Войти
Химическая структура кардиолипина Кардиолипин (название IUPAC 1,3-бис (sn-3'- фосфатидил) -sn-глицерин, также известный как калькуттский антиген ), является важным компонентом внутренней митохондриальной мембраны, где он составляет около 20% от общего липидного состава. Его также можно найти в мембранах большинства бактерий. Название «кардиолипин» произошло от того факта, что он был впервые обнаружен в сердцах животных. Впервые он был выделен из говяжьего сердца в начале 1940-х годов. В клетках млекопитающих, но также и в клетках растений, кардиолипин (CL) обнаруживается почти исключительно во внутренней митохондриальной мембране, где он необходим для оптимальной функции многочисленных ферментов, участвующих в метаболизме энергии митохондрий.
Кардиолипин в тканях животных Кардиолипин (CL) представляет собой разновидность липида дифосфатидилглицерина. Две части фосфатидной кислоты соединяются с основной цепью глицерина в центре с образованием димерной структуры. Таким образом, он имеет четыре алкильные группы и потенциально несет два отрицательных заряда. Так как кардиолипин состоит из четырех различных алкильных цепей, потенциал сложности этого вида молекул огромен. Однако в большинстве тканей животных кардиолипин содержит 18-углеродные жирные алкильные цепи с 2 ненасыщенными связями на каждой из них. Было высказано предположение, что конфигурация (18: 2) 4 ацильной цепи является важным структурным требованием для высокого сродства CL к белкам внутренней мембраны в митохондриях млекопитающих. Однако исследования с изолированными ферментными препаратами показывают, что его важность может варьироваться в зависимости от исследуемого белка.
Поскольку в молекуле два фосфата, каждый из них может улавливать один протон. Хотя он имеет симметричную структуру, ионизация одного фосфата происходит при очень разных уровнях кислотности, чем ионизация обоих: pK 1 = 3 и pK 2>7,5. Таким образом, в нормальных физиологических условиях (при pH около 7) молекула может нести только один отрицательный заряд. Гидроксильные группы (–OH и –O) на фосфате будут образовывать стабильную внутримолекулярную водородную связь с гидроксильной группой центрированного глицерина, образуя, таким образом, бициклическую резонансную структуру. Эта структура захватывает один протон, что очень полезно для окислительного фосфорилирования.
. Поскольку головная группа образует такую компактную велосипедную структуру, площадь головной группы довольно мала по сравнению с большой хвостовой областью, состоящей из 4 ацильных цепей. На основе этой особой структуры в 1982 году был введен флуоресцентный митохондриальный индикатор нонилакридиновый оранжевый (NAO), который, как позже было обнаружено, воздействует на митохондрии путем связывания с CL. У NAO очень большая голова и маленькая структура хвоста, которая может компенсировать маленькую голову кардиолипина, большую структуру хвоста, и располагаться строго упорядоченным образом. Было опубликовано несколько исследований с использованием NAO как количественного митохондриального индикатора, так и индикатора содержания ХЛ в митохондриях. Однако на NAO влияет мембранный потенциал и / или пространственное расположение CL, поэтому нецелесообразно использовать NAO для количественных исследований CL или митохондрий интактных дышащих митохондрий. Но NAO по-прежнему представляет собой простой метод оценки содержания CL.
Бициклическая структура кардиолипина
Структура NAO
NAO и CL организована высокоупорядоченным образом
Синтез кардиолипина у эукариот Считается, что у эукариот, таких как дрожжи, растения и животные, процессы синтеза происходят в митохондриях. Первым этапом является ацилирование глицерин-3-фосфата глицерин-3-фосфат ацилтрансферазой. Затем ацилглицерин-3-фосфат можно еще раз ацилировать с образованием фосфатидной кислоты (PA). С помощью фермента ЦДФ-ДАГ-синтаза (CDS) (фосфатидатцитидилилтрансфераза ) PA превращается в цитидиндифосфат -диацилглицерин (CDP-DAG). Следующим этапом является преобразование CDP-DAG в фосфатидилглицерин фосфат (PGP) ферментом PGP-синтазой с последующим дефосфорилированием PTPMT1 с образованием PG. Наконец, молекула CDP-DAG связывается с PG с образованием одной молекулы кардиолипина, катализируемой локализованным в митохондриях ферментом кардиолипинсинтазой (CLS).
В прокариотах, таких как В бактериях дифосфатидилглицеринсинтаза катализирует перенос фосфатидил фрагмента одного фосфатидилглицерина на свободную 3'-гидроксильную группу другого с отщеплением одной молекулы глицерина за счет действия фермента, относящегося к фосфолипаза D. В некоторых физиологических условиях фермент может действовать в обратном порядке, удаляя кардиолипин.
Катаболизм кардиолипина может происходить при катализе фосфолипазы A2 (PLA) для удаления жирных ацильных групп. Фосфолипаза D (PLD) в митохондриях гидролизует кардиолипин до фосфатидной кислоты.
Перенос электронов через дыхательные пути Комплекса IV Из-за действия кардиолипина уникальная структура, изменение pH и присутствие двухвалентных катионов могут вызвать структурные изменения. CL показывает большое разнообразие форм агрегатов. Обнаружено, что в присутствии Са или других двухвалентных катионов CL может иметь фазовый переход пластинчатый -в гексагональный (La-HII). И считается, что он имеет тесную связь с слиянием мембран.
Фермент цитохром с оксидаза, также известный как Комплекс IV, является большим комплекс трансмембранного белка, обнаруженный в митохондриях и бактериях. Это последний фермент в дыхательной цепи переноса электронов, расположенный во внутренней митохондриальной или бактериальной мембране. Он получает электрон от каждой из четырех молекул цитохрома с и передает их одной молекуле кислорода, превращая молекулярный кислород в две молекулы воды. Было показано, что Комплексу IV необходимы две связанные молекулы CL для поддержания его полной ферментативной функции. Цитохром bc1 (Комплекс III) также нуждается в кардиолипине для поддержания своей четвертичной структуры и функциональной роли. Комплекс V механизма окислительного фосфорилирования также демонстрирует высокую аффинность связывания с CL, связывая четыре молекулы CL на молекулу комплекса V.
Механизм, посредством которого CL запускает апоптоз Распределение кардиолипина на внешней митохондриальной мембране должно приводить к апоптозу клеток, о чем свидетельствует высвобождение цитохрома c (cyt c), активация каспазы-8, индукция MOMP и активация инфламмасомы NLRP3. Во время апоптоза cyt c высвобождается из межмембранного пространства митохондрий в цитозоль. Cyt c может затем связываться с рецептором IP3 на эндоплазматическом ретикулуме, стимулируя высвобождение кальция, который затем реагирует обратно, вызывая высвобождение cyt c. Когда концентрация кальция достигает токсичного уровня, это вызывает гибель клеток. Считается, что цитохром c играет роль в апоптозе посредством высвобождения апоптотических факторов из митохондрий. Кардиолипин-специфическая оксигеназа продуцирует CL гидропероксиды, которые могут приводить к изменению конформации липида. Окисленный CL переносится с внутренней мембраны на внешнюю, а затем помогает формировать проницаемую пору, которая высвобождает cyt c.
CL служит ловушкой протонов при окислительном фосфорилировании Во время процесса окислительного фосфорилирования, катализируемого Комплексом IV, большое количество протонов переносится с одной стороны мембраны на другую, вызывая большое изменение pH. Предполагается, что CL действует как ловушка для протонов внутри митохондриальных мембран, тем самым строго локализуя пул протонов и минимизируя изменения pH в межмембранном пространстве митохондрий.
Эта функция обусловлена уникальной структурой CL. Как указано выше, CL может захватывать протон в бициклической структуре, неся отрицательный заряд. Таким образом, эта бициклическая структура может служить в качестве электронного буферного пула для высвобождения или поглощения протонов для поддержания pH около мембран.
Синдром Барта - редкое генетическое заболевание, которое в 1970-х годах было признано причиной детской смерти. Он имеет мутацию в гене, кодирующем тафаззин, фермент, участвующий в биосинтезе кардиолипина. Тафаззин - незаменимый фермент для синтеза кардиолипина у эукариот, участвующих в ремоделировании ацильных цепей CL путем переноса линолевой кислоты от ПК к монолизокардиолипину. Мутация тафаззина вызывает недостаточное ремоделирование кардиолипина. Тем не менее, похоже, что клетки компенсируют, и производство АТФ аналогично или выше, чем у нормальных клеток. Самки гетерозиготные по этому признаку не затронуты. У людей, страдающих этим заболеванием, аномальные митохондрии. Кардиомиопатия и общая слабость часто встречаются у этих пациентов.
