Informatie

3.4: Lipiden - Biologie

3.4: Lipiden - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Wat je leert om te doen: verschillende soorten lipiden illustreren en hun structuur relateren aan hun rol in biologische systemen

Vetten en oliën zijn waarschijnlijk het type lipide waarmee u in uw dagelijks leven het meest vertrouwd bent. Het woord vet roept meestal een negatief beeld op in onze gedachten. Er zijn ook andere lipiden die essentieel zijn voor het menselijk leven, waaronder fosfolipiden, steroïden en wassen.

Hoewel een teveel aan een stof een probleem kan zijn, spelen al deze lipiden een essentiële rol in levende wezens.

In dit resultaat bespreken we lipiden en de rol die ze in ons lichaam plannen.

leerdoelen

  • Maak onderscheid tussen de verschillende soorten lipiden
  • Identificeer verschillende belangrijke functies van lipiden

Lipiden omvatten een diverse groep verbindingen die grotendeels niet-polair van aard zijn. Dit komt omdat het koolwaterstoffen zijn die voornamelijk niet-polaire koolstof-koolstof- of koolstof-waterstofbindingen bevatten. Niet-polaire moleculen zijn hydrofoob (“watervrezend”), of onoplosbaar in water. Lipiden vervullen veel verschillende functies in een cel. Cellen slaan energie op voor langdurig gebruik in de vorm van vetten. Lipiden zorgen ook voor isolatie van de omgeving voor planten en dieren (Figuur 1). Ze helpen bijvoorbeeld watervogels en zoogdieren droog te houden wanneer ze een beschermende laag over vacht of veren vormen vanwege hun waterafstotende hydrofobe aard. Lipiden zijn ook de bouwstenen van veel hormonen en vormen een belangrijk bestanddeel van alle celmembranen. Lipiden omvatten vetten, oliën, wassen, fosfolipiden en steroïden.

Vetten en oliën

Een vetmolecuul, zoals een triglyceride, bestaat uit twee hoofdcomponenten: glycerol en vetzuren. Glycerol is een organische verbinding met drie koolstofatomen, vijf waterstofatomen en drie hydroxyl (-OH) groepen. Vetzuren hebben een lange keten van koolwaterstoffen waaraan een zure carboxylgroep is bevestigd, vandaar de naam "vetzuur". Het aantal koolstoffen in het vetzuur kan variëren van 4 tot 36; de meest voorkomende zijn die met 12-18 koolstofatomen. In een vetmolecuul is aan elk van de drie zuurstofatomen in de –OH-groepen van het glycerolmolecuul een vetzuur bevestigd met een covalente binding (Figuur 2).

Tijdens deze vorming van covalente bindingen komen drie watermoleculen vrij. De drie vetzuren in het vet kunnen gelijk of verschillend zijn. Deze vetten worden ook wel triglyceriden genoemd omdat ze drie vetzuren bevatten. Sommige vetzuren hebben gemeenschappelijke namen die hun oorsprong specificeren. Zo is palmitinezuur, een verzadigd vetzuur, afgeleid van de palmboom. Arachidinezuur is afgeleid van: Arachis hypogaea, de wetenschappelijke naam voor pinda's.

Vetzuren kunnen verzadigd of onverzadigd zijn. Als er in een vetzuurketen slechts enkele bindingen zijn tussen aangrenzende koolstofatomen in de koolwaterstofketen, is het vetzuur verzadigd. Verzadigde vetzuren zijn verzadigd met waterstof; met andere woorden, het aantal waterstofatomen dat aan het koolstofskelet is bevestigd, wordt gemaximaliseerd.

Wanneer de koolwaterstofketen een dubbele binding bevat, is het vetzuur een onverzadigd vetzuur.

De meeste onverzadigde vetten zijn vloeibaar bij kamertemperatuur en worden oliën genoemd. Als er één dubbele binding in het molecuul is, staat het bekend als een enkelvoudig onverzadigd vet (bijvoorbeeld olijfolie), en als er meer dan één dubbele binding is, staat het bekend als een meervoudig onverzadigd vet (bijvoorbeeld koolzaadolie).

Verzadigde vetten hebben de neiging om strak te worden verpakt en zijn vast bij kamertemperatuur. Dierlijke vetten met stearinezuur en palmitinezuur in vlees en vet met boterzuur in boter zijn voorbeelden van verzadigde vetten. Zoogdieren slaan vetten op in gespecialiseerde cellen, adipocyten genaamd, waar bolletjes vet het grootste deel van de cel innemen. In planten wordt vet of olie opgeslagen in zaden en wordt het gebruikt als energiebron tijdens de embryonale ontwikkeling.

Onverzadigde vetten of oliën zijn meestal van plantaardige oorsprong en bevatten onverzadigde vetzuren. De dubbele binding veroorzaakt een buiging of een "knik" die voorkomt dat de vetzuren zich stevig vastpakken, waardoor ze bij kamertemperatuur vloeibaar blijven. Olijfolie, maïsolie, koolzaadolie en levertraan zijn voorbeelden van onverzadigde vetten. Onverzadigde vetten helpen het cholesterolgehalte in het bloed te verbeteren, terwijl verzadigde vetten bijdragen aan de vorming van plaque in de slagaders, wat het risico op een hartaanval verhoogt.

Margarine, sommige soorten pindakaas en bakvet zijn voorbeelden van kunstmatig gehydrogeneerd trans-vetten. Recente studies hebben aangetoond dat een toename van trans-vetten in de menselijke voeding kunnen leiden tot een verhoging van de niveaus van lipoproteïne met lage dichtheid (LDL), of "slechte" cholesterol, wat op zijn beurt kan leiden tot plaqueafzetting in de slagaders, wat kan leiden tot hartaandoeningen. Veel fastfoodrestaurants hebben onlangs het gebruik van trans-vetten en Amerikaanse voedseletiketten zijn nu verplicht om hun trans-vetgehalte.In de voedingsindustrie worden oliën kunstmatig gehydrogeneerd om ze halfvast te maken, wat leidt tot minder bederf en een langere houdbaarheid. Simpel gezegd, waterstofgas wordt door oliën geborreld om ze te laten stollen. Tijdens dit hydrogeneringsproces worden dubbele bindingen van de cis-conformatie in de koolwaterstofketen kan worden omgezet in dubbele bindingen in de trans- conformatie. Dit vormt een trans-vet van a cis-vet. De oriëntatie van de dubbele bindingen beïnvloedt de chemische eigenschappen van het vet (Figuur 3).

Essentiële vetzuren zijn vetzuren die nodig zijn, maar niet worden gesynthetiseerd door het menselijk lichaam. Daarom moeten ze worden aangevuld via de voeding. Omega-3-vetzuren vallen in deze categorie en zijn een van de slechts twee bekende essentiële vetzuren voor de mens (de andere zijn omega-6-vetzuren). Ze zijn een soort meervoudig onverzadigd vet en worden omega-3-vetzuren genoemd omdat de derde koolstof van het uiteinde van het vetzuur deelneemt aan een dubbele binding.

Zalm, forel en tonijn zijn goede bronnen van omega-3-vetzuren. Omega-3-vetzuren zijn belangrijk voor de hersenfunctie en de normale groei en ontwikkeling. Ze kunnen ook hartaandoeningen voorkomen en het risico op kanker verminderen.

Net als koolhydraten hebben vetten veel slechte publiciteit gekregen. Het is waar dat het eten van een teveel aan gefrituurd voedsel en ander "vet" voedsel leidt tot gewichtstoename. Vetten hebben echter wel belangrijke functies. Vetten dienen als langdurige energieopslag. Ze bieden ook isolatie voor het lichaam. Daarom moeten regelmatig "gezonde" onverzadigde vetten in matige hoeveelheden worden geconsumeerd.

Fosfolipiden

Fosfolipiden zijn het belangrijkste bestanddeel van het plasmamembraan. Net als vetten zijn ze samengesteld uit vetzuurketens die zijn bevestigd aan een glycerol of soortgelijke ruggengraat. In plaats van drie vetzuren zijn er echter twee vetzuren en de derde koolstof van de glycerolruggengraat is gebonden aan een fosfaatgroep. De fosfaatgroep wordt gemodificeerd door toevoeging van een alcohol.

Een fosfolipide heeft zowel hydrofobe als hydrofiele gebieden. De vetzuurketens zijn hydrofoob en sluiten zichzelf uit van water, terwijl het fosfaat hydrofiel is en een interactie aangaat met water.

Cellen zijn omgeven door een membraan, dat een dubbellaag van fosfolipiden heeft. De vetzuren van fosfolipiden zijn naar binnen gericht, weg van water, terwijl de fosfaatgroep naar de buitenomgeving of naar de binnenkant van de cel kan kijken, die beide waterig zijn.

