De cardiolipine, ook bekend als difosfatidylglycerol, is een lipide glicerofosfolípidos-familie en de groep van poliglicerofosfolípidos. Het wordt aangetroffen in het mitochondriale membraan van eukaryote organismen, in het plasmamembraan van veel bacteriën en ook in sommige archaea.
Het werd ontdekt door Pangborn in 1942 na analyse van de membraanlipiden van het hartweefsel van een rund. De structuur ervan werd in 1956 voorgesteld en de chemische synthese vond ongeveer 10 jaar later plaats.
Structuur van Cardiolipin (Bron: Edgar181 via Wikimedia Commons)
Sommige auteurs zijn van mening dat de aanwezigheid ervan beperkt is tot ATP-producerende membranen, zoals in het geval van mitochondriën in eukaryoten, plasmamembranen in bacteriën en waterstofsomen (mitochondriaal-achtige organellen) bij bepaalde protisten.
Het feit dat cardiolipine wordt aangetroffen in de mitochondriën en in het plasmamembraan van bacteriën is gebruikt om de basis te versterken van de endosymbiotische theorie, die stelt dat de mitochondriën zijn ontstaan in de voorlopercellen van eukaryoten door fagocytose van een bacterie, die daarna werd het afhankelijk van de cel en vice versa.
De biosyntheseroute bij dieren werd beschreven tussen 1970 en 1972 en later werd aangetoond dat het dezelfde route is die voorkomt in planten, gisten, schimmels en ongewervelde dieren. Het is niet een erg overvloedig lipide, maar cellen hebben het nodig om goed te kunnen functioneren.
Het belang van dit fosfolipide voor de mitochondriën en dus voor het cellulaire metabolisme is duidelijk wanneer de storing van de metabole routes die ermee geassocieerd zijn een menselijke pathologie veroorzaakt die bekend staat als het syndroom van Barth (cardio-skeletale myopathie).
Structuur
Cardiolipine of difosfatidylglycerol bestaat uit twee moleculen fosfatidinezuur (het eenvoudigste fosfolipide) die met elkaar zijn verbonden via een glycerolmolecuul.
Fosfatidinezuur, een van de gebruikelijke tussenproducten in de biosyntheseroutes van andere fosfolipiden, bestaat uit een glycerol-3-fosfaatmolecuul, waaraan twee vetzuurketens zijn veresterd op de posities van koolstofatomen 1 en 2, dus het is ook bekend als 1,2-diacylglycerol-3-fosfaat.
Daarom is cardiolipine samengesteld uit drie glycerolmoleculen: een centrale glycerol, gehecht aan een fosfaatgroep op koolstof 1, een andere fosfaatgroep op koolstof 3 en een hydroxylgroep op koolstof 2; en twee "zij" glycerolen.
De twee "zij" glycerolmoleculen zijn aan het centrale molecuul gehecht door "glycerolbruggen" door hun koolstofatomen op positie 3. Bij de koolstofatomen op posities 1 en 2 zijn twee vetzuurketens van lengte en verzadiging veresterd. variabele.
Cardiolipine is een lipide dat al dan niet dubbellagen vormt, afhankelijk van de aan- of afwezigheid van tweewaardige kationen. Dit heeft te maken met het feit dat het een symmetrisch molecuul is, wat het belangrijk maakt in membranen die verantwoordelijk zijn voor energietransductieprocessen.
Net als de andere lipiden van de groep polyglycerofosfolipiden, heeft cardiolipine verschillende hydroxylgroepen die kunnen dienen voor de binding van vetzuren. Daarom heeft het meerdere positionele stereo-isomeren.
Uw vetzuren
Verschillende onderzoeken hebben vastgesteld dat de vetzuren die aan de glycerolmoleculen aan de zijkant van cardiolipine zijn gehecht, typisch onverzadigd zijn, maar de mate van onverzadiging is niet vastgesteld.
Dergelijke vetzuren kunnen dus 14-22 koolstofatomen lang zijn en 0-6 dubbele bindingen. Dit en het feit dat cardiolipine vier gekoppelde vetzuurmoleculen heeft, impliceert dat er meerdere variabelen en combinaties van dit fosfolipide kunnen zijn.
Synthese
Cardiolipine-biosynthese begint, zoals te verwachten is, met de synthese van fosfatidinezuur of 1,2-diacylglycerol-3-fosfaat uit glycerol-3-fosfaat en vetzuren. Dit proces vindt plaats in de mitochondriën van eukaryoten en in het plasmamembraan van bacteriën.
