A membránok lipidkomponenseinek biogenezise

Az egész citoplazmát behálózó ER egyes területei, időnként átfedésekkel, de egy-egy feladat elvégzésére szakosodtak; ezek közül a jelen fejezetben tárgyalt fehérjeszintézishez kapcsolódó durva felszínű ER alkotói és működése ismertebb. A hagyományosan simafelszínű ER-nek (SER) nevezett, asszociált riboszómákat nem tartalmazó ER-régió az egységes morfológia ellenére nagyon sokféle feladatot lát el, külön membrándoménekhez kötve. Ezek közé tartozik a fentebb bemutatott, a minőség-ellenőrzést és az ERAD-ot biztosító terület, a Golgi-készülék felé induló vezikulák lefűződésének helye („exit site”), a méregtelenítést ellátó apparátus és a lipidszintézis helyszíne is. (17. ábra)

17. ábra Az endoplazmatikus retikulum (ER) speciális membránterületekhez kapcsolható funkciói. RER: durva felszínű endoplazmatikus retikulum; SER: sima felszínű endoplazmatikus retikulum; ERES: ER-exit site (Golgi-készülék felé irányuló transzport helye); ERQC: ER quality control (az ER minőség-ellenőrzés helye);

biogenezise (Lippai Mónika)

MAM: mitokondrium-asszociált membrán; PAM: plazmamembrán-asszociált membrán. Az eltérő színű és alakú kis alakzatok az adott területre jellemző fehérjéket szimbolizálnak. (Biochimica et Biophysica Acta 2011,

1813, 1893–1905)

5.1. Lipidszintézis az ER membránjában

A membránfehérjékkel szemben a sejt membránjainak valamennyi lipid-komponense (néhány speciális esettől eltekintve) az ER (pontosabban tehát a SER) felszínén képződik. A glicero-foszfolipidek szintéziséhez szükséges valamennyi komponens a citoszolból érkezik. A hordozó fehérjék által szállított zsírsavak membránba integrálásával kezdődik a folyamat, amelyet aktiválás követ koenzim A kötődése révén. Két aktivált zsírsavat acil-transzferáz kapcsol rá egy glicerin-3-foszfátra, és a képződött foszfatidsav már önmagában is képes stabilan a membránban maradni. A foszfolipid fejcsoportja (leggyakrabban kolin vagy szerin) ezután a megfelelő enzim segítségével kerül rá a foszfatidsav „vázra”. A zsírsavlánc egyes pozícióiban a telítetlen kötések kialakítását szintén az ER membránjában lokalizálódó deszaturázok biztosítják. Ezen folyamatok pontosabb részleteit biokémiai tankönyvekből ismerhetjük meg.

Még egyszer hangsúlyozzuk, hogy mindezek a reakciók az ER membránjának citoszolikus felszínéhez kötve zajlanak. Ennek az a következménye, hogy a foszfolipid-szintézis során az ER membránjának külső lipidrétegébe folyamatosan újabb foszfolipidek ágyazódnak, a belső azonban ezen az úton nem tud gyarapodni.

Mindkét réteg egyenletes növekedését az biztosíthatja, ha a citoszolikus oldalon szintetizálódott foszfolipidek átjuthatnak a lumen felőli lipidrétegbe. A poláros fejcsoport transzlokációja okoz nehézséget: a membrán zsírsav-oldalláncok alkotta erősen hidrofób belsején kell áthatolnia ahhoz, hogy végül a lumen felé nézzen.

Megfelelő enzimek közvetítése nélkül ez nagyon lassú, akár napokig tartó folyamat; azonban biológiai membránokban találhatóak úgynevezett flippázok, olyan transzmembrán fehérjék, amelyek éppen a foszfolipidek ilyen irányú, transzverzális („flip-flop”) mozgását katalizálják. Az ER membránjában lokalizálódó flippázok perceken belül, a fejcsoport minőségétől függetlenül, ráadásul energia felhasználása nélkül képesek átjuttatni a lumen felőli felszínre az új foszfolipidek egy részét, kiegyenlítve ezáltal a membrán növekedését. Az ilyen enzimek azonban csak az ER-re jellemzőek: a sejt egyéb membránjaiban működő flippázok energiát igényelnek, és/vagy csak specifikus szubsztrátjaik flip-flopját biztosítják.

18. ábra A flippáz működése az ER membránjában. (link)

A koleszterin és a ceramid szintézise is az ER felszínén történik. A koleszterin az állati sejtek membránjának fő lipidkomponensei közé tartozik, ugyanakkor emellett sok bioaktív molekula (például a szteroid hormonok, epesavak, D vitamin) prekurzora is. Bár szintézisének néhány lépése a citoszolban zajlik, mind az intermedier mevalonsav, mind a végtermék létrejöttét katalizáló enzimek az ER-hez kötődnek. A ceramid, amely a Golgi-készülékben szintetizálódó szfingolipidek (lásd 9. fejezet) prekurzora, szintén az ER membránjában képződik úgy, hogy először a zsírsavláncot tartalmazó amino-alkohol szfingozinhoz egy második zsírsav-oldallánc kapcsolódik (Mindkét lipid szintézisének részleteit a biokémiai tananyag ismerteti). Sem a koleszterin, sem a ceramid nem rendelkezik poláros fejcsoporttal, ezért a két membránréteg között enzimek nélkül is igen gyorsan, másodpercek alatt képesek közlekedni.

Végül megemlítjük, hogy bár a lipidszintézis fő helyszíne az ER, azért más organellumok is részt vesznek benne. A peroxiszóma állítja elő a plazmalogént, amely a mielinhüvely legfontosabb foszfolipid komponense (a plazmalogén olyan glicero-foszfolipid, amelyben a glicerin első szénatomjához észter-kötés helyett éter-kötéssel kapcsolódik a zsírsavlánc). Eukariótákban a mitokondrium belső membránjában szintetizálódik a bakteriális eredetű kardiolipin, amelyben két glicero-foszfolipidet egy közbülső glicerinváz köt össze, így összesen négy zsírsav-oldallánccal rendelkezik. Speciális szerkezetének köszönhetően a kardiolipin sokféle módon járul hozzá a mitokondrium normális működéséhez. A fentiekben pedig említettük, hogy bár ceramid prekurzoruk az ER-ben alakul ki, a szfingolipidek a Golgi-készülékER-ben (illetve kismértékER-ben a plazmamembