMID  12077151.
  2. ^ Уильям В. Кристи. "Фосфатидовая кислота, лизофосфатидовая кислота и родственные липиды". Архивировано из оригинала 23 октября 2004 г. Получено 5 ноября 2009 г.
  3. ^ Schroeder, R.; London, E.; Brown, D. (декабрь 1994 г.). «Взаимодействия между насыщенными ацильными цепями придают устойчивость к детергентам липидам и белкам, закрепленным на гликозилфосфатидилинозитоле (GPI): белки, закрепленные на GPI в ​​липосомах и клетках, демонстрируют схожее поведение». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 91 (25): 12130–12134. Bibcode : 1994PNAS...9112130S. doi : 10.1073/pnas.91.25.12130 . PMC 45390. PMID  7991596 . 
  4. ^ Liscovitch M, Czarny M, Fiucci G, Tang X (февраль 2000 г.). «Фосфолипаза D: молекулярная и клеточная биология нового семейства генов». Biochem. J . 345 (3): 401–15. doi :10.1042/0264-6021:3450401. PMC 1220771 . PMID  10642495. 
  5. ^ Девлин, ТМ 2004. Bioquímica , 4-е издание. Реверте, Барселона. ISBN 84-291-7208-4 
  6. ^ ab Brindley DN, Waggoner DW (май 1996). "Фосфатидат фосфогидролаза и сигнальная трансдукция". Chem. Phys. Lipids . 80 (1–2): 45–57. doi :10.1016/0009-3084(96)02545-5. PMID  8681429.
  7. ^ Brindley DN, Waggoner DW (сентябрь 1998 г.). «Фосфогидролазы липидов и фосфатов млекопитающих». J. Biol. Chem . 273 (38): 24281–4. doi : 10.1074/jbc.273.38.24281 . PMID  9733709.
  8. ^ Delon C, Manifava M, Wood E и др. (октябрь 2004 г.). «Сфингозинкиназа 1 — внутриклеточный эффектор фосфатидной кислоты». J. Biol. Chem . 279 (43): 44763–74. doi : 10.1074/jbc.M405771200 . PMID  15310762.
  9. ^ P, Raghu (август 2012 г.). «Липидная сигнализация в фоторецепторах дрозофилы». Biochim Biophys Acta . 1821 (8): 1154–1165. doi :10.1016/j.bbalip.2012.03.008. PMID  22487656.
  10. ^ Робинсон, CV; Рохач, T; Хансен, SB (сентябрь 2019 г.). «Инструменты для понимания наномасштабной липидной регуляции ионных каналов». Тенденции в биохимических науках . 44 (9): 795–806. doi :10.1016/j.tibs.2019.04.001. PMC 6729126. PMID  31060927 . 
  11. ^ abc Athenstaedt K, Daum G (ноябрь 1999). "Фосфатидовая кислота, ключевой промежуточный продукт в метаболизме липидов". Eur. J. Biochem . 266 (1): 1–16. doi : 10.1046/j.1432-1327.1999.00822.x . PMID  10542045.
  12. ^ ab Weigert R, Silletta MG, Spanò S, et al. (ноябрь 1999 г.). "CtBP/BARS индуцирует деление мембран Гольджи путем ацилирования лизофосфатидной кислоты". Nature . 402 (6760): 429–33. Bibcode :1999Natur.402..429W. doi :10.1038/46587. PMID  10586885. S2CID  4423468.
  13. ^ ab Blackwood RA, Smolen JE, Transue A, et al. (апрель 1997 г.). «Активность фосфолипазы D способствует агрегации и слиянию сложных липосом, вызванным Ca2+». Am. J. Physiol . 272 ​​(4 Pt 1): C1279–85. doi :10.1152/ajpcell.1997.272.4.C1279. PMID  9142853.
  14. ^ Shemesh T, Luini A, Malhotra V, Burger KN, Kozlov MM (декабрь 2003 г.). «Prefission Constriction of Golgi Tubular Carriers Driven by Local Lipid Metabolism: A Theoretical Model». Biophys. J . 85 (6): 3813–27. Bibcode :2003BpJ....85.3813S. doi :10.1016/S0006-3495(03)74796-1. PMC 1303683 . PMID  14645071. Архивировано из оригинала 2008-05-07. 
  15. ^ ab Kooijman EE, Chupin V, de Kruijff B, Burger KN (март 2003 г.). «Модуляция кривизны мембраны фосфатидной кислотой и лизофосфатидной кислотой». Traffic . 4 (3): 162–74. doi : 10.1034/j.1600-0854.2003.00086.x . PMID  12656989.
  16. ^ Робинсон, CV; Рохач, T; Хансен, SB (сентябрь 2019 г.). «Инструменты для понимания наномасштабной липидной регуляции ионных каналов». Тенденции в биохимических науках . 44 (9): 795–806. doi :10.1016/j.tibs.2019.04.001. PMC 6729126. PMID  31060927 . 
  17. ^ Comoglio, Y; Levitz, J; Kienzler, MA; Lesage, F; Isacoff, EY; Sandoz, G (16 сентября 2014 г.). «Фосфолипаза D2 специфически регулирует калиевые каналы TREK посредством прямого взаимодействия и локального производства фосфатидной кислоты». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (37): 13547–52. Bibcode : 2014PNAS..11113547C. doi : 10.1073/pnas.1407160111 . PMC 4169921. PMID  25197053 . 