Synthese in eukaryoten
Na te zijn gevormd, reageert fosfatidinezuur met een hoogenergetisch molecuul analoog aan ATP: CTP. Vervolgens wordt een tussenproduct gevormd, ook van hoge energie, bekend als fosfatidyl-CMP. De geactiveerde fosfatidylgroep wordt overgebracht naar de hydroxylgroep op de C1-positie van het centrale glycerolmolecuul dat dient als de ruggengraat.
Dit proces resulteert in een molecuul genaamd fosfatidylglycerofosfaat, dat wordt gehydrolyseerd om fosfatidylglycerol te verkrijgen. Deze ontvangt een andere fosfatidylgroep geactiveerd door een ander fosfatidyl-CMP-molecuul, een reactie die wordt gekatalyseerd door een fosfatidyltransferase, ook bekend als cardiolipinesynthase.
Het enzym cardiolipinesynthase bevindt zich in het binnenste mitochondriale membraan en lijkt een groot complex te vormen, althans in gist. Het gen komt in grote hoeveelheden tot expressie in weefsels die rijk zijn aan mitochondriën, zoals het hart, de lever en de skeletspieren van gewervelde dieren.
De regulering van zijn activiteit hangt in grote mate af van dezelfde transcriptiefactoren en endocriene factoren die de mitochondriale biogenese moduleren.
Eenmaal gesynthetiseerd in het binnenste mitochondriale membraan, moet cardiolipine worden getransloceerd naar het buitenste mitochondriale membraan, zodat een reeks topologische processen plaatsvindt in het membraan en andere structurele elementen daarvan worden ondergebracht.
Synthese in prokaryoten
Het cardiolipinegehalte in bacteriën kan zeer variabel zijn en hangt voornamelijk af van de fysiologische toestand van de cellen: het is meestal minder overvloedig in de exponentiële groeifase en overvloediger wanneer het wordt verminderd (bijvoorbeeld in de stationaire fase).
De biosynthetische route kan worden geactiveerd door verschillende stressvolle stimuli, zoals energietekorten of osmotische stress.
Tot de vorming van fosfatidylglycerol is het proces in eukaryoten en prokaryoten equivalent, maar in prokaryoten ontvangt fosfatidylglycerol door omestering een fosfatidylgroep uit een ander fosfatidylglycerolmolecuul. Deze reactie wordt gekatalyseerd door een fosfolipase D-type enzym dat ook bekend staat als cardiolipinesynthase.
Deze reactie staat bekend als de "transfosfatidyleringsreactie" (van het Engelse "transfosfatidylering"), waarbij een van de fosfatidylglycerolen fungeert als een donor van de fosfatidylgroep en de andere als een acceptor.
Kenmerken
De fysieke kenmerken van cardiolipinemoleculen laten blijkbaar bepaalde interacties toe die een belangrijke rol spelen in de structurele organisatie van de membranen waarin ze worden aangetroffen.
Tot deze functies behoren onder andere de discriminatie van sommige membraandomeinen, de interactie of "cross-over" met transmembraaneiwitten of hun subdomeinen.
Dankzij zijn fysisch-chemische eigenschappen wordt cardiolipine erkend als een lipide dat geen dubbellaag vormt, maar waarvan de functie kan zijn om transmembraaneiwitten in lipidedubbellagen te stabiliseren en ‘accommoderen’.
Met name zijn elektrische eigenschappen geven het functies in de protonoverdrachtprocessen die plaatsvinden in de mitochondriën.
Hoewel cellen kunnen overleven zonder dit fosfolipide, hebben sommige onderzoeken vastgesteld dat het nodig is voor hun optimale werking.
Referenties
- Harayama, T., en Riezman, H. (2018). Inzicht in de diversiteit van de samenstelling van membraanlipiden. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 19 (5), 281–296.
- Luckey, M. (2008). Membraan structurele biologie: met biochemische en biofysische grondslagen. Cambridge University Press.
- Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28e ed.). McGraw-Hill Medical.
- van Meer, G., Voelker, DR, & Feigenson, GW (2008). Membraanlipiden: waar ze zijn en hoe ze zich gedragen. Nature beoordelingen, 9, 112-124.
- Vance, JE en Vance, DE (2008). Biochemie van lipiden, lipoproteïnen en membranen. In New Comprehensive Biochemistry Vol. 36 (4e ed.). Elsevier.