Esfingolipídeos: características, funções, grupos, síntese

Os esfingolípidos são uma das três principais famílias dos lípidos em membranas biológicas. Como glicerofosfolípides e esteróis, são moléculas anfipáticas com uma região polar hidrofílica e uma região apolar hidrofóbica.

Eles foram descritos pela primeira vez em 1884 por Johann LW Thudichum, que descreveu três esfingolipídios (esfingomielina, cerebrosulfetos e cerebrosulfatídeo) que pertencem às três classes diferentes conhecidas: fosfosfingolipídios, glicosfingolipídeos neutros e ácidos.

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Alejandro Porto [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Ao contrário dos glicerofosfolípidos, os esfingolípidos não são construídos sobre uma molécula de glicerol 3-fosfato como esqueleto principal, mas são compostos derivados da esfingosina, um aminoálcool com uma longa cadeia de hidrocarbonetos ligada por uma ligação amida.

Em termos de complexidade e diversidade, pelo menos 5 tipos diferentes de bases são conhecidos para esfingolípidos em mamíferos . Essas bases podem ser unidas por mais de 20 tipos diferentes de ácidos graxos, com diferentes comprimentos e graus de saturação, além das múltiplas variações nos grupos polares que podem ocorrer.

As membranas biológicas têm cerca de 20% de esfingolípidos. Eles têm funções variadas e importantes nas células, desde a estrutural até a transdução de sinal e controle de diferentes processos de comunicação celular.

A distribuição dessas moléculas varia de acordo com a função da organela onde elas são encontradas, mas normalmente a concentração de esfingolipídios é muito maior na monocamada externa da membrana plasmática em relação à monocamada interna e outros compartimentos.

Nos seres humanos, existem pelo menos 60 espécies de esfingolípidos. Muitos deles são componentes importantes das membranas das células nervosas, enquanto outros desempenham papéis estruturais importantes ou participam na transdução de sinal, reconhecimento, diferenciação celular , patogênese, morte celular programada, entre outros.

E structura

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Estrutura geral dos esfingolípidos. LHcheM [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], do Wikimedia Commons

Todos os esfingolipídeos são derivados de uma L-serina, que é condensada com um ácido graxo de cadeia longa para formar a base esfingóide, também conhecida como base de cadeia longa (LCB).

As bases mais comuns são esfinganina e esfingosina, que diferem entre si apenas na presença de uma dupla ligação trans entre os carbonos 4 e 5 do ácido graxo da esfingosina.

Os carbonos 1, 2 e 3 da esfingosina são estruturalmente análogos aos carbonos de glicerol dos glicerofosfolípidos. Quando um ácido graxo é ligado ao carbono 2 da esfingosina por ligações amida, é produzida uma ceramida, que é uma molécula muito semelhante ao diacilglicerol e representa o esfingolípido mais simples.

Os ácidos graxos de cadeia longa que constituem as regiões hidrofóbicas desses lipídios podem ser muito diversos. Os comprimentos variam de 14 a 22 átomos de carbono que podem ter diferentes graus de saturação, geralmente entre os carbonos 4 e 5.

Nas posições 4 ou 6, eles podem ter grupos hidroxila e ligações duplas em outras posições ou até ramos como grupos metil.

Caracteristicas

As cadeias de ácidos graxos ligadas por ligações amidas às ceramidas são comumente saturadas e tendem a ser mais longas do que as encontradas nos glicerofosfolípides, o que parece ser crucial para sua atividade biológica.

Uma característica distintiva do esqueleto esfingolipídeo é que eles podem ter uma carga líquida positiva em pH neutro, raro entre as moléculas lipídicas.

No entanto, a pKa do grupo amino é baixa em relação a uma amina simples, entre 7 e 8, de modo que uma porção da molécula não é carregada em pH fisiológico, o que poderia explicar o movimento “livre” destes entre os bicamadas

A classificação tradicional dos esfingolípidos decorre das múltiplas modificações pelas quais a molécula de ceramida pode sofrer, principalmente no que diz respeito às substituições dos grupos de cabeças polares.

Funções

Os esfingolipídeos são essenciais em animais , plantas e fungos , bem como em alguns organismos e vírus procarióticos .

Funções estruturais

Os esfingolipídeos modulam as propriedades físicas das membranas, incluindo sua fluidez, espessura e curvatura. Modular essas propriedades também lhes dá influência direta na organização espacial das proteínas da membrana.

Em jangadas lipídicas

Nas membranas biológicas, micro domínios dinâmicos podem ser detectados com menos fluidez formada por colesterol e moléculas esfingolipídicas chamadas jangadas lipídicas.