Steroïden en was

In tegenstelling tot de eerder besproken fosfolipiden en vetten, hebben steroïden een ringstructuur. Hoewel ze niet op andere lipiden lijken, zijn ze er toch bij gegroepeerd omdat ze ook hydrofoob zijn. Alle steroïden hebben vier aan elkaar gekoppelde koolstofringen en verschillende ervan hebben, net als cholesterol, een korte staart.

Cholesterol is een steroïde. Cholesterol wordt voornamelijk in de lever gesynthetiseerd en is de voorloper van veel steroïdhormonen, zoals testosteron en estradiol. Het is ook de voorloper van vitamine E en K. Cholesterol is de voorloper van galzouten, die helpen bij de afbraak van vetten en de daaropvolgende opname door cellen. Hoewel er vaak negatief over cholesterol wordt gesproken, is het noodzakelijk voor het goed functioneren van het lichaam. Het is een belangrijk onderdeel van de plasmamembranen van dierlijke cellen.

Wassen bestaan ​​uit een koolwaterstofketen met een alcoholgroep (-OH) en een vetzuur. Voorbeelden van dierlijke wassen zijn bijenwas en lanoline. Planten hebben ook wassen, zoals de coating op hun bladeren, die helpt voorkomen dat ze uitdrogen.

Bekijk deze interactieve animatie voor een extra kijk op lipiden.

leerdoelen

Lipiden zijn een klasse van macromoleculen die niet-polair en hydrofoob van aard zijn. De belangrijkste soorten zijn vetten en oliën, wassen, fosfolipiden en steroïden. Vetten zijn een opgeslagen vorm van energie en worden ook wel triacylglycerolen of triglyceriden genoemd. Vetten zijn opgebouwd uit vetzuren en ofwel glycerol of sfingosine. Vetzuren kunnen onverzadigd of verzadigd zijn, afhankelijk van de aanwezigheid of afwezigheid van dubbele bindingen in de koolwaterstofketen. Als er alleen enkele bindingen aanwezig zijn, staan ​​​​ze bekend als verzadigde vetzuren. Onverzadigde vetzuren kunnen een of meer dubbele bindingen in de koolwaterstofketen hebben. Fosfolipiden vormen de matrix van membranen. Ze hebben een glycerol- of sfingosine-ruggengraat waaraan twee vetzuurketens en een fosfaathoudende groep zijn bevestigd. Steroïden zijn een andere klasse van lipiden. Hun basisstructuur heeft vier gesmolten koolstofringen. Cholesterol is een soort steroïde en is een belangrijk bestanddeel van het plasmamembraan, waar het helpt om de vloeibare aard van het membraan te behouden. Het is ook de voorloper van steroïde hormonen zoals testosteron.

Controleer uw begrip

Beantwoord de onderstaande vraag(en) om te zien hoe goed u de onderwerpen begrijpt die in de vorige sectie zijn behandeld. Deze korte quiz doet het niet tellen mee voor je cijfer in de klas, en je kunt het een onbeperkt aantal keren opnieuw doen.

Gebruik deze quiz om te controleren of u het goed hebt begrepen en om te beslissen of u (1) het vorige gedeelte verder wilt bestuderen of (2) door wilt gaan naar het volgende gedeelte.


3.4: Membranen en membraanlipiden

Alle levende cellen zijn omgeven door een celmembraan. Plantencellen (Figuur (PageIndex<1A>)) en dierlijke cellen (Figuur (PageIndex<1B>)) bevatten een celkern die ook is omgeven door een membraan en de genetische informatie voor de cel bevat. Alles tussen het celmembraan en het kernmembraan & mdash inclusief intracellulaire vloeistoffen en verschillende subcellulaire componenten zoals de mitochondriën en ribosomen & mdashis, het cytoplasma genoemd. De membranen van alle cellen hebben een fundamenteel vergelijkbare structuur, maar de membraanfunctie varieert enorm van het ene organisme tot het andere en zelfs van de ene cel tot de andere binnen een enkel organisme. Deze diversiteit komt voornamelijk voort uit de aanwezigheid van verschillende eiwitten en lipiden in het membraan.

Figuur (PageIndex<1>): (A) Een geïdealiseerde plantencel. Niet alle hier getoonde structuren komen in elk type plantencel voor. (B) Een geïdealiseerde dierlijke cel. De hier getoonde structuren zullen zelden allemaal in één dierlijke cel worden aangetroffen.

De lipiden in celmembranen zijn zeer polair maar hebben dubbele eigenschappen: een deel van het lipide is ionisch en lost daarom op in water, terwijl de rest een koolwaterstofstructuur heeft en daarom oplost in niet-polaire stoffen. Vaak wordt het ionische deel hydrofiel genoemd, wat "waterminnend" betekent, en het niet-polaire deel als hydrofoob, wat "watervrezend" betekent (afgestoten door water). Wanneer ze vrij in water kunnen drijven, clusteren polaire lipiden spontaan in een van de drie arrangementen: micellen, monolagen en bilagen (Figuur (PageIndex<2>)).

Figuur (PageIndex<2>): Spontaan gevormde polaire lipidestructuren in water: monolaag, micel en dubbellaag

Micellen zijn aggregaties waarin de lipiden & rsquo koolwaterstofstaarten & die hydrofoob zijn & die naar het midden van de assemblage zijn gericht en weg van het omringende water, terwijl de hydrofiele koppen naar buiten zijn gericht, in contact met het water. Elke micel kan duizenden lipidemoleculen bevatten. Polaire lipiden kunnen ook een monolaag vormen, een laag van één molecuul dik op het wateroppervlak. De polaire koppen staan ​​in het water en de niet-polaire staarten steken de lucht in. Dubbellagen zijn dubbele lagen lipiden die zo zijn gerangschikt dat de hydrofobe staarten zijn ingeklemd tussen een binnenoppervlak en een buitenoppervlak dat bestaat uit hydrofiele koppen. De hydrofiele koppen staan ​​aan weerszijden van de dubbellaag in contact met water, terwijl de staarten, die zich in de dubbellaag bevinden, niet in contact kunnen komen met het water. Dergelijke dubbellagen vormen elk celmembraan (Figuur (PageIndex<3>)).

Figuur (PageIndex<3>): Schematisch diagram van een celmembraan. Het membraan dat een typische dierlijke cel omsluit, is een fosfolipide dubbellaag met ingebedde cholesterol- en eiwitmoleculen. Aan het buitenoppervlak zijn korte oligosacharideketens bevestigd.

In het inwendige van de dubbellaag werken de hydrofobe staarten (dat wil zeggen de vetzuurgedeelten van lipidemoleculen) op elkaar in door middel van dispersiekrachten. De interacties worden verzwakt door de aanwezigheid van onverzadigde vetzuren. Als resultaat zijn de membraancomponenten tot op zekere hoogte vrij om rond te frezen en wordt het membraan beschreven als vloeibaar.

De lipiden die in celmembranen worden aangetroffen, kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld. Fosfolipiden zijn lipiden die fosfor bevatten. Glycolipiden zijn suikerhoudende lipiden. Deze laatste bevinden zich uitsluitend op het buitenoppervlak van het celmembraan, fungeren als onderscheidende oppervlaktemarkers voor de cel en dienen dus voor cellulaire herkenning en cel-tot-cel communicatie. Sfingolipiden zijn fosfolipiden of glycolipiden die de onverzadigde aminoalcohol sfingosine bevatten in plaats van glycerol. Schematische structuren van representatieve membraanlipiden worden weergegeven in figuur (PageIndex<4>).

Afbeelding (PageIndex<4>): Componentstructuren van enkele belangrijke membraanlipiden

Fosfoglyceriden (ook bekend als glycerofosfolipiden) zijn de meest voorkomende fosfolipiden in celmembranen. Ze bestaan ​​uit een glyceroleenheid met vetzuren bevestigd aan de eerste twee koolstofatomen, terwijl een fosforzuureenheid, veresterd met een alcoholmolecuul (meestal een aminoalcohol, zoals in deel (a) van figuur (PageIndex<5> )) is gehecht aan het derde koolstofatoom van glycerol (deel (b) van figuur (PageIndex<5>)). Merk op dat het fosfoglyceridemolecuul identiek is aan een triglyceride tot aan de fosforzuureenheid (deel (b) van figuur (PageIndex<5>)).

Afbeelding (PageIndex<5>): Fosfoglyceriden. (a) Aminoalcoholen worden vaak aangetroffen in fosfoglyceriden, die duidelijk zijn in de structuurformule (b).

Er zijn twee veel voorkomende soorten fosfoglyceriden. Fosfoglyceriden die ethanolamine bevatten, zoals de aminoalcohol wordt genoemd, fosfatidylethanolamines of cephalins. Cefalinen worden aangetroffen in hersenweefsel en zenuwen en spelen ook een rol bij de bloedstolling. Fosfoglyceriden die choline bevatten als de aminoalcoholeenheid worden genoemd: fosfatidylcholines of lecithinen. Lecithinen komen voor in alle levende organismen. Net als cefalinen zijn ze belangrijke bestanddelen van zenuw- en hersenweefsel. Eigeel is bijzonder rijk aan lecithinen. Commerciële lecithinen geïsoleerd uit sojabonen worden veel gebruikt in voedingsmiddelen als emulgatoren. Een emulgator wordt gebruikt om een ​​emulsie & mdasha-dispersie van twee vloeistoffen te stabiliseren die normaal niet mengen, zoals olie en water. Veel voedingsmiddelen zijn emulsies. Melk is een emulsie van botervet in water. De emulgator in melk is een eiwit genaamd caseïne. Mayonaise is een emulsie van slaolie in water, gestabiliseerd door lecithinen in eigeel.

Sfingomyelines, de eenvoudigste sfingolipiden, bevatten elk een vetzuur, een fosforzuur, sfingosine en choline (Figuur (PageIndex<6>)). Omdat ze fosforzuur bevatten, worden ze ook geclassificeerd als fosfolipiden. Sfingomyelines zijn belangrijke bestanddelen van de myelineschede die het axon van een zenuwcel omgeeft. Multiple sclerose is een van de vele ziekten die het gevolg zijn van schade aan de myelineschede.

Figuur (PageIndex<6>): Sfingolipiden. (a) Sphingosine, een aminoalcohol, wordt in alle sfingolipiden aangetroffen. (b) Een sfingomyeline is ook bekend als een fosfolipide, zoals blijkt uit de fosforzuureenheid in zijn structuur.

De meeste dierlijke cellen bevatten sfingolipiden die cerebrosiden worden genoemd (Figuur (PageIndex<7>)). Cerebrosiden zijn samengesteld uit sfingosine, een vetzuur en galactose of glucose. Ze lijken daarom op sfingomyelinen, maar hebben een suikereenheid in plaats van de cholinefosfaatgroep. Cerebrosiden zijn belangrijke bestanddelen van de membranen van zenuw- en hersencellen.

Afbeelding (PageIndex<7>): Cerebrosiden. Cerebrosiden zijn sfingolipiden die een suikereenheid bevatten.

De sfingolipiden die gangliosiden worden genoemd, zijn complexer en bevatten meestal een vertakte keten van drie tot acht monosachariden en/of gesubstitueerde suikers. Vanwege de aanzienlijke variatie in hun suikercomponenten zijn er ongeveer 130 soorten gangliosiden geïdentificeerd. De meeste cel-naar-cel herkennings- en communicatieprocessen (bijvoorbeeld bloedgroepantigenen) zijn afhankelijk van verschillen in de sequenties van suikers in deze verbindingen. Gangliosiden komen het meest voor in de buitenste membranen van zenuwcellen, hoewel ze ook in kleinere hoeveelheden voorkomen in de buitenste membranen van de meeste andere cellen. Omdat cerebrosiden en gangliosiden suikergroepen bevatten, worden ze ook geclassificeerd als glycolipiden.


3.3 Lipiden

In deze sectie onderzoek je de volgende vragen:

  • Wat zijn de vier belangrijkste soorten lipiden?
  • Wat zijn functies van vetten in levende organismen?
  • Wat is het verschil tussen verzadigde en onverzadigde vetzuren?
  • Wat is de moleculaire structuur van fosfolipiden en wat is de rol van fosfolipiden in cellen?
  • Wat is de basisstructuur van een steroïde en wat zijn voorbeelden van hun functies?
  • Hoe helpt cholesterol de vloeibare aard van het plasmamembraan van cellen te behouden?

Aansluiting voor AP ® Cursussen

Lipiden zijn ook energiebronnen die cellulaire processen aandrijven. Net als koolhydraten zijn lipiden samengesteld uit koolstof, waterstof en zuurstof, maar deze atomen zijn anders gerangschikt. De meeste lipiden zijn niet-polair en hydrofoob. De belangrijkste soorten zijn vetten en oliën, wassen, fosfolipiden en steroïden. Een typisch vet bestaat uit drie vetzuren gebonden aan één glycerolmolecuul, waardoor triglyceriden of triacylglycerolen worden gevormd. De vetzuren kunnen verzadigd of onverzadigd zijn, afhankelijk van de aanwezigheid of afwezigheid van dubbele bindingen in de koolwaterstofketen heeft een verzadigd vetzuur het maximale aantal waterstofatomen gebonden aan koolstof en dus alleen enkele bindingen. Over het algemeen zijn vetten die bij kamertemperatuur vloeibaar zijn (bijv. koolzaadolie) doorgaans meer onverzadigd dan vetten die bij kamertemperatuur vast zijn. In de voedingsindustrie worden oliën kunstmatig gehydrogeneerd om ze chemisch geschikter te maken voor gebruik in bewerkte voedingsmiddelen. Tijdens dit hydrogeneringsproces kunnen dubbele bindingen in de cis-conformatie in de koolwaterstofketen worden omgezet in dubbele bindingen in de transconformatie. Helaas is aangetoond dat transvetten bijdragen aan hartaandoeningen. Fosfolipiden zijn een speciaal type lipide geassocieerd met celmembranen en hebben typisch een glycerol (of sfingosine) ruggengraat waaraan twee vetzuurketens en een fosfaatbevattende groep zijn bevestigd. Dientengevolge worden fosfolipiden als amfipathisch beschouwd omdat ze zowel hydrofobe als hydrofiele componenten hebben. (In Hoofdstukken 4 en 5 zullen we in meer detail onderzoeken hoe de amfipathische aard van fosfolipiden in plasmacelmembranen helpt bij het reguleren van de doorgang van stoffen in en uit de cel.) Hoewel de moleculaire structuren van steroïden verschillen van die van triglyceriden en fosfolipiden, steroïden worden geclassificeerd als lipiden op basis van hun hydrofobe eigenschappen. Cholesterol is een type steroïde in het plasmamembraan van dierlijke cellen. Cholesterol is ook de voorloper van steroïde hormonen zoals testosteron.

De gepresenteerde informatie en de voorbeelden die in de sectie worden benadrukt, ondersteunen concepten die zijn uiteengezet in Big Idea 4 van het AP ® Biology Curriculum Framework. De leerdoelen die in het Curriculum Framework worden vermeld, bieden een transparante basis voor de AP ® Biologie-cursus, een onderzoekende laboratoriumervaring, educatieve activiteiten en AP ® -examenvragen. Een leerdoel voegt vereiste inhoud samen met een of meer van de zeven wetenschapspraktijken.

Groot idee 4 Biologische systemen interageren, en deze systemen en hun interacties bezitten complexe eigenschappen.
Blijvend begrip 4.A Interacties binnen biologische systemen leiden tot complexe eigenschappen.
Essentiële kennis 4.A.1 De subcomponenten van biologische moleculen en hun volgorde bepalen de eigenschappen van dat molecuul.
Wetenschapspraktijk 7.1 De student kan fenomenen en modellen verbinden over ruimtelijke en temporele schalen heen.
Leerdoel 4.1 De student kan het verband tussen de sequentie en de subcomponenten van een biologisch polymeer en zijn eigenschappen uitleggen.
Essentiële kennis 4.A.1 De subcomponenten van biologische moleculen en hun volgorde bepalen de eigenschappen van dat molecuul.
Wetenschapspraktijk 1.3 De student kan representaties en modellen van natuurlijke of kunstmatige fenomenen en systemen in het domein verfijnen.
Leerdoel 4.2 De student kan representaties en modellen verfijnen om uit te leggen hoe de subcomponenten van een biologisch polymeer en hun volgorde de eigenschappen van dat polymeer bepalen.
Essentiële kennis 4.A.1 De subcomponenten van biologische moleculen en hun volgorde bepalen de eigenschappen van dat molecuul.
Wetenschapspraktijk 6.1 De student kan beweringen onderbouwen met bewijs.
Wetenschapspraktijk 6.4 De student kan beweringen en voorspellingen doen over natuurlijke fenomenen op basis van wetenschappelijke theorieën en modellen.
Leerdoel 4.3 De student kan modellen gebruiken om te voorspellen en te verantwoorden dat veranderingen in de subcomponenten van een biologisch polymeer de functionaliteit van de moleculen beïnvloeden.

Ondersteuning voor docenten

Een belangrijke misvatting die studenten moeten overwinnen, is dat lipiden niet slecht zijn voor het lichaam. Ze zijn absoluut essentieel voor de functies van het lichaam, ook voor groei en overleving.

Een ander concept om te bespreken is de onoplosbaarheid van lipiden in water. Het is duidelijk in saladedressing, maar waarom komt het voor? Als andere functionele groepen aan lipiden zijn gehecht, kunnen ze enige ladingen bevatten en een mate van oplosbaarheid aan het lipide geven, maar de meeste lipiden hebben geen lading op het oppervlak van de moleculen en zijn niet oplosbaar in water, daarom zijn lipiden meestal beschreven als hydrofoob.

Onoplosbare lipiden moeten aan eiwitten in het lichaam worden gehecht om oplosbaar te worden in lichaamsvloeistoffen. Laat de klas de eiwitten onderzoeken die lipiden transporteren en vervoeren. Identificeer hun bijdragen aan gezondheid of ziekte.

De Science Practice Challenge-vragen bevatten aanvullende testvragen voor dit gedeelte die u zullen helpen bij de voorbereiding op het AP-examen. Deze vragen hebben betrekking op de volgende normen:
[APLO 2.9] [APLO 2.10] [APLO 2.12] [APLO 2.13][APLO 2.14][APLO 4.14]

Vetten en oliën

Lipiden omvatten een diverse groep verbindingen die grotendeels niet-polair van aard zijn. Dit komt omdat het koolwaterstoffen zijn die voornamelijk niet-polaire koolstof-koolstof- of koolstof-waterstofbindingen bevatten. Niet-polaire moleculen zijn hydrofoob (“watervrezend”), of onoplosbaar in water. Lipiden vervullen veel verschillende functies in een cel. Cellen slaan energie op voor langdurig gebruik in de vorm van vetten. Lipiden zorgen ook voor isolatie van de omgeving voor planten en dieren (Figuur 3.13). Hun waterafstotende hydrofobe aard kan bijvoorbeeld helpen watervogels en zoogdieren droog te houden door een beschermende laag over vacht of veren te vormen. Lipiden zijn ook de bouwstenen van veel hormonen en een belangrijk bestanddeel van alle celmembranen. Lipiden omvatten vetten, wassen, fosfolipiden en steroïden.

Ondersteuning voor docenten

Het verschil tussen een vet en een olie is de toestand van de verbinding bij kamertemperatuur (68°F). Een vet is een vast of halfvast materiaal en een olie is een vloeistof bij deze temperatuur. Zowel vetten als oliën bestaan ​​uit glycerol en twee of drie vetzuurketens die aan de koolstofatomen zijn bevestigd door middel van dehydratatiesynthese. Een vetzuur is een keten van koolstofatomen waaraan waterstofatomen zijn bevestigd op de open bindingsplaatsen. Als de keten volledig verzadigd is met waterstofatomen, wordt dit een verzadigd vet genoemd. Dit heeft de neiging om de verbinding een relatief stijve configuratie te geven en helpt het een vaste stof te zijn. Als een van de waterstofatomen ontbreekt, wordt dit een onverzadigd vet of olie genoemd. De afwezigheid van waterstofatomen langs de keten zorgt ervoor dat er dubbele bindingen ontstaan ​​tussen aangrenzende koolstofatomen, wat resulteert in een knik in de keten. Dit zorgt ervoor dat de moleculen andere moleculen in de buurt wegduwen, waardoor de pakking van vetzuurketens wordt voorkomen en er een vloeistof ontstaat bij kamertemperatuur. Vetten bevatten doorgaans een hoge concentratie verzadigde vetzuren en oliën bevatten doorgaans meer onverzadigde vetzuurketens. Beide soorten hebben een effect op de gezondheid. Een hoog gehalte aan verzadigde vetten is beduidend minder gezond dan een hoger gehalte aan onverzadigde vetten. Een uitzondering transvet, een onverzadigd vet dat voorkomt in bewerkte voedingsmiddelen. Transvetten gedragen zich als een verzadigd lipide.

Verdeel de klas in drie secties: sectie 1: zuivelafdeling sectie 2: saladedressings en sectie 3: chips. Elke sectie gaat naar de supermarkt en identificeert welke vetten of oliën in vijf items in hun categorie zitten. Vervolgens maakt elke sectie een overzicht van hun bevindingen en deelt deze met de klas.

Een vetmolecuul bestaat uit twee hoofdcomponenten: glycerol en vetzuren. Glycerol is een organische verbinding (alcohol) met drie koolstofatomen, vijf waterstofatomen en drie hydroxylgroepen (OH). Vetzuren hebben een lange keten van koolwaterstoffen waaraan een carboxylgroep is bevestigd, vandaar de naam "vetzuur". Het aantal koolstoffen in het vetzuur kan variëren van 4 tot 36, de meest voorkomende zijn die met 12-18 koolstoffen. In een vetmolecuul zijn de vetzuren via een zuurstofatoom met een esterbinding aan elk van de drie koolstofatomen van het glycerolmolecuul gebonden (Figuur 3.14).

Tijdens deze vorming van esterbindingen komen drie watermoleculen vrij. De drie vetzuren in de triacylglycerol kunnen vergelijkbaar of verschillend zijn. Vetten worden vanwege hun chemische structuur ook wel triacylglycerolen of triglyceriden genoemd. Sommige vetzuren hebben gemeenschappelijke namen die hun oorsprong specificeren. Zo is palmitinezuur, een verzadigd vetzuur, afgeleid van de palmboom. Arachidinezuur is afgeleid van: Arachis hypogea, de wetenschappelijke naam voor aardnoten of pinda's.

Vetzuren kunnen verzadigd of onverzadigd zijn. Als er in een vetzuurketen slechts enkele bindingen zijn tussen naburige koolstofatomen in de koolwaterstofketen, wordt gezegd dat het vetzuur verzadigd is. Verzadigde vetzuren zijn verzadigd met waterstof, met andere woorden, het aantal waterstofatomen dat aan het koolstofskelet gebonden is, wordt gemaximaliseerd. Stearinezuur is een voorbeeld van een verzadigd vetzuur (Figuur 3.15)

Wanneer de koolwaterstofketen een dubbele binding bevat, wordt het vetzuur onverzadigd genoemd. Oliezuur is een voorbeeld van een onverzadigd vetzuur (Figuur 3.16).

De meeste onverzadigde vetten zijn vloeibaar bij kamertemperatuur en worden oliën genoemd. Als er één dubbele binding in het molecuul is, staat het bekend als een enkelvoudig onverzadigd vet (bijvoorbeeld olijfolie), en als er meer dan één dubbele binding is, staat het bekend als een meervoudig onverzadigd vet (bijvoorbeeld koolzaadolie).

Wanneer een vetzuur geen dubbele bindingen heeft, staat het bekend als een verzadigd vetzuur omdat er geen waterstof meer aan de koolstofatomen van de keten mag worden toegevoegd. Een vet kan soortgelijke of verschillende vetzuren bevatten die aan glycerol zijn gehecht. Lange rechte vetzuren met enkelvoudige bindingen hebben de neiging om stevig opeengepakt te worden en zijn vast bij kamertemperatuur. Dierlijke vetten met stearinezuur en palmitinezuur (gebruikelijk in vlees) en het vet met boterzuur (gebruikelijk in boter) zijn voorbeelden van verzadigde vetten. Zoogdieren slaan vetten op in gespecialiseerde cellen, adipocyten genaamd, waar bolletjes vet het grootste deel van het celvolume innemen. In planten wordt vet of olie in veel zaden opgeslagen en wordt het gebruikt als energiebron tijdens de ontwikkeling van zaailingen. Onverzadigde vetten of oliën zijn meestal van plantaardige oorsprong en bevatten cis onverzadigde vetzuren. cis en trans geven de configuratie van het molecuul rond de dubbele binding aan. Als waterstofatomen in hetzelfde vlak aanwezig zijn, wordt het een cis-vet genoemd als de waterstofatomen zich op twee verschillende vlakken bevinden, wordt het een transvet genoemd. De cis dubbele binding veroorzaakt een buiging of een "knik" die voorkomt dat de vetzuren zich stevig vastpakken, waardoor ze bij kamertemperatuur vloeibaar blijven (Figuur 3.17). Olijfolie, maïsolie, koolzaadolie en levertraan zijn voorbeelden van onverzadigde vetten. Onverzadigde vetten helpen het cholesterolgehalte in het bloed te verlagen, terwijl verzadigde vetten bijdragen aan de vorming van plaque in de slagaders.

Transvetten

In de voedingsindustrie worden oliën kunstmatig gehydrogeneerd om ze halfvast te maken en van een consistentie die wenselijk is voor veel bewerkte voedingsproducten. Simpel gezegd, waterstofgas wordt door oliën geborreld om ze te laten stollen. Tijdens dit hydrogeneringsproces worden dubbele bindingen van de cis- conformatie in de koolwaterstofketen kan worden omgezet in dubbele bindingen in de transformatie.

Margarine, sommige soorten pindakaas en bakvet zijn voorbeelden van kunstmatig gehydrogeneerde transvetten. Recente onderzoeken hebben aangetoond dat een toename van transvetten in de menselijke voeding kan leiden tot een toename van de niveaus van lipoproteïnen met lage dichtheid (LDL), of "slechte" cholesterol, wat op zijn beurt kan leiden tot plaque-afzetting in de slagaders, wat resulteert in hartziekte. Veel fastfoodrestaurants hebben onlangs het gebruik van transvetten verboden en voedseletiketten zijn verplicht om het transvetgehalte weer te geven.

