21.3 Біосинтез мембранних фосфоліпідів

У Розділі 10 ми описали два основних класи мембранних фосфоліпідів: гліцерофосфоліпіди та сфінголіпіди. Шляхом поєднання різних жирних кислот та полярних груп голови з каркасами молекул гліцеролу або сфінгозину утворюються багато різних типів фосфоліпідів ( див. Рис. 10-8, 10-12). Існує декілька основних шляхів біосинтезу фосфоліпідів. Загалом для збирання молекули фосфоліліпідів з простих попередників необхідно: (1) синтезувати сполуку, що виконуватиме роль каркасу молекули ( гліцерол або сфінгозин); 2) приєднати до каркасу молекули жирну кислоти (чи кислоти) за допомогою ефірного або амідного зв'язків; (3) приєднати до капкасу гідрофільну групу голови за допомогою фосфодіефірного зв'язку; і, у деяких випадках, (4) модифікувати, або замінити групу голови молекули для отримання кінцевого фосфоліпідного продукту.

У клітинах еукаріотів синтез фосфоліпідів відбувається переважно на поверхні гладкого ендоплазматичного ретикулума та внутрішньої мембрани мітохондрій. Деякі з новосинтезованих фосфоліпідів залишаються на місці синтезу, але більша їх частина спрямовується до інших місць локалізації у клітинах. Механізм переміщення водонерозчинних фосфоліпідів від місця синтезу до місця функціонування залишається остаточно не з'ясованим, проте у кінці цього підрозділу ми обговоримо деякі із запропонованих упродовж останніх років гіпотез.

Для приєднання групи голови молекули фосфоліпіду використовується дві стратегії

Перші етапи на шляху синтезу гліцерофосфоліпідів є таким ж, як і на шляху синтезу триацилгліцеролів (Рис. 21-17): дві ацильні групи жирних кислот приєднуються ефірним зв'язком до атомів С-1 та С-2 у складі L-гліцерол-3-фосфату з утворенням фосфатидної кислоти. У більшості випадків, хоча і не завжди, жирнокислотний залишок біля атома С-1 є насиченим, а біля атома С-2 - ненасиченим. Фосфатидна кислота може утворюватися і іншим способом, а саме шляхом фосфорилювання діацилгліцеролу специфічною кіназою.

Полярна група, що виконує роль голови молекули гліцерофосфоліпіду, приєднується за допомогою фосфодіефірного зв'язку, який виникає внаслідок утворення ефіру із залишком фосфорної кислоти кожною з двох спиртових гідроксильних груп (одна з них - полярна група голови, інша – група атома С-3 у складі гліцеролу, рис. 21-23). У процесі біосинтезу одна з цих гідроксильних груп спочатку активується шляхом приєднання нуклеотиду цитидиндифосфату (CDP). Далі інша гідроксильна група здійснює нуклеофільну атаку та витісняє цитидинмонофосфат (CМP, рис. 21-24). CDP приєднується або до діацилгліцеролу з утворенням активованої фосфатидної кислоти - CDP-діацилгліцеролу ( стратегія 1), або ж до гідроксильної групи у складі полярної голови ( стратегія 2). Еукаріотичні клітини використовують обидві стратегії синтезу, тоді як прокаріотичні - лише першу. Центральну роль цитидинових нуклеотидів у біосинтезі ліпідів було відкрито Юджином П. Кеннеді на початку 1960-х років.

Юджин П. Кеннеді

Для синтезу фосфоліпідів у клітинах E. coli використовується CDP-діацилгліцерол

Прикладом приєднання групи голови молекули фосфоліпіду за першою стратегією є синтез фосфатидилсерину, фосфатидилетаноламіну та фосфатитилгліцеролу у клітинах E. coli. Діацилгліцерол активується у реакції конденсації фосфатидної кислоти з цитидинтрифосфатом (СТР), що завершується утворенням CDP-діацигліцеролу та вивільненням пірофосфату (Рис. 21-25). Внаслідок нуклеофільної атаки, здійснюваної гідроксильною групою або серину, або атома С-1 у складі гліцерол-3-фосфату, молекула СМР витісняється і утворюється відповідно або фосфатидилсерин або фосфатидилгліцерол-3-фосфат. Останній після розщеплення фосфомоноефірного зв'язку у його складі ( з вивільненням Р_і) перетворюється на фосфатидилгліцерол.

Фосфатидилсерин та фосфатидилгліцерол можуть слугувати попередниками для синтезу інших мембранних ліпідів у бактерій ( Рис. 21-25). Так, у разі декарбоксилювання залишку серину у складі фосфатидилсерину ензимом фосфатидилсериндекарбоксилазою утворюється фосфатидилетаноламін. У E. coli внаслідок реакції конденсації двох молекул фосфатидилгліцеролу, що супроводжується виділенням однієї молекули гліцеролу, синтезується кардіоліпін, у складі якого два залишки діацилгліцеролу з’єднані спільною групою голови.

