Šūnu membrānas fosfolipīdu veidi

Klasifikācija balstās uz to, kas piesaistīts pie fosfātu grupas un kāds skelets ir molekulas pamatā. Pirmā lielā grupa ir glicerofosfolipīdi ar glicerīna skeletu, otrā sfingolipīdi.

Praktiski svarīgi ir tas, ka daudzuma ziņā membrānā dominē tikai daži veidi, bet vairāki mazākumā esošie ir funkcionāli nesamērīgi nozīmīgi. Fosfatidilinozitols membrānā ir neliela daļa, bet bez tā neviens no daudzajiem hormonu signālu ceļiem nedarbotos.

Divslānis nav simetrisks. Ārējā pusē pārsvarā atrodas fosfatidilholīns un sfingomielīns, iekšējā pusē fosfatidiletanolamīns, fosfatidilserīns un fosfatidilinozitols. Šī sadalījuma uzturēšana prasa enerģiju, jo fosfolipīdi paši no viena slāņa otrā gandrīz nepāriet.

Sadalījumu nodrošina īpašas olbaltumvielas: vienas pārnes noteiktus fosfolipīdus uz iekšpusi, citas uz ārpusi, bet trešās, kad tiek ieslēgtas, pārkārtošanu atļauj abos virzienos un asimetriju sagrauj. Tieši šī trešā mehānisma ieslēgšana ir tas, kas padara fosfatidilserīna parādīšanos ārpusē par signālu.

• Ārējā slānī dominē fosfatidilholīns un sfingomielīns, kas veido samērā blīvu virsmu.
• Iekšējā slānī atrodas negatīvi lādētie fosfolipīdi, kas piesaista šūnas iekšējās signālu olbaltumvielas.
• Asimetriju uztur ar enerģiju darbināmi pārnesēji.
• Kad asimetrija tiek apzināti sagrauta, šūna nosūta signālu apkārtējai videi.
• Ārējā slāņa cukurus saturošās molekulas veido šūnas virsmas apvalku, ko atpazīst citas šūnas.

Veselā šūnā fosfatidilserīns atrodas tikai iekšpusē. Kad šūna sāk ieprogrammēto bojāeju, tas tiek izlikts ārpusē, un makrofāgi šo signālu atpazīst kā norādi šūnu aprīt, pirms tā sabrūk un izlej saturu apkārtējos audos. Tieši tāpēc ieprogrammēta šūnu nāve parasti nerada iekaisumu.

Tas pats mehānisms strādā asins recēšanā. Aktivējoties trombocītam, tā virsmā parādās fosfatidilserīns, un uz šīs negatīvi lādētās virsmas sakārtojas recēšanas faktoru kompleksi. Bez šādas virsmas recēšanas kaskādes ātrums būtu daudzkārt mazāks, un tieši tāpēc lielākā daļa recēšanas notiek uz šūnu virsmām, nevis brīvi asins plazmā.

Ar šo jomu saistīta arī klīniski nozīmīga slimība: antifosfolipīdu sindroms, kurā organisms izgatavo antivielas pret olbaltumvielām, kas piesaistījušās negatīvi lādētajiem fosfolipīdiem. Pretēji nosaukuma radītajam iespaidam šīs antivielas asinis nevis atšķaida, bet veicina trombu veidošanos, un sievietēm tās saistītas ar atkārtotiem grūtniecības zudumiem. Šo stāvokli izmeklē reimatologs vai hematologs.

Fosfatidilinozitola galvas grupai var tikt pievienotas fosfātu grupas dažādās vietās, un katrs šāds variants kalpo par atšķirīgu atzīmi, pēc kuras noteiktas olbaltumvielas atrod pareizo membrānas rajonu. Tā šūna atšķir savu ārējo membrānu no iekšējo pūslīšu membrānām.

Viens no šiem variantiem ir īpaši svarīgs. Kad hormons vai citas signālvielas receptors tiek aktivēts, ferments šo molekulu pārgriež divās daļās: viena aiziet šūnas iekšienē un liek izdalīt kalciju no krājumiem, otra paliek membrānā un ieslēdz fermentu, kas maina citu olbaltumvielu darbību. Šis viens fosfolipīds tātad ir starpnieks ļoti daudziem dažādiem hormoniem.

1. Signālviela piesaistās receptoram šūnas virsmā.
2. Aktivētais receptors ieslēdz fermentu membrānas iekšējā pusē.
3. Ferments pārgriež fosfatidilinozitola atvasinājumu divās signālmolekulās.
4. Viena no tām izplatās šūnā un atver kalcija krājumu kanālus.
5. Otra paliek membrānā un aktivē olbaltumvielu, kas pievieno fosfātu citiem fermentiem.
6. Kalcija pieaugums un fermentu maiņa kopā rada šūnas atbildi, piemēram, saraušanos vai sekrēciju.