Omega vetzuren

Essentiële vetzuren zijn vetzuren die nodig zijn, maar niet worden gesynthetiseerd door het menselijk lichaam. Daarom moeten ze worden aangevuld via opname via de voeding. Omega-3-vetzuren (zoals weergegeven in figuur 3.18) vallen in deze categorie en zijn een van de slechts twee die bij mensen bekend zijn (de andere is omega-6-vetzuur). Dit zijn meervoudig onverzadigde vetzuren en worden omega-3 genoemd omdat de derde koolstof aan het einde van de koolwaterstofketen door een dubbele binding is verbonden met de aangrenzende koolstof.

De koolstof die het verst verwijderd is van de carboxylgroep wordt genummerd als de omega (ω) koolstof, en als de dubbele binding tussen het derde en vierde koolstof vanaf dat uiteinde zit, staat het bekend als een omega-3-vetzuur. Voedingswaarde belangrijk omdat het lichaam ze niet maakt, omvatten omega-3-vetzuren alfa-linolzuur (ALA), eicosapentaeenzuur (EPA) en docosahexaeenzuur (DHA), die allemaal meervoudig onverzadigd zijn. Zalm, forel en tonijn zijn goede bronnen van omega-3-vetzuren. Onderzoek wijst uit dat omega-3-vetzuren het risico op plotselinge dood door hartaanvallen verminderen, triglyceriden in het bloed verlagen, de bloeddruk verlagen en trombose voorkomen door de bloedstolling te remmen. Ze verminderen ook ontstekingen en kunnen het risico op bepaalde vormen van kanker bij dieren helpen verminderen.

Net als koolhydraten hebben vetten veel slechte publiciteit gekregen. Het is waar dat het eten van een teveel aan gefrituurd voedsel en ander "vet" voedsel leidt tot gewichtstoename. Vetten hebben echter wel belangrijke functies. Veel vitamines zijn vetoplosbaar en vetten dienen als langdurige opslagvorm van vetzuren: een bron van energie. Ze bieden ook isolatie voor het lichaam. Daarom moeten regelmatig "gezonde" vetten in matige hoeveelheden worden geconsumeerd.

Ondersteuning voor docenten

Deze vraag is een toepassing Leerdoel 4.3 en Wetenschapspraktijken 6.1 en 6.4 omdat leerlingen voorspellen hoe een verandering in de subcomponenten van een molecuul de eigenschappen van het molecuul kan beïnvloeden.

Een fosfolipide is gemaakt van een fosfaatgroep gebonden aan een glycerol die is gekoppeld aan twee vetzuurketens. Een van de vetzuurketens is verzadigd en de andere onverzadigd. De verzadigde is recht, terwijl de onverzadigde keten een bocht bevat. Fosfolipiden vormen lipidedubbellagen, het hoofdbestanddeel van de meeste plasmamembranen en geven het een vloeistofachtige eigenschap, een resultaat van de vetzuurstaarten die ruimte creëren tussen fosfolipidemoleculen.

Het concept van een gebogen vetzuurstaart die bijdraagt ​​aan de vloeibaarheid van een celmembraan kan moeilijk te visualiseren zijn. Koop wat ouderwetse, houten wasknijpers. De knop bovenaan wordt een fosfaatmolecuul. De twee uitsteeksels van de pinnen worden vetzuren. Beide tanden zijn stijf, dus het zijn verzadigde vetzuren. Er zijn geen onverzadigde vetzuren in deze demonstratie. Houd een aantal spelden stevig in je hand en vraag een leerling om een ​​speld in het midden te verwijderen. Ze zouden dat niet moeten kunnen, omdat je de uitsteeksels van alle pinnen tegen elkaar drukt. This would be in a cell membrane without any unsaturated fatty acids pushing adjacent chains away, creating spaces that allow the membrane to behave like a fluid.


3.3 Lipids

Lipids include a diverse group of compounds that are largely nonpolar in nature. This is because they are hydrocarbons that include mostly nonpolar carbon–carbon or carbon–hydrogen bonds. Non-polar molecules are hydrophobic (“water fearing”), or insoluble in water. Lipids perform many different functions in a cell. Cells store energy for long-term use in the form of fats. Lipids also provide insulation from the environment for plants and animals (Figure 3.12). For example, they help keep aquatic birds and mammals dry when forming a protective layer over fur or feathers because of their water-repellant hydrophobic nature. Lipids are also the building blocks of many hormones and are an important constituent of all cellular membranes. Lipids include fats, oils, waxes, phospholipids, and steroids.

Fats and Oils

A fat molecule consists of two main components—glycerol and fatty acids. Glycerol is an organic compound (alcohol) with three carbons, five hydrogens, and three hydroxyl (OH) groups. Fatty acids have a long chain of hydrocarbons to which a carboxyl group is attached, hence the name “fatty acid.” The number of carbons in the fatty acid may range from 4 to 36 most common are those containing 12–18 carbons. In a fat molecule, the fatty acids are attached to each of the three carbons of the glycerol molecule with an ester bond through an oxygen atom (Figure 3.13).

During this ester bond formation, three water molecules are released. The three fatty acids in the triacylglycerol may be similar or dissimilar. Fats are also called triacylglycerols or triglycerides because of their chemical structure. Some fatty acids have common names that specify their origin. For example, palmitic acid, a saturated fatty acid , is derived from the palm tree. Arachidic acid is derived from Arachis hypogea, the scientific name for groundnuts or peanuts.

Fatty acids may be saturated or unsaturated. In a fatty acid chain, if there are only single bonds between neighboring carbons in the hydrocarbon chain, the fatty acid is said to be saturated. Saturated fatty acids are saturated with hydrogen in other words, the number of hydrogen atoms attached to the carbon skeleton is maximized. Stearic acid is an example of a saturated fatty acid (Figure 3.14)

When the hydrocarbon chain contains a double bond, the fatty acid is said to be unsaturated . Oleic acid is an example of an unsaturated fatty acid (Figure 3.15).

Most unsaturated fats are liquid at room temperature and are called oils. If there is one double bond in the molecule, then it is known as a monounsaturated fat (e.g., olive oil), and if there is more than one double bond, then it is known as a polyunsaturated fat (e.g., canola oil).

When a fatty acid has no double bonds, it is known as a saturated fatty acid because no more hydrogen may be added to the carbon atoms of the chain. A fat may contain similar or different fatty acids attached to glycerol. Long straight fatty acids with single bonds tend to get packed tightly and are solid at room temperature. Animal fats with stearic acid and palmitic acid (common in meat) and the fat with butyric acid (common in butter) are examples of saturated fats. Mammals store fats in specialized cells called adipocytes, where globules of fat occupy most of the cell’s volume. In plants, fat or oil is stored in many seeds and is used as a source of energy during seedling development. Unsaturated fats or oils are usually of plant origin and contain cis unsaturated fatty acids. Cis en trans indicate the configuration of the molecule around the double bond. If hydrogens are present in the same plane, it is referred to as a cis fat if the hydrogen atoms are on two different planes, it is referred to as a trans fat . De cis double bond causes a bend or a “kink” that prevents the fatty acids from packing tightly, keeping them liquid at room temperature (Figure 3.16). Olive oil, corn oil, canola oil, and cod liver oil are examples of unsaturated fats. Unsaturated fats help to lower blood cholesterol levels whereas saturated fats contribute to plaque formation in the arteries.

Trans Fats

In the food industry, oils are artificially hydrogenated to make them semi-solid and of a consistency desirable for many processed food products. Simply speaking, hydrogen gas is bubbled through oils to solidify them. During this hydrogenation process, double bonds of the cis- conformation in the hydrocarbon chain may be converted to double bonds in the trans- conformation.

Margarine, some types of peanut butter, and shortening are examples of artificially hydrogenated trans fats. Recent studies have shown that an increase in trans fats in the human diet may lead to an increase in levels of low-density lipoproteins (LDL), or “bad” cholesterol, which in turn may lead to plaque deposition in the arteries, resulting in heart disease. Many fast food restaurants have recently banned the use of trans fats, and food labels are required to display the trans fat content.

Omega Fatty Acids

Essential fatty acids are fatty acids required but not synthesized by the human body. Consequently, they have to be supplemented through ingestion via the diet. Omega -3 fatty acids (like that shown in Figure 3.17) fall into this category and are one of only two known for humans (the other being omega-6 fatty acid). These are polyunsaturated fatty acids and are called omega-3 because the third carbon from the end of the hydrocarbon chain is connected to its neighboring carbon by a double bond.