У клітинах еукаріотів CDP–діацилгліцерол використовується для синтезу аніонних фосфоліпідів

В еукаріотів синтез фосфатидилгліцеролу, кардіоліпіну та фосфатидилінозитолів ( усі ці сполуки є аніонними фосфоліпідами, див. Рис. 10-8) відбувається за такою ж стратегією, як і синтез фосфоліпідів у бактерій. Фосфатидилгліцерол в еукаріотів синтезується абсолютно так само, як у бактерій. Шшлях синтезу кардіоліпіну дещо відмінний: фосфатидилгліцерол вступає у реакцію конденсації з CDP- діацилгліцеролом( Рис. 21-26), а не з іншою молекулою фосфатидилгліцеролу, як це має місце в E. сoli ( Рис. 21-25).

Фосфатидилінозитол синтезується шляхом конденсації CDP-діацилгліцеролу з інозитолом (Рис. 21-26), а потім під дією специфічних фосфатидилінозитолкіназ перетворюється на свої фосфорильовані похідні (див. Рис. 10-17). Фосфатидилінозитол та його фосфорильовані похідні у плазматичній мембрані відіграють центральну роль у процесі трансдукції сигналу в клітинах еукаріотів ( див. рис. 12-8 та рис. 12-19).

У клітинах еукаріотів шляхи синтезу фосфатидилсерину, фосфатидилетаноламіну та фосфатидилхоліну перекриваються

Дріжджі, так само як і бактерії, синтезують фосфатидилсерин шляхом конденсації CDP-діацилгліцеролу та серину, а фосфатидилетаноламін - шляхом декарбоксилювання фосфатидилсерину під дією фосфатидилсериндекарбоксилази ( Рис. 21-27). У клітинах ссавців існує альтернативний шлях синтезу фосфатидилсерину, у ході якого відбувається реакція обміну групи голови, а саме витіснення молекулою вільного серину залишку етаноламіну. Фосфатидилетаноламін може перетворюватись також на фосфатидихолін (лецитин) шляхом приєднання трьох метильних груп до своєї аміногрупи; донором метильної групи в усіх трьох реакціях метилювання виступає S-аденозилметіонін ( див. рис. 18-18).

У ссавців фосфатидилсерин синтезується не з CDP-діацилгліцеролу, а з фосфатидилетаноламіну у реакції обміну групи голови ( Рис. 21-27). Синтез фосфатидилетаноламіну та фосфатидилхоліну у ссавців здійснюється за стратегією 2, наведеною на рис. 21-24: спочатку відбувається фосфорилювання та активація групи, що виконуватиме роль голови молекули, а потім ця група вступає у реакцію конденсації з діацилгліцеролом. Наприклад, таким шляхом повторно використовується («врятовується» від розпаду) холін - спочатку фосфорилюється, а потім у реакції конденсації з CDP перетворюється на CDP-холін. Далі діацилгліцерол витісняє CМP зі складу CDP-холіну і утворюється фосфатидилхолін ( Рис. 21-28). За таким же "рятівним" шляхом відбувається включення отриманого з їжею етаноламіну до складу фосфатидилетаноламіну. У печінці фосфатидилхолін утворюється також шляхом метилювання фосфатидилетаноламіну (за участі S-аденозилметіоніну, як описано вище), однак в усіх інших тканинах фосфатидилхолін синтезується лише шляхом конденсації діацилгліцеролу та CDP-холіну. Шляхи синтезу фосфатидилхоліну та фосфатидилетаноламіну у різних організмах узагальнено на рис. 21-29.

Хоча роль ліпідного складу мембран у їхньому функціонуванні остаточно не з'ясовано, проте відомо, що зміни його призводять до драматичних наслідків. Вченими виведено плодові мушки з мутацією за геном, який кодує етаноламінкіназу ( це ензим, аналогічний до холінкінази; рис. 21-28). Унаслідок втрати цього ензиму зникає і шлях синтезу фосфатидилетаноламіну, що спричиняє зменшення кількості цього ліпіду у клітинних мембранах. У мушок з такою мутацією, тобто з генотипом, що зазнав легкого шоку, після електричної стимуляції або механічного шоку наступав короткочасний параліч, чого не спостерігалося у мушок з диким генотипом.

У ході синтезу плазмалогенів відбувається приєднання жирного спирту простим ефірним зв'язком

Шлях біосинтезу ефірних ліпідів, у тому числі плазмалогенів та фактора активації тромбоцитів ( див. рис. 10-9), включає заміщення ацильної групи жирної кислоти, приєднаної складноефірним зв'язком, на довголанцюговий спирт з формуванням простого ефірного зв'язку ( Рис. 21-30). Наступне приєднання групи голови відбувається за допомогою практично тих же механізмів, що використовуються під час синтезу звичайних фосфоліпідів зі складними ефірними зв'язками. Зрештою, під дією оксидази зі змішаною функцією, подібною до тієї, що відповідає за десатурацію жирних кислот (Рис. 21-13), вводиться характерний для плазмалогенів подвійний зв'язок (затінений блакитним кольором на рис. 21-30). Головним місцем синтезу плазмалогенів є пероксисоми.

Сфінголіпіди та гліцерофосфоліпіди синтезуються з однакових попередників та за однаковими механізмами

Біосинтез сфінголіпідів відбувається упродовж чотирьох стадій: (1) синтез 18-вуглецевого аміна сфінганіну з пальмітоїл-CoA та серину; (2) приєднання жирної кислоти за допомогою амідного зв'язку з утворенням N-ацилсфінганіну; (3) десатурація залишку сфінганіну з утворенням N-ацилсфінгозину (цераміду); (4) приєднання групи голови з утворенням сфінголіпіду, наприклад цереброзиду або сфінгомієліну ( Рис. 21-31). Деякі з цих стадій подібні до стадій синтезу гліцерофосфоліпідів: реакції відновлення протікають за участі NADPH, а жирні кислоти вступають у реакції у вигляді активованих CoA-похідних. Необхідні для утворення цереброзидів сахариди вступають у реакції синтезу у вигляді активованих нуклеотидних похідних. Механізм приєднання голови молекули під час синтезу сфінголіпідів має певні відмінності. Зокрема, донором фосфохоліну у синтезі сфінгомієліну є не CDP-холін, а фосфатидилхолін.

У випадку синтезу таких гліколіпідів, як цереброзиди та гангліозиди ( див. Рис. 10-12) сахарид, що виконує роль голови молекули, приєднується безпосередньо до гідроксильної групи у положенні С-1 молекули сфінгозину глікозидним, а не фосфодіефірним зв'язком. Донором вуглеводного залишку слугує UDP-моносахарид (UDP-глюкоза, або UDP-галактоза).

Полярні ліпіди спрямовуються до специфічних клітинних мембран

Після синтезу на гладкому ендоплазматичному ретикулумі полярні ліпіди, у тому числі гліцерофосфоліпіди, сфінголіпіди та гліколіпіди, вбудовуються у певних співвідношеннях у певні клітинні мембрани за допомогою механізму, який ще повністю не з'ясовано. Мембранні ліпіди нерозчинні у воді і не можуть вільно дифундувати від місця синтезу (ЕР) до місця включення у мембрану. Тому вони доставляються у мембранних везикулах, які відбруньковуються від комплексу Гольджі, переміщаються до мембрани-мішені і зливаються з нею ( див. Рис. 11-23). Фосфоліпіди і стероли можуть також зв'язуватися з цитозольними протеїнами, які забезпечують їхній транспорт між клітинними мембранами. Саме завдяки таким механізмам встановлюється характерний ліпідний склад мембран органел ( див. Рис. 11-2).

Підсумок 21.3 Біосинтез мембранних фосфоліпідів

• Основними попередниками у синтезі гліцерофосфоліпідів є діацилгліцероли.

• У клітинах бактерій фосфатидилсерин утворюється шляхом конденсації серину з СDР-діацилгліцеролом; внаслідок декарбоксилювання фосфатидилсерину утворюється фосфатидилетаноламін. Фосфатидилгліцерол синтезується шляхом конденсації СDР-діацилгліцеролу з гліцерол-3-фосфатом та подальшого видалення приєднаного моноефірним зв'язком фосфату.

• У клітинах дріжджів шляхи синтезу фосфатитилсерину, фосфатидилетаноламіну та фосфатидилгліцеролу аналогічні шляхам синтезу цих фосфоліпідів у бактерій; фосфатидилхолін утворюється шляхом метилювання фосфатидилетаноламіну.

• У клітинах ссавців шляхи синтезу деяких фосфоліпідів такі ж, як у бактерій, однак існують деякі відмінності у шляхах синтезу фосфатидихоліну та фосфатидилетаноламіну. Спирт, що використовується для утворення голови молекули ( холін або етаноламін), спочатку активується з утворенням СDР-похідного і лише тоді конденсується з діацилгліцеролом. Фосфатидилсерин може утворюватися лише з фосфатидилетаноламіну.

• Синтез плазмалогенів включає утворення характерного для цих сполук подвійного зв'язку під дією оксидази зі змішаною функцією. Групи голови молекул сфінголіпідів приєднуються за допомогою особливих механізмів.

• Фосфоліпіди спрямовуються до місця свого призначення за допомогою транспортних везикул або специфічних протеїнів.