Kardiolipīns ir neparasts fosfolipīds, jo tam ir četras taukskābju astes, nevis divas. Tas atrodas gandrīz tikai mitohondriju iekšējā membrānā, kur nodrošina elpošanas ķēdes olbaltumvielu pareizu sakārtojumu. Kad šī membrāna tiek bojāta, kardiolipīns kļūst pieejams, un tas ir viens no soļiem, kas noved pie šūnas ieprogrammētas bojāejas.

Kardiolipīna veidošanās traucējumi izraisa retu iedzimtu slimību, kas skar sirds muskuli, skeleta muskuļus un balto asins šūnu ražošanu. Tas labi ilustrē, ka pat viena lipīda pārveides posma trūkums var radīt vairāku orgānu slimību.

Sfingomielīns ir galvenais sfingolipīds cilvēka membrānās, un īpaši daudz tā ir nervu šķiedru mielīna apvalkā, kur tas kopā ar holesterīnu veido blīvu izolējošu slāni. Ja trūkst ferments, kas sfingomielīnu sašķeļ, tas uzkrājas šūnās, un attīstās iedzimta uzkrāšanās slimība ar aknu, liesas un nervu sistēmas bojājumu. Šādas slimības izmeklē un ārstē ģenētiķis kopā ar attiecīgo orgānu speciālistiem.

Viens no praktiski svarīgākajiem fosfolipīdu pielietojumiem medicīnā attiecas uz plaušām. Alveolu iekšējo virsmu klāj virsmas aktīvā viela, kuras galvenā sastāvdaļa ir īpašs fosfatidilholīna veids ar divām piesātinātām astēm. Tā samazina virsmas spraigumu un neļauj alveolām izelpas beigās sakrist.

Šīs vielas ražošana augļa plaušās sākas salīdzinoši vēlu grūtniecības laikā. Tāpēc priekšlaicīgi dzimušiem bērniem draud elpošanas grūtību sindroms, kurā alveolas sakrīt un elpošana kļūst smaga. Tieši tāpēc, ja gaidāmas priekšlaicīgas dzemdības, mātei var tikt nozīmēta terapija, kas paātrina augļa plaušu nobriešanu, bet jaundzimušajam pēc dzimšanas var ievadīt virsmas aktīvo vielu tieši elpceļos.

Vēsturiski augļa plaušu gatavību vērtēja pēc divu lipīdu attiecības augļūdeņos, kas ir tiešs piemērs tam, kā fosfolipīdu bioķīmija nonāk ikdienas klīniskajā praksē. Mūsdienās izmanto arī citas metodes, bet pamatprincips ir palicis tas pats.

Bieži fosfolipīdi tiek sajaukti ar pārējām membrānas sastāvdaļām vai ar uztura taukiem. Atšķirības ir gan uzbūvē, gan funkcijā.

Tāpat jāatceras, ka membrānā papildus fosfolipīdiem ir arī holesterīns, kas iestiprinās starp astēm un darbojas kā regulētājs: tas neļauj membrānai kļūt pārāk šķidrai augstā temperatūrā un pārāk stingrai zemā. Tāpēc holesterīns šūnu līmenī nav kaitīga viela, bet obligāta membrānas sastāvdaļa.

Ilgus gadus membrānu attēloja kā vienmērīgu lipīdu jūru, kurā brīvi peld olbaltumvielas. Mūsdienu izpratnē tā ir daudz sakārtotāka. Sfingomielīns un holesterīns membrānā veido blīvākus, mazliet biezākus rajonus, kuros noteiktas olbaltumvielas sapulcējas kopā, bet citas tiek izstumtas. Šie rajoni darbojas kā signālu platformas, kur receptors un tā partneri satiekas ātrāk.

Otra būtiska doma ir tā, ka membrānas forma ir atkarīga no lipīdu ģeometrijas. Fosfatidilholīna molekula pēc formas ir cilindriska un veido plakanu slāni, bet fosfatidiletanolamīna galva ir mazāka nekā astes, tāpēc tā molekula ir konusveida un liek membrānai izliekties. Tieši tāpēc šis lipīds koncentrējas vietās, kur membrānai jāsalokās vai jāsaplūst.

Trešais praktiskais secinājums attiecas uz uzturu. Taukskābes, ko cilvēks uzņem ar pārtiku, daļēji nonāk membrānu sastāvā un maina to sastāvu, tātad arī šķidrumu un signālmolekulu izejvielu pieejamību. Tas nenozīmē, ka kāds konkrēts produkts šūnas membrānu izārstē, bet paskaidro, kāpēc taukskābju sastāvam organismā vispār ir nozīme.