The farthest carbon away from the carboxyl group is numbered as the omega (ω) carbon, and if the double bond is between the third and fourth carbon from that end, it is known as an omega-3 fatty acid. Nutritionally important because the body does not make them, omega-3 fatty acids include alpha-linoleic acid (ALA), eicosapentaenoic acid (EPA), and docosahexaenoic acid (DHA), all of which are polyunsaturated. Salmon, trout, and tuna are good sources of omega-3 fatty acids. Research indicates that omega-3 fatty acids reduce the risk of sudden death from heart attacks, reduce triglycerides in the blood, lower blood pressure, and prevent thrombosis by inhibiting blood clotting. They also reduce inflammation, and may help reduce the risk of some cancers in animals.

Like carbohydrates, fats have received a lot of bad publicity. It is true that eating an excess of fried foods and other “fatty” foods leads to weight gain. However, fats do have important functions. Many vitamins are fat soluble, and fats serve as a long-term storage form of fatty acids: a source of energy. They also provide insulation for the body. Therefore, “healthy” fats in moderate amounts should be consumed on a regular basis.

Waxes

Wax covers the feathers of some aquatic birds and the leaf surfaces of some plants. Because of the hydrophobic nature of waxes, they prevent water from sticking on the surface (Figure 3.18). Waxes are made up of long fatty acid chains esterified to long-chain alcohols.

Fosfolipiden

Phospholipids are major constituents of the plasma membrane, the outermost layer of animal cells. Like fats, they are composed of fatty acid chains attached to a glycerol or sphingosine backbone. Instead of three fatty acids attached as in triglycerides, however, there are two fatty acids forming diacylglycerol, and the third carbon of the glycerol backbone is occupied by a modified phosphate group (Figure 3.19). A phosphate group alone attached to a diaglycerol does not qualify as a phospholipid it is phosphatidate (diacylglycerol 3-phosphate), the precursor of phospholipids. The phosphate group is modified by an alcohol. Phosphatidylcholine and phosphatidylserine are two important phospholipids that are found in plasma membranes.

A phospholipid is an amphipathic molecule, meaning it has a hydrophobic and a hydrophilic part. The fatty acid chains are hydrophobic and cannot interact with water, whereas the phosphate-containing group is hydrophilic and interacts with water (Figure 3.20).

The head is the hydrophilic part, and the tail contains the hydrophobic fatty acids. In a membrane, a bilayer of phospholipids forms the matrix of the structure, the fatty acid tails of phospholipids face inside, away from water, whereas the phosphate group faces the outside, aqueous side (Figure 3.20).

Fosfolipiden zijn verantwoordelijk voor de dynamische aard van het plasmamembraan. If a drop of phospholipids is placed in water, it spontaneously forms a structure known as a micelle, where the hydrophilic phosphate heads face the outside and the fatty acids face the interior of this structure.

Steroïden

Unlike the phospholipids and fats discussed earlier, steroids have a fused ring structure. Although they do not resemble the other lipids, they are grouped with them because they are also hydrophobic and insoluble in water. All steroids have four linked carbon rings and several of them, like cholesterol, have a short tail (Figure 3.21). Many steroids also have the –OH functional group, which puts them in the alcohol classification (sterols).

Cholesterol is the most common steroid. Cholesterol is mainly synthesized in the liver and is the precursor to many steroid hormones such as testosterone and estradiol, which are secreted by the gonads and endocrine glands. It is also the precursor to Vitamin D. Cholesterol is also the precursor of bile salts, which help in the emulsification of fats and their subsequent absorption by cells. Hoewel er door leken vaak negatief over cholesterol wordt gesproken, is het noodzakelijk voor het goed functioneren van het lichaam. Het is een bestanddeel van het plasmamembraan van dierlijke cellen en wordt aangetroffen in de fosfolipide dubbellaag. Omdat het de buitenste structuur in dierlijke cellen is, is het plasmamembraan verantwoordelijk voor het transport van materialen en cellulaire herkenning en is het betrokken bij cel-naar-cel communicatie.

Link naar leren

For an additional perspective on lipids, explore the interactive animation “Biomolecules: The Lipids”


In 1988, Lewis C. Cantley published a paper describing the discovery of a novel type of phosphoinositide kinase with the unprecedented ability to phosphorylate the 3' position of the inositol ring resulting in the formation of phosphatidylinositol-3-phosphate (PI3P). [1] Working independently, Alexis Traynor-Kaplan and coworkers published a paper demonstrating that a novel lipid, phosphatidylinositol 3,4,5 trisphosphate (PIP3) occurs naturally in human neutrophils with levels that increased rapidly following physiologic stimulation with chemotactic peptide. [2] Subsequent studies demonstrated that in vivo the enzyme originally identified by Cantley's group prefers PtdIns(4,5)P2 as a substrate, producing the product PIP3. [3]

PIP3 functions to activate downstream signaling components, the most notable one being the protein kinase AKT, which activates downstream anabolic signaling pathways required for cell growth and survival. [4]

PtdIns(3,4,5)P3 is dephosphorylated by the phosphatase PTEN on the 3 position, generating PI(4,5)P2, and by SHIPs (SH2-containing inositol phosphatase) on the 5' position of the inositol ring, producing PI(3,4)P2. [5]

The PH domain in a number of proteins binds to PtdIns(3,4,5)P3. Such proteins include Akt/PKB, [6] PDK1, [7] Btk1, and ARNO. [8]

PIP3 continues to play a critical role outside of the cytosol, notably at the postsynaptic terminal of hippocampal cells. Here, PIP3 has been implicated in regulating synaptic strengthening and AMPA expression, contributing to long-term potentiation. Moreover, PIP3 suppression disrupts normal AMPA expression on the neuron membrane and instead leads to the accumulation of AMPA on dendritic spines, commonly associated with synaptic depression. [9]

Although clearly an important molecule alone, it is notable that PIP3 interacts with other proteins to mediate synaptic plasticity. Of these proteins, Phldb2 has been shown to interact with PIP3 to induce and maintain LTP. In the absence of such an interaction, memory consolidation is impaired. [10]


Phosphatidylinositol 3,4-bisphosphate

Phosphatidylinositol (3,4)-bisphosphate (PtdIns(3,4)P2) is a minor phospholipid component of cell membranes, yet an important second messenger. The generation of PtdIns(3,4)P2 at the plasma membrane activates a number of important cell signaling pathways. [1]

Of all the phospholipids found within the membrane, inositol phospholipids make up less than 10%. [2] Phosphoinositide’s (PI’s) also known as phosphatidylinositol phosphates, are synthesized in the cells endoplasmic reticulum by the protein phosphatidylinositol synthase (PIS). [3] [4] [5] PI’s are highly compartmentalized, their main components include a glycerol backbone, two fatty acid chains enriched with stearic acid and arachidonic acid, and an inositol ring whose phosphate groups regulation differs between organelles depending on the specific PI and PIP kinases and PIP phosphatases present in the organelle (Image 1). [6] [7] [8] These kinases and phosphatases conduct phosphorylation and dephosphorylation at the inositol sugar head groups 3’, 4’, and 5’ positions, producing differing phosphoinositides, including PtdIns(3,4)P2 (Image 2). [9] [1] PI kinases catalyze phosphate groups binding while PI phosphatases remove phosphate groups at the three positions on the PI inositol ring, giving seven different combinations of PI’s. [10] [11]

PtdIns(3,4)P2 is dephophosphorylated by the phosphatase INPP4B on the 4 position of the inositol ring and by the TPTE (transmembrane phosphatases with tensin homology) family of phosphatases on the 3 position of the inositol ring.

The PH domain in a number of proteins binds to PtdIns(3,4)P2 including the PH domain in PKB. The generation of PtdIns(3,4)P2 at the plasma membrane upon the activation of class I PI 3-kinases and SHIP phosphatases causes these proteins to translocate to the plasma membrane, thereby affecting their activity.

