Biosynthese von Phosphoglyceriden

Zu den Strukturlipiden eukaryotischer Membranen zählen die Membranlipide Phosphatidylethanolamin (PtdEtn), Phosphatidylcholin (PtdCho), Phosphatidylserin (PtdSer) und Phosphatidylinositol (PtdIns). Eukaryotische Zellen synthetisieren diese Phosphoglyceride hauptsächlich an der Oberfläche des glatten Endoplasmatischen Retikulums (ER) (Ohlrogge und Browse, 1995). Lipide werden außerdem in Plastiden und Mitochondrien synthetisiert. Einige Phosphoglyceride verbleiben am Ort ihrer Synthese, andere werden zu anderen Orten in der Zelle transportiert (Ohlrogge und Browse, 1995).

Die Glycerolipidbildung beginnt mit der Synthese der hydrophoben Gruppen, also der Fettsäuren. In Pflanzen findet die Neusynthese von Fettsäuren durch die Fettsäure-Synthase (FAS) in den Plastiden statt. Ausgangspunkt der Fettsäuresynthese ist Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA), das unter Verbrauch von ATP von einer Acetyl-CoA-Carboxylase zu Malonyl-CoA carboxyliert wird. Anschließend wird das CoA durch das Acyl-Trägerprotein (ACP) ausgetauscht. Es folgt eine Kondensation von Acetyl-CoA an Malonyl-ACP. Das gebildete Acetoacetat bleibt als Thioester an ACP gebunden und

Blätter Wurzeln

60%

1% 24%

16% 83%

2% 5% 12%

Plastidäre Galaktolipide Plastidäre Phospholipide

Cytosolische Phospholipide Phosphoinositide

kann zu β-D-Hydroxyacyl-ACP reduziert werden. Wasserabspaltung und eine Reduktion zu Acyl-ACP verlängern das Produkt um zwei Kohlenstoffatome. Die Kettenverlängerung erfolgt so iterativ bis zur Bildung von 16:0-ACP und, hauptsächlich, 18:0-ACP. In Pflanzen führen plastidäre lösliche Desaturasen die ersten Doppelbindungen noch am Acyl-ACP ein, bevor die Umesterung des Acyl-Restes auf Glycerin erfolgt. Alle weiteren Desaturierungsschritte erfolgen dann direkt am Lipid (Ohlrogge und Browse, 1995).

Synthese von Glycerolipiden

Glycerin-3-phosphat ist das Ausgangssubstrat für die Synthese aller Glycerolipide.

Acyl-ACP wird bei der plastidären Lipidsynthese direkt auf Glycerin-3-phosphat übertragen. Bei der ersten Acylierung findet meist eine Übertragung eines 18:1∆⁹ -Acylrestes an Position sn-1 statt, an Position sn-2 wird meist ein 16:0-Acylrest übertragen. Membrangebundene Fettsäuredesaturasen der Plastiden führen weitere Doppelbindungen in die lipidgebundenen Fettsäuren ein. Dieser Glycerolipidsyntheseweg in den Plastiden wird als prokaryotischer Weg bezeichnet.

Während nur ein Teil der gebildeten Fettsäuren im prokaryotischen Weg verbleibt, wird ein Großteil der im Plastiden gebildeten Fettsäuren ins Cytosol exportiert und dabei auf CoA umgeestert. Bei der Glycerolipidsynthese an den ER-Membranen werden Acylreste von Acyl-CoA auf Glycerin-3-phosphat übertragen. Membrangebundene Desaturasen im ER führen dann bis zu drei Doppelbindungen in die lipidgebundenen Fettsäuren ein. Den Syntheseweg in den ER-Membranen bezeichnet man als eukaryotischen Weg. Das Primärprodukt der Glycerolipidsynthese ist PtdOH, das das strukturell einfachste Phosphoglycerolipid darstellt (Abb. 2), aus dem alle anderen Glycerolipide hergestellt werden können (Ohlrogge und Browse, 1995).

Die Biosynthese weiterer Phosphoglyceride beginnt mit der Bildung von Cytidindiphosphatdiacylglycerin (CDP-DAG) aus PtdOH und Cytidintriphosphat (CTP). Die aktivierte Phosphatidyleinheit des CDP-DAGs reagiert dann mit der Hydroxylgruppe eines polaren Alkohols. Im Falle von Serin entstehen so PtdSer und Cytidinmonophosphat (CMP). PtdIns und PtdGro entstehen durch analoge Übertragung eines Phosphatidylrestes von CDP-DAG auf Inositol bzw. Glycerin (Ohlrogge und Browse, 1995).