Essas estruturas ocorrem naturalmente e mantêm uma estreita relação com proteínas integrais, receptores da superfície celular e proteínas sinalizadoras, transportadores e outras proteínas com âncoras de glicosilfosfatidilinositol (GPI).

Funções de sinal

Eles têm funções como moléculas de sinalização que agem como segundos mensageiros ou como ligantes segregados para os receptores da superfície celular.

Como mensageiros secundários, eles podem participar da regulação da homeostase do cálcio, crescimento celular, tumorigênese e supressão da apoptose. Além disso, a atividade de muitas proteínas integrais e periféricas da membrana depende de sua associação com esfingolipídeos.

Muitas interações intercelulares e celulares com o meio ambiente dependem da exposição de diferentes grupos polares esfingolípidos à face externa da membrana plasmática.

A ligação de glicosfingolipídeos e lectinas é crucial para a associação de mielina com axônios, adesão de neutrófilos ao endotélio, etc.

Subprodutos do seu metabolismo

Os esfingolipídeos de sinalização mais importantes são as bases de cadeia longa ou esfingosinas e ceramidas, bem como seus derivados fosforilados, como a esfingosina 1-fosfato.

Os produtos do metabolismo de muitos esfingolipídeos ativam ou inibem vários alvos a jusante (proteínas cinases, fosfoproteínas fosfatases e outros), que controlam comportamentos celulares tão complexos quanto crescimento, diferenciação e apoptose.

-Como receptores de membrana

Alguns patógenos usam glicosfingolipídios como receptores para mediar sua entrada nas células hospedeiras ou para fornecer fatores de virulência a eles.

Foi demonstrado que os esfingolipídios participam de múltiplos eventos celulares, como secreção, endocitose, quimiotaxia, neurotransmissão, angiogênese e inflamação.

Eles também estão envolvidos no tráfico de membranas, influenciando a internalização dos receptores, a ordem, o movimento e a fusão das vesículas secretoras em resposta a diferentes estímulos.

Grupos esfingolipídeos

Existem três subclasses de esfingolipídeos, todos derivados da ceramida e diferentes entre si por grupos polares, a saber, esfingomielinas, glicolipídios e gangliosídeos.

Esfingomielinas

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Sphingomylein Preto: esfingosina. Vermelho: fosfocolina. Azul: ácido graxo.

Eles contêm fosfocolina ou fosfoetanolamina como um grupo de cabeça polar, portanto são classificados como fosfolipídios juntamente com glicerofosfolípides. Eles se assemelham, é claro, a fosfatidilcolinas em estrutura tridimensional e em propriedades gerais, uma vez que não têm carga em suas cabeças polares.

Eles estão presentes nas membranas plasmáticas das células animais e são especialmente abundantes na mielina, uma bainha que envolve e isola os axônios de alguns neurônios.

Glicolipídios neutros ou glicosfingolipídeos (sem carga)

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Glicolípido Wpcrosson [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons

Eles são encontrados principalmente na face externa da membrana plasmática e possuem um ou mais açúcares como um grupo de cabeça polar diretamente ligado ao hidroxil de carbono 1 da porção de ceramida. Eles não têm grupos fosfato. Como no pH 7 eles não têm carga, são chamados glicolipídeos neutros.

Cerebrosídeos têm uma única molécula de açúcar ligada à ceramida. Os que contêm galactose são encontrados nas membranas plasmáticas das células dos tecidos não nervosos. Globosídeos são glicosfingolipídeos com dois ou mais açúcares, geralmente D-glicose, D-galactose ou N-acetil-D-galactosamina.

Gangliosídeos ácidos ou glicosfingolipídeos

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Estrutura gangliosídeo GM1

Estes são os esfingolípidos mais complexos. Eles têm oligossacarídeos como um grupo polar principal e um ou mais resíduos terminais de ácido N-acetilmurâmico, também chamados de ácido siálico. O ácido siálico fornece aos gangliosídeos a carga negativa em pH 7, que os diferencia dos glicosfingolipídeos neutros.

A nomenclatura desta classe esfingolipídica depende da quantidade de resíduos de ácido siálico presentes na porção oligossacarídica da cabeça polar.

Síntese

A molécula base de cadeia longa, ou esfingosina, é sintetizada no retículo endoplasmático (ER) e a adição do grupo polar à cabeça desses lipídios ocorre posteriormente no complexo de Golgi . Nos mamíferos, alguma síntese esfingolipídica também pode ocorrer nas mitocôndrias .