Class I and II phosphoinositide 3-kinases (PI3Ks) synthesize PtdIns(3,4)P2 by phosphorylating the phosphoinositide PI4P’s 3-OH position. [12] [13] Phosphatases SHIP1 and SH2-containing inositol 5’-polyphosphatases (SHIP2) produce PtdIns(3,4)P2 through desphosphorylation of PtdIns(3,4,5)P3’s 5’ inositol ring position. [14] [15] In addition to these positive regulators at the plasma membrane (PM), 3-phosphatase tensin homolog (PTEN) acts as a negative regulator of PtdIns(3,4)P2 production by depleting PtdIns(3,4,5)P3 levels at the PM through dephosphorylation of PtdIns(3,4,5)P3’s 3’ inositol ring position, giving rise to PtdIns(4,5)P2. [16] [17] Inositol polyphosphate 4-phosphatase isozymes, INPP4A and INPP4B, also act as negative PtdIns(3,4)P2 regulators, though through a more direct interaction- by hydrolyzing PtdIns(3,4)P2’s 4-phosphate, producing PI3P. [18] [19] [20] PtdIns(3,4)P2 has been indicated to be critical for AKT (Protein kinase B, PKB https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_kinase_B) activation within the PI3K pathway through the PI’s regulation by the SHIP1 and 2 phosphatases. Akt is recruited and subsequently activated through its PH domains interaction with PtdIns(3,4)P2 and PtdIns(3,4,5)P3 both of which have shown to have high affinity with the Akt PH domain. [21] Once bound to the PM through its interaction with PtdIns(3,4)P2 and PtdIns(3,4,5)P3, Akt is activated through release of its auto-inhibitory interaction between the PH and kinase domains. [22] Following this release, T308 in the proteins activation loop and S437 in the proteins hydrophobic domain are phosphorylated by Phosphoinositide-dependent kinase-1 (PDK1) [23] and mechanistic target of Rapamycin Complex 2 (mTORC2), [24] respectively. Test tube experiments have shown that the essential recruitment of PDK1 for Akt activation at the PM can be driven through interactions with both PtdIns(3,4)P2 and PtdIns(3,4,5)P3. [25]

It was originally presumed that 5-phosphatases dephosphorylation of PI(3,4,5)P3 would be anti-tumoral, similar to tumor suppressor PTEN. Yet the 5-phosphatase SHIP proteins synthesis of PI(3,4)P2 has been linked to tumor cell survival due to the lipid’s binding and subsequent activation of Akt. [26] Akt activation causes downstream metabolism alterations, apoptosis suppression and a rise in cell proliferation. [27] This pathway and its effects have shown up in 50% of cancers. [28] In conjunction, investigators have shown a rise in PI(3,4)P2 levels and mutation of 4-phosphatase INPP4B has shown mammary epithelial transformation. [29] Recently, PtdIns(3,4)P2 has been shown to play an important role in vesicle maturation during clathrin-mediated endocytosis (CME) (https://en.wikipedia.org/wiki/Receptor-mediated_endocytosis). [30] [31] PtdIns(4)P synthesizing phosphatases SHIP2 and synaptojanin are recruited to clathrin structures at the beginning of the CME process. [32] [33] This production of PtdIns(4)P subsequently leads to PtdIns(3,4)P2 synthesis through PI3K-C2α11, and the newly synthesized PtdIns(3,4)P2 then recruits SNX9 and SNX18 PX-BAR domain proteins which narrow the nascent vesicles neck to eventually be cut and released by dynamin, forming vesicles. [34] [35] PI(3,4)P2 plays another possible role at the PM, promoting cytoskeletal rearrangements through actin regulatory proteins like Lamellipodin. [36] [37] Lamellipodin is recruited to the PM where it is believed to interact with PI(3,4)P2 through its PH domain. Once at the PM, it can regulate lamellipodia actin networks and cell migration by interacting with actin-binding proteins like Ena/VASP. [38] [39] [40]

  1. ^ Dimitrios Karathanassis Robert V. Stahelin Jerónimo Bravo Olga Perisic Christine M Pacold Wonhwa Cho Roger L Williams (2002). "Binding of the PX domain of p47phox to phosphatidylinositol 3,4-bisphosphate and phosphatidic acid is masked by an intramolecular interaction". EMBO-dagboek. 21 (19): 5057–5068. doi:10.1093/emboj/cdf519. PMC129041 . PMID12356722.
  2. ^ Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walters, P. (2015). Molecular biology of the cell (Sixth ed.). New York, NY: Garland Science.
  3. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  4. ^ Agranoff BW, Bradley R M, Brady RO. The enzymatic synthesis of inositol phosphatide. J Biol Chem. (1958) 233:1077–83.
  5. ^ Epand RM. Recognition of polyunsaturated acyl chains by enzymes acting on membrane lipids. Biochim Biophys Acta. (2012) 1818:957–62. 10.1016/j.bbamem.2011.07.018
  6. ^ Agranoff BW, Bradley R M, Brady RO. The enzymatic synthesis of inositol phosphatide. J Biol Chem. (1958) 233:1077–83.
  7. ^ Epand RM. Recognition of polyunsaturated acyl chains by enzymes acting on membrane lipids. Biochim Biophys Acta. (2012) 1818:957–62. 10.1016/j.bbamem.2011.07.018
  8. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  9. ^ Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walters, P. (2015). Molecular biology of the cell (Sixth ed.). New York, NY: Garland Science.
  10. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  11. ^ Balla T. Phosphoinositides: tiny lipids with giant impact on cell regulation. Physiol Rev. (2013) 93:1019–137. 10.1152/physrev.00028.2012
  12. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  13. ^ Balla T. Phosphoinositides: tiny lipids with giant impact on cell regulation. Physiol Rev. (2013) 93:1019–137. 10.1152/physrev.00028.2012
  14. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  15. ^ Fernandes S, Iyer S, Kerr WG. Role of SHIP1 in cancer and mucosal inflammation. Ann NY Acad Sci. (2013) 1280:6–10. 10.1111/nyas.12038
  16. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  17. ^ Kerr WG. Inhibitor and activator: dual functions for SHIP in immunity and cancer. Ann NY Acad Sci. (2011) 1217:1–17. 10.1111/j.1749-6632.2010.05869.x
  18. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  19. ^ Norris FA, Atkins RC, Majerus PW. The cDNA cloning and characterization of inositol polyphosphate 4-phosphatase type II. evidence for conserved alternative splicing in the 4-phosphatase family. J Biol Chem. (1997) 272:23859–64. 10.1074/jbc.272.38.23859
  20. ^ Gewinner C, Wang ZC, Richardson A, Teruya-Feldstein J, Etemadmoghadam D, Bowtell D, et al. . Evidence that inositol polyphosphate 4-phosphatase type II is a tumor suppressor that inhibits PI3K signaling. Kanker cel. (2009) 16:115–25. 10.1016/j.ccr.2009.06.006
  21. ^ Frech M, Andjelkovic M, Ingley E, Reddy KK, Falck JR, Hemmings BA. High Affinity Binding of Inositol Phosphates and Phosphoinositides to the Pleckstrin Homology Domain of RAC/Protein Kinase B and Their Influence on Kinase Activity. The Journal of biological chemistry. 1997272(13):8474–8481.
  22. ^ Ebner M, Lučić I, Leonard TA, Yudushkin I. PI(3,4,5)P3 Engagement Restricts Akt Activity to Cellular Membranes. Mol cel. 201765(3):416-431.e6.
  23. ^ Alessi DR, James SR, Downes CP, Holmes AB, Gaffney P, Reese CB, et al. Characterization of a 3- phosphoinositide-dependent protein kinase which phosphorylates and activates protein kinase Bα. Huidige biologie. 19977(4).
  24. ^ Sarbassov DD, Guertin DA, Ali SM, Sabatini DM. Phosphorylation and Regulation of Akt/PKB by the Rictor-mTOR Complex. Wetenschap. 2005307(5712):1098–101.
  25. ^ Alessi DR, James SR, Downes CP, Holmes AB, Gaffney P, Reese CB, et al. Characterization of a 3- phosphoinositide-dependent protein kinase which phosphorylates and activates protein kinase Bα. Huidige biologie. 19977(4).
  26. ^ Ebner M, Lučić I, Leonard TA, Yudushkin I. PI(3,4,5)P3 Engagement Restricts Akt Activity to Cellular Membranes. Mol cel. 201765(3):416-431.e6.
  27. ^ Ebner M, Lučić I, Leonard TA, Yudushkin I. PI(3,4,5)P3 Engagement Restricts Akt Activity to Cellular Membranes. Mol cel. 201765(3):416-431.e6.
  28. ^ Ebner M, Lučić I, Leonard TA, Yudushkin I. PI(3,4,5)P3 Engagement Restricts Akt Activity to Cellular Membranes. Mol cel. 201765(3):416-431.e6.
  29. ^ Gewinner C, Wang ZC, Richardson A, Teruya-Feldstein J, Etemadmoghadam D, Bowtell D, et al. . Evidence that inositol polyphosphate 4-phosphatase type II is a tumor suppressor that inhibits PI3K signaling. Kanker cel. (2009) 16:115–25. 10.1016/j.ccr.2009.06.006
  30. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  31. ^ Posor Y, Eichhorn-Gruenig M, Puchkov D, Schoneberg J, Ullrich A, Lampe A, et al. . Spatiotemporal control of endocytosis by phosphatidylinositol-3,4-bisphosphate. Natuur. (2013) 499:233–7. 10.1038/nature12360
  32. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  33. ^ Nakatsu F, Perera RM, Lucast L, Zoncu R, Domin J, Gertler FB, et al. . The inositol 5-phosphatase SHIP2 regulates endocytic clathrin-coated pit dynamics. J Cell Biol. (2010) 190:307–15. 10.1083/jcb.201005018
  34. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  35. ^ Posor Y, Eichhorn-Gruenig M, Puchkov D, Schoneberg J, Ullrich A, Lampe A, et al. . Spatiotemporal control of endocytosis by phosphatidylinositol-3,4-bisphosphate. Natuur. (2013) 499:233–7. 10.1038/nature12360
  36. ^ Gozzelino, L., De Santis, M. C., Gulluni, F., Hirsch, E., & Martini, M. (2020). PI(3,4)P2 Signaling in Cancer and Metabolism. Frontiers in oncology, 10, 360. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.00360
  37. ^ Hawkins PT, Stephens LR. Emerging evidence of signalling roles for PI(3,4)P2 in class I and II PI3K-regulated pathways. Biochem Soc Trans. (2016) 44:307–14. 10.1042/BST20150248
  38. ^ Krause M, Leslie JD, Stewart M, Lafuente EM, Valderrama F, Jagannathan R, et al. . Lamellipodin, an Ena/VASP ligand, is implicated in the regulation of lamellipodial dynamics. Dev cel. (2004) 7:571–83. 10.1016/j.devcel.2004.07.024 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  39. ^ Yoshinaga S, Ohkubo T, Sasaki S, Nuriya M, Ogawa Y, Yasui M, et al. . A phosphatidylinositol lipids system, lamellipodin, and Ena/VASP regulate dynamic morphology of multipolar migrating cells in the developing cerebral cortex. J Neurosci. (2012) 32:11643–56. 10.1523/JNEUROSCI.0738-12.2012 [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  40. ^ (22)Kato T, Kawai K, Egami Y, Kakehi Y, Araki N. Rac1-dependent lamellipodial motility in prostate cancer PC-3 cells revealed by optogenetic control of Rac1 activity. PLoS EEN. (2014) 9:e97749. 10.1371/journal.pone.0097749