Cholin und Ethanolamin werden von spezifischen Kinasen phosphoryliert und anschließend über Cytidyltransferasen durch die Reaktion von CTP zu CDP-Cholin und

CDP-Ethanolamin umgesetzt. Die Bildung von PtdCho und PtdEtn erfolgt also durch die Übertragung aktivierter Kopfgruppen auf DAG. Die Hauptreaktionen des Phosphoglyceridstoffwechsels sind in Abbildung 4 zusammengefaßt. Die Synthese von Cardiolipin in Mitochondrien erfolgt durch die Übertragung eines Phosphatidylrestes von CDP-DAG auf PtdGro (Schlame et al., 2000).

Abbildung 4: Hauptreaktionen des Phosphoglyceridstoffwechsels. Glycerin-3-phosphat ist das Ausgangssubstrat der Glycerolipidsynthese. Acylreste werden dabei auf Glycerin-3-phosphat übertragen. Das Primärprodukt der Glycerolipidsynthese ist PtdOH. Weitere Phosphoglyceride werden aus CDP-DAG und PtdOH gebildet. Die aktivierte Phosphatidyleinheit des DAGs reagiert mit Serin oder Inositol zu PtdSer oder PtdIns. Cholin und Ethanolamin werden von spezifischen Kinasen phosphoryliert. Die Bildung von PtdCho und PtdEtn erfolgt durch die Übertragung aktivierter Kopfgruppen auf DAG. ADP, Adenosindiphosphat; ATP, Adenosintriphosphat; CMP, Cytidinmonophosphat; CoA, Coenzym A; CTP, Cytidintriphosphat; DAG, Diacylglycerol; PtdCho, Phosphatidylcholin; PtdEtn, Phosphatidylethanolamin; PtdOH, Phosphatidsäure; PP_i, anorganisches Phosphat.

Regulatorische Lipide

Neben strukturgebenden Phospholipiden, die den Großteil des Membrankörpers ausmachen, gibt es auch Phospholipide von geringerer Verbreitung, die regulatorische Aufgaben in der Zelle wahrnehmen (Munnik et al., 1998). Die inositolhaltigen Phospholipide, auch „Phosphoinositide“ (PIs), sind ein klassisches Beispiel für regulatorische Lipide und gehören zur Gruppe der Phosphoglyceride (Stevenson et al.,

Glycerin-3-phosphat Lysophosphatidat PtdOH

2000; Balla, 2006). PIs leiten sich von PtdIns ab. Der Inositolring bildet die Grundstruktur der polaren Kopfgruppe und kann an verschiedenen Positionen phosphoryliert werden. Durch die Phosphorylierungen an den Positionen 3, 4 und 5 können verschiedene Derivate entstehen, die jeweils regulatorische Aufgaben in der Zelle übernehmen (Abb. 5). Die Positionen 2 und 6 der Lipidkopfgruppe sind sterisch nicht für eine Phosphorylierung zugänglich. Sieben Varianten der PIs sind bekannt, die vorwiegend auf der cytosolischen Seite zellulärer Membranen lokalisiert sind. PIs machen nur etwa 1-3 % der gesamten Phospholipide aus (Stevenson et al., 2000; Balla, 2006) (vgl. Abb. 3).

Die Phosphatidylinositolmonophosphate (PtdIns3P, PtdIns4P und PtdIns5P), Phosphatidylinositolbisphosphate (PtdIns(3,4)P₂, PtdIns(3,5)P₂ und PtdIns(4,5)P₂) und das Phosphatidylinositoltriphosphat (PtdIns(3,4,5)P3) werden aufgrund ihrer Phosphorylierungsstellen an der Inositolkopfgruppe benannt. Die überwiegende Zahl der Studien zum PI-Stoffwechsel eukaryotischer Zellen unterscheidet keine molekularen Spezies anhand der Fettsäurezusammensetzung. Mit Ausnahme von PtdIns(3,4,5)P₃ kommen alle denkbaren PIs auch in Pflanzen vor (Munnik et al., 1998;

Stevenson et al., 2000). Die komplexen Beziehungen und Funktionen von PIs sollen in den folgenden Abschnitten beschrieben werden.

Abbildung 5: Strukturen pflanzlicher PIs. PIs bestehen aus einem Glycerinrückgrat, das mit verschiedenen Fettsäuren verestert ist, zudem besitzen sie alle eine Inositolkopfgruppe, die an verschiedenen Positionen phosphoryliert werden kann.

PtdIns3P, Phosphatidylinositol-3-phosphat; PtdIns4P, Phosphatidylinositol-4-phosphat;

PtdIns5P, Phosphatidylinositol-5-phosphat; PtdIns(3,5)P2, Phosphatidylinositol-3,5-bisphosphat; PtdIns(4,5)P2, Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat; PtdIns(3,4)P2, Phosphatidylinositol-3,4-bisphosphat. Quelle der Strukturen:

http://www.avantilipids.com

3

55

5 33 5

5 44 5

4 3 44

PtdIns3P

PtdIns4P

PtdIns5P

PtdIns(3,5)P₂

PtdIns(4,5)P₂

PtdIns(3,4)P₂