Após completar sua síntese no complexo de Golgi, os esfingolipídios são transportados para outros compartimentos celulares através de mecanismos mediados por vesículas.

A biossíntese de esfingolipídios consiste em três eventos fundamentais: a síntese de bases de cadeia longa, a biossíntese de ceramidas pela ligação de um ácido graxo através de uma ligação amida e, finalmente, a formação de esfingolipídios complexos através de da união de grupos polares no carbono 1 da base esfingóide.

Além da síntese de novo , os esfingolipídios também podem ser formados pela substituição ou reciclagem de bases de cadeia longa e ceramidas, que podem alimentar o pool de esfingolipídeos.

Síntese do esqueleto de ceramida

A biossíntese da ceramida, o esqueleto dos esfingolípidos, começa com a condensação da descarboxilação de uma molécula de palmitoil-CoA e uma L-serina. A reação é catalisada por uma serina heterodimérica de palmitoil transferase (SPT), dependente do fosfato de piridoxal e o produto é a 3-ceto di-hidrosfingosina.

Esta enzima é inibida por β-halo-L-alaninas e L-ciclososinas. Nas leveduras é codificado por dois genes, enquanto nos mamíferos existem três genes para esta enzima. O sítio ativo está na face citoplasmática do retículo endoplasmático.

O papel desta primeira enzima é conservado em todos os organismos estudados. No entanto, existem algumas diferenças entre os táxons relacionados à localização subcelular da enzima: a das bactérias é citoplasmática, a das leveduras, plantas e animais está no retículo endoplasmático.

A 3-cetosfinganina é subsequentemente reduzida pela 3-cetosfinganina redutase dependente de NADPH para produzir esfinganina. A di-hidroceramida sintase (esfinganina N-acil transferase) então acetila a esfinganina para produzir di-hidroceramida. A ceramida é então formada pela di-hidroceramida-dessaturase / redutase, que insere uma dupla ligação trans na posição 4-5.

Nos mamíferos, existem inúmeras isoformas de ceramida sintase, cada uma unindo uma cadeia específica de ácidos graxos às bases de cadeias longas. Portanto, as ceramidas sintases e outras enzimas, as alongases, fornecem a principal fonte de diversidade de ácidos graxos nos esfingolípidos.

Formação de esfingolípidos específicos

A esfingomielina é sintetizada pela transferência de uma fosfocolina da fosfatidilcolina para a ceramida, liberando diacilglicerol. A reação liga as vias de sinalização dos esfingolípidos e glicerofosfolípides.

A fosfoetanolamina de ceramida é sintetizada a partir de fosfatidiletanolamina e ceramida em uma reação análoga à da síntese de esfingomielina e, uma vez formada, pode ser metilada em esfingomielina. As ceramidas de fosfato de inositol são formadas por transesterificação a partir de fosfatidilinositol.

Os glicosfingolipídeos são modificados principalmente no complexo de Golgi, onde enzimas glicosiltransferases específicas participam da adição de cadeias oligossacarídicas na região hidrofílica do esqueleto de ceramida.

Metabolismo

A degradação dos esfingolipídeos é realizada pelas enzimas glucohidrolases e esfingomielinases, responsáveis ​​pela remoção das modificações do grupo polar. Por outro lado, as ceramidases regeneram bases de cadeia longa a partir de ceramidas.

Os gangliosídeos são degradados por um conjunto de enzimas lisossômicas que catalisam a eliminação passo a passo das unidades de açúcar, produzindo finalmente uma ceramida.

Outra via de degradação consiste na internalização de esfingolipídios nas vesículas endocíticas que são enviadas de volta à membrana plasmática ou transportadas para os lisossomos, onde são degradadas por hidrolases ácidas específicas.

Nem todas as bases de cadeia longa são recicladas, o retículo endoplasmático tem uma rota para degradação terminal dessas. Esse mecanismo de degradação consiste em uma fosforilação em vez da acilação dos LCBs, dando origem a moléculas de sinalização que podem ser substratos solúveis para as enzimas de liases que cortam os LCBs-fosfato para gerar aciloaldeídos e fosfoetanolamina.

Regulamento

O metabolismo desses lipídios é regulado em vários níveis, um deles é o das enzimas responsáveis ​​pela síntese, suas modificações pós-traducionais e seus mecanismos alostéricos.

Alguns mecanismos reguladores são específicos para as células, seja para controlar o momento do desenvolvimento celular em que são produzidos ou em resposta a sinais específicos.

Referências

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