  18. ^ Кабанос, C; Ван, M; Хан, X; Хансен, SB (8 августа 2017 г.). «Анализ растворимого флуоресцентного связывания выявляет антагонизм PIP2 каналов TREK-1». Cell Reports . 20 (6): 1287–1294. doi :10.1016/j.celrep.2017.07.034. PMC 5586213. PMID  28793254 . 
  19. ^ Павел, MA; Чунг, HW; Петерсен, EN; Хансен, SB (октябрь 2019 г.). «Полимодальный механизм ингибирования TWIK-связанного K+ канала местным анестетиком». Анестезия и анальгезия . 129 (4): 973–982. doi : 10.1213/ANE.00000000000004216 . PMID  31124840.
  20. ^ ab Hodgkin MN, Pettitt TR, Martin A, Michell RH, Pemberton AJ, Wakelam MJ (июнь 1998 г.). «Диацилглицерины и фосфатидаты: какие молекулярные виды являются внутриклеточными мессенджерами?». Trends Biochem. Sci . 23 (6): 200–4. doi :10.1016/S0968-0004(98)01200-6. PMID  9644971.
  21. ^ Wakelam MJ (декабрь 1998 г.). «Диацилглицерол — когда он становится внутриклеточным мессенджером?». Biochim. Biophys. Acta . 1436 (1–2): 117–26. doi :10.1016/S0005-2760(98)00123-4. PMID  9838074.
  22. ^ Кокрофт С., Болдуин Дж. М., Аллан Д. (июль 1984 г.). «Активируемая Ca2+ полифосфоинозитидфосфодиэстераза мембран нейтрофилов человека и кролика». Biochem. J . 221 (2): 477–82. doi :10.1042/bj2210477. PMC 1144062 . PMID  6089740. 
  23. ^ Moritz A, De Graan PN, Gispen WH, Wirtz KW (апрель 1992 г.). «Фосфатидовая кислота — специфический активатор фосфатидилинозитол-4-фосфаткиназы». J. Biol. Chem . 267 (11): 7207–10. doi : 10.1016/S0021-9258(18)42504-5 . PMID  1313792.
  24. ^ Bocckino SB, Blackmore PF, Wilson PB, Exton JH (ноябрь 1987 г.). «Накопление фосфатидата в обработанных гормоном гепатоцитах с помощью механизма фосфолипазы D». J. Biol. Chem . 262 (31): 15309–15. doi : 10.1016/S0021-9258(18)48176-8 . PMID  3117799.
  25. ^ Hodgkin MN, Gardner SD, Rose S, Paterson A, Martin A, Wakelam MJ (март 1997). «Очистка и характеристика sn-1-стеароил-2-арахидоноилглицеролкиназы из свиных яичек». Biochem. J . 322 (Pt 2): 529–34. doi :10.1042/bj3220529. PMC 1218222 . PMID  9065773. 
  26. ^ Fleming IN, Yeaman SJ (июнь 1995 г.). «Очистка и характеристика фосфогидролазы фосфатидной кислоты (PAP2), нечувствительной к N-этилмалеимиду, из печени крысы». Biochem. J . 308 (Pt 3): 983–9. doi :10.1042/bj3080983. PMC 1136819 . PMID  8948459. 
  27. ^ Оливера А., Розенталь Дж., Спигель С. (март 1996 г.). «Влияние кислых фосфолипидов на сфингозинкиназу». J. Cell. Biochem . 60 (4): 529–37. doi :10.1002/(SICI)1097-4644(19960315)60:4<529::AID-JCB9>3.0.CO;2-U. PMID  8707892. S2CID  34752646.
  28. ^ Morris AJ, Frohman MA, Engebrecht J (октябрь 1997 г.). «Измерение активности фосфолипазы D». Anal. Biochem . 252 (1): 1–9. doi :10.1006/abio.1997.2299. PMID  9324933.
  29. ^ Вицер, Брайан М.; Томас, Джордж (27 марта 2012 г.). «Фосфолипаза D и mTORC1: Питательные вещества — это то, что объединяет их». Sci. Signal . 5 (217): pe13. doi :10.1126/scisignal.2003019. PMID  22457329. S2CID  206671479.
  30. ^ Кабанос, C; Ван, M; Хан, X; Хансен, SB (8 августа 2017 г.). «Анализ растворимого флуоресцентного связывания выявляет антагонизм PIP2 каналов TREK-1». Cell Reports . 20 (6): 1287–1294. doi :10.1016/j.celrep.2017.07.034. PMC 5586213. PMID  28793254 . 
  31. ^ Хайт, РК; Баттервик, ДЖА; МакКиннон, Р. (6 октября 2014 г.). «Модуляция фосфатидной кислотой функции датчика напряжения канала Kv». eLife . 3 . doi : 10.7554/eLife.04366 . PMC 4212207 . PMID  25285449. 
  32. ^ Хансен, СБ; Тао, X; МакКиннон, Р. (28 августа 2011 г.). «Структурная основа активации PIP2 классического внутреннего выпрямительного канала K+ Kir2.2». Nature . 477 (7365): 495–8. Bibcode :2011Natur.477..495H. doi :10.1038/nature10370. PMC 3324908 . PMID  21874019. 

Внешние ссылки