This cell biology article is a stub. Je kunt Wikipedia helpen door het uit te breiden.


The chemistry and biology of phosphatidylinositol 4-phosphate at the plasma membrane

Phosphoinositides are an important class of anionic, low abundance signaling lipids distributed throughout intracellular membranes. The plasma membrane contains three phosphoinositides: PI(4)P, PI(4,5)P2, and PI(3,4,5)P3. Of these, PI(4)P has remained the most mysterious, despite its characterization in this membrane more than a half-century ago. Fortunately, recent methodological innovations at the chemistry–biology interface have spurred a renaissance of interest in PI(4)P. Here, we describe these new toolsets and how they have revealed novel functions for the plasma membrane PI(4)P pool. We examine high-resolution structural characterization of the plasma membrane PI 4-kinase complex that produces PI(4)P, tools for modulating PI(4)P levels including isoform-selective PI 4-kinase inhibitors, and fluorescent probes for visualizing PI(4)P. Collectively, these chemical and biochemical approaches have revealed insights into how cells regulate synthesis of PI(4)P and its downstream metabolites as well as new roles for plasma membrane PI(4)P in non-vesicular lipid transport, membrane homeostasis and trafficking, and cell signaling pathways.


Lipids in Exosome Biology

Extracellular vesicles (EVs), and exosomes in particular, were initially considered as "garbage bags" for secretion of undesired cellular components. This view has changed considerably over the last two decades, and exosomes have now emerged as important organelles controlling cell-to-cell signaling. They are present in biological fluids and have important roles in the communication between cells in physiological and pathological processes. They are envisioned for clinical use as carriers of biomarkers, therapeutic targets, and vehicles for drug delivery. Important efforts are being made to characterize the contents of these vesicles and to understand the mechanisms that govern their biogenesis and modes of action. This chapter aims to recapitulate the place given to lipids in our understanding of exosome biology. Besides their structural role and their function as carriers, certain lipids and lipid-modifying enzymes seem to exert privileged functions in this mode of cellular communication. By extension, the use of selective "lipid inhibitors" might turn out to be interesting modulators of exosomal-based cell signaling.

trefwoorden: Cell signaling Ceramide Exosomes Neutral sphingomyelinase 2 Phosphatidic acid Phospholipase D2.


Auteurs informatie

Voorkeuren

Department of Cell Biology, Yale School of Medicine, 333 Cedar Street, New Haven, 06510, Connecticut, USA

Abdou Rachid Thiam & Tobias C. Walther

Laboratoire de Physique Statistique, Ecole Normale Supérieure de Paris, Université Pierre et Marie Curie, Université Paris Diderot, Centre National de la Recherche Scientifique, 24 rue Lhomond, Paris, 75005, France

Gladstone Institute of Cardiovascular Disease, 1650 Owens Street, San Francisco, 94158, California, USA

Departments of Medicine and Biochemistry and Biophysics, University of California, San Francisco, 94158, California, USA

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

U kunt deze auteur ook zoeken in PubMed Google Scholar

Corresponding authors


Lessons learned for future cancer treatment

We presented our data suggesting that not only can gene amplifications and gene mutations act as tumor drivers in addition, increased expression of PI3K regulators can also promote carcinogenesis (Ana Carrera, Centro Nacional de Biotecnología/CSIC, Spain). This is indeed the case for p85β, a regulatory component of class I PI3K proteins that is expressed at low levels in most normal cells that exhibit preferential expression of p85α (Fig. 1). p85β levels, however, increase in several tumor types and contribute to accelerate tumor progression and metastasis. Reduction of p85β levels is therapeutic in mouse-grown tumors, indicating that the increase of PIK3R2 (the gene encoding p85β) expression can act as a driver event in cancer (Vallejo-Díaz et al., 2016 Cortés et al., 2012). Detection of PI3K regulators that act as drivers in cancer might help in the stratification of PI3K-active tumors. An increase in p85β expression should be considered for the design of new therapies aimed at interfering with PI3K action.

Bart Vanhaesebroeck (UCL Cancer Institute, UK) discussed possible alternatives to the therapy protocols that are currently used with PI3K inhibitors. Given that PI3Kα-activating mutations mediate a moderate activation of the pathway, he argues that it might make more sense to treat patients with low doses of PI3K inhibitors to prevent the inactivation of the negative-feedback loops or the acquisition of resistance (Semple and Vanhaesebroeck, 2018). He also discussed the potential utility of inhibitors of PI3K isoforms expressed in hematopoietic cells for use in cancer immunotherapy for solid tumors, and how an adaptive immune response most likely also contributes to the clinical efficacy of the PI3Kδ inhibitors in B-cell malignancies.

Along the same line, Klaus Okkenhaug (University of Cambridge, UK) presented an update on the use of inhibitory compounds for PI3Kδ (an isoform expressed mainly in the hematopoietic system) for the treatment of B-cell malignancies. Based on his previous description of the contribution of PI3Kδ in the differentiation of regulatory T cells, which inhibit the effector cytotoxic T cells, he proposes that PI3Kδ inhibition in cancer might render effector T cells more active against the tumor. PI3Kδ inhibitors could therefore be useful in immunotherapy by reducing regulatory T cells. However, when tested, they found that PI3Kδ inhibitors did not cooperate with therapies directed to block CTLA4 or PD1. By contrast, PI3Kδ inhibitors synergized with inhibitors for CSF1R (Lim et al., 2018). A possible explanation for this cooperation could be that CSF1 activates macrophages, which in turn facilitate metastasis of surrounding tumor cells.

This session discussed several aspects that might improve the efficacy of PI3K inhibitors for cancer treatment. In addition to scoring PI3K/PTEN mutations, we should consider that the expression of PI3K regulators, such as p85β, might also make a tumor dependent on PI3K activity. A change in protocols for compound administration (lowering the doses) and the use of selective PI3K inhibitors, as well as inhibitors of the hematopoietic isoforms (PI3Kγ and PI3Kδ) for immunotherapy, should also be borne in mind for the future.

Taken together, the data discussed here have enriched our understanding of the mechanisms of tumorigenesis induced by PI3K, its actions on the organism, and the resistance mechanisms generated upon treatment with PI3K inhibitors. This should help to delineate new strategies for cancer treatments aimed at blocking the action of PI3K.


Bekijk de video: Verdauung von Fetten. Lipiden (September 2022).


Opmerkingen:

  1. Yervant

    Deze situatie is mij bekend. Klaar om te helpen.

  2. Eri

    Je hebt het mis ... specifiek verkeerd

  3. Rinc

    Ik denk dat je niet gelijk hebt. Ik ben er zeker van. Ik nodig je uit om te bespreken.

  4. Sage

    Naar mijn mening heeft hij het mis. Ik kan het bewijzen. Schrijf me in PM, bespreek het.

  5. Wacian

    Het kan oneindig worden besproken ..

  6. Celeus

    Ze hebben het mis. Laten we proberen dit te bespreken. Schrijf me in PM, het praat met je.

  7. Jourdon

    Ik denk dat het onderwerp erg interessant is. Geef met u, we zullen in PM afhandelen.



Schrijf een bericht