Окислительный стресс и перекисное окисление липидов считаются факторами, ведущими к потере нейронов и дисфункции митохондрий в черной субстанции при болезни Паркинсона. заболевание, и может играть раннюю роль в патогенезе болезни Альцгеймера. Сообщается, что содержание ХЛ в головном мозге снижается с возрастом, и недавнее исследование мозга крыс показывает, что это является результатом перекисного окисления липидов в митохондриях, подвергшихся воздействию свободных радикалов. Другое исследование показывает, что путь биосинтеза ХЛ может быть выборочно нарушен, вызывая снижение на 20% и изменение состава содержания ХЛ. Это также связано со снижением на 15% активности связанного комплекса I / III в цепи переноса электронов, что считается критическим фактором в развитии болезни Паркинсона.
Недавно сообщалось, что при неалкогольной жировой болезни печени и сердечной недостаточности снижение уровня ХЛ и изменение состава ацильной цепи также наблюдаются в митохондриях. дисфункция. Тем не менее, роль CL в процессе старения и ишемии / реперфузии остается спорным.
Болезнь Танжера также связана с аномалиями ХЛ. Болезнь Танжера характеризуется очень низким уровнем в плазме крови холестерина липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) («хороший холестерин»), накоплением сложных эфиров холестерина в тканях и повышенным риском развивающееся сердечно-сосудистое заболевание. В отличие от синдрома Барта, болезнь Танжера в основном вызывается аномально повышенной выработкой CL. Исследования показывают, что при болезни Танжера уровень ХЛ увеличивается в три-пять раз. Поскольку повышенные уровни CL усиливают окисление холестерина, а затем образование оксистеринов, следовательно, увеличивает отток холестерина. Этот процесс может функционировать как механизм ускользания от избытка холестерина из клетки.
Болезни сердца в два раза чаще встречаются у людей с диабетом. У диабетиков сердечно-сосудистые осложнения возникают в более раннем возрасте и часто приводят к преждевременной смерти, что делает сердечные заболевания главным убийцей диабетиков. Было обнаружено, что кардиолипин дефицит в сердце на самых ранних стадиях диабета, возможно, из-за фермента, переваривающего липиды, который становится более активным в диабетической сердечной мышце.
Кардиолипин из коровье сердце используется в качестве антигена в тесте Вассермана на сифилис. Антитела к кардиолипину также могут быть увеличены при многих других состояниях, включая системную красную волчанку, малярию и туберкулез, поэтому этот тест не является специфичным.
Вирус иммунодефицита человека -1 (ВИЧ-1) заразил более 60 миллионов человек во всем мире. Гликопротеин оболочки ВИЧ-1 содержит по крайней мере четыре сайта для нейтрализующих антител. Среди этих сайтов (MPR) особенно привлекателен в качестве мишени для антител, поскольку он способствует проникновению вируса в Т-клетки и является высококонсервативным среди вирусных штаммов. Однако обнаружено, что два антитела, направленные против 2F5, 4E10 в MPR, реагируют с аутоантигенами, включая кардиолипин. Таким образом, такие антитела трудно вызвать вакцинацией.
Впервые Отто Генрих Варбург предположил, что рак возник в результате необратимого повреждения митохондриального дыхания, но структурная основа этой травмы так и осталась неуловимой. Поскольку кардиолипин является важным фосфолипидом, который обнаруживается почти исключительно во внутренней митохондриальной мембране и очень важен для поддержания функции митохондрий, предполагается, что аномалии ХЛ могут нарушать функцию митохондрий и биоэнергетику. Исследование опухолей головного мозга мышей, опубликованное в 2008 году в поддержку теории рака Варбурга, показывает серьезные отклонения в содержании или составе ХЛ во всех опухолях.
Пациенты с антикардиолипиновыми антителами (Антифосфолипидный синдром ) могут иметь рецидивирующие тромботические события даже на ранней стадии в середине или в конце жизни. подростковые годы. Эти события могут происходить в сосудах, в которых тромбоз может быть относительно редко, например, в печеночных или почечных венах. Эти антитела обычно обнаруживаются у молодых женщин с повторяющимися самопроизвольными абортами. При аутоиммунном заболевании, опосредованном антикардиолипином, распознавание зависит от аполипопротеина H.
Бартонеллез - это серьезная хроническая бактериальная инфекция, которой обладают как кошки, так и люди. Спинелла обнаружила, что у одного пациента с bartonella henselae также были антитела к кардиолипину, что позволяет предположить, что бартонелла может вызвать их выработку.
Синдром хронической усталости - изнурительное заболевание неизвестной причины, которое часто следует острая вирусная инфекция. Согласно одному исследованию, 95% пациентов с CFS имеют антитела к кардиолипину.
