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脂质—结构决定性质,性质决定功能

已有 4254 次阅读 2020-8-13 14:42 |系统分类:科普集锦

杨仁丹撰写,王彦利校正


简单来说,脂质是一类难溶于水而易溶于有机溶剂的生物有机分子。细胞中的脂质具有种类多、化学结构多样性等特点。脂质化学多样性是指脂质立体异构体的化学结构多样性与组成多样性,其中组成多样性主要体现在不同的组织器官、不同的细胞和细胞器、甚至同一细胞器的不同亚室的脂质都存在差异(Lorent et al., 2020)。通常认为脂质具有三大生物学功能:构成生物膜、储存能量和作为信号分子参与信号转导。本短文简要介绍脂质作为生物膜重要组成组分,影响其理化性质。

 

1.膜脂质结构影响膜理化性质

生物膜的脂质主要包括磷脂(phospholipidsPLs)、鞘脂与胆固醇等。PLs由亲水的头基与两条疏水的酰基链组成,两条酰基链的sn-1链较sn-2链饱和程度更高(Goudeau et al., 2011)PLs的头基与酰基链的相对空间的体积大小,决定其分子形状。如磷脂酰胆碱(PtdCho)与磷脂酰丝氨酸(PtdSer)属于圆柱形状;磷脂酰乙醇胺(PtdEth)与磷脂酸属于圆锥形状;而溶血磷脂Lyso-PLs与磷脂酰肌醇(PtdIns)属于倒圆锥形(Harayama and Riezman, 2018)。这些膜磷脂的结构差异与其在生物膜中的分布不平衡性,共同决定了生物膜的理化性质。

膜磷脂头基和疏水酰基链的相对大小通过影响生物膜的自发曲率来影响生物膜性质(Ernst et al., 2016)。圆柱状磷脂组成的生物膜显示为平膜(Flat membrane),圆锥状磷脂会形成负曲率,而倒圆锥状的磷脂则会出现正曲率,这种自发性曲率在膜重塑(膜融合和分裂)过程中至关重要,如PtdEtn的负自发曲率破坏双层膜特性,促进生物膜融合。有研究表明,圆锥状磷脂对于SNARE介导的生物膜融合及破骨细胞融合至关重要(Irie et al., 2017; Zick et al.,2014)。长链且饱和的酰基链通常使膜脂间堆积更加紧密,促使脂质-脂质间相互作用更强,生物膜变厚且膜的流动性降低(Sezgin et al., 2017; van Meer etal., 2008)。相反,不饱和酰基链构象特性会阻止膜脂间的紧密堆积,降低膜的弯曲刚度,使膜易于变形。研究表明,PLs中的DHA(C22:6n-3)含量增加可以促进生物膜内吞作用快速发生(Mathieu Pinot etal., 2014)。在肝和肠细胞中,膜PLs中的花生四烯酸(C20:4n-6)可促进甘油三酯向ER内腔转运,从而防止了细胞质甘油三酯的过度积累(Hashidate-Yoshida et al., 2015)。上述表明,脂质成分对于维持膜的物理性质(如自发曲率和弯曲刚度等)至关重要。

 

2.膜脂质介导脂筏形成

在人造脂膜中,根据饱和、不饱和脂质和胆固醇比例的不同可分成不同的相,产生具有高脂质堆积的液体有序域和较少脂质堆积的液体无序域。这种生物膜的局部相分离是脂筏(lipid rafts)假说的基本原理,脂筏假说阐明生物膜局部相分离使膜脂质横向有序排列,浓缩蛋白并为蛋白发挥功能提供了一个相对稳定的平台(Rosetti et al., 2017; Sezgin etal., 2017)

研究表明,脂质-脂质及蛋白质-脂质的相互作用都会影响脂筏的形成。举例如下:(1)生物膜中,鞘脂和胆固醇通过氢键相互作用,即鞘脂主链的酰胺既可以提供氢键也可以接受氢键,并且胆固醇与其形成的氢键位于生物膜疏水区内,促使氢键更稳定,这也促进了脂质有序结构域的形成,从而稳定脂筏(Sezgin et al., 2017)。(2)双层膜脂质之间的酰基链也可以发生相互作用。例如,肌动蛋白与一侧质膜上PtdSer头基的结合,可诱导另一侧糖基磷脂酰肌醇聚集,使脂质排列相对有序(Raghupathy et al., 2015)。上述过程是需胆固醇介导,并且膜脂质都应包含至少一条长且饱和的酰基链。(3)经过饱和酰基链(例如棕榈酰基)修饰后的蛋白质,会被募集到脂筏结构域进一步促进脂筏的形成与稳定。(4)当跨膜蛋白质的疏水区与脂膜的疏水区不匹配时,也能诱导脂筏的形成。因此,脂质-脂质及蛋白质-脂质的相互作用不仅参与膜相关生物学过程,还有助于膜功能结构域-脂筏的形成。

 

3.脂质对生物膜蛋白的影响

膜脂质通过影响生物膜理化性质,或通过特异的脂质-蛋白相互作用,从而影响膜蛋白的生物学构象、募集、活性或定位等。例如,膜脂质组分影响着膜厚度,同时为了协调膜蛋白的跨膜疏水结构域与局部膜疏水区域相匹配也需要不断调整膜蛋白在生物膜上的横向分布。而膜蛋白与膜疏水区域不匹配则会影响膜蛋白如SNARE蛋白质的侧向分布(Milovanovic et al., 2015),甚至影响膜蛋白的构象,如鞘脂对p24蛋白的调节(Contreras et al., 2012)

蛋白通过脂质结合结构域与脂质发生相互作用。如PtdSer可与肌动蛋白结合,并引起生物膜脂筏形成(Raghupathy et al., 2015)。此外,PtdSer与蛋白质结合还影响细胞内运输途径(Lee et al., 2012)。研究表明,多种蛋白质-脂质相互作用涉及与多种脂质的协同结合,从而提高了靶标特异性(Vonkova et al., 2015)

 

  因此,膜脂质成分不仅构成生物膜,而且还决定了生物膜的理化性质。而生物膜的理化性质对蛋白的构象、定位与功能都至关重要。脂筏作为生物膜的结构功能域,其形成离不开膜脂质的相互作用与蛋白的影响。脂筏作为ER上的一叶扁舟,促进蛋白复合体的形成,是信号搜集发射站,为蛋白发挥功能提供一个相对稳定驻扎地。


参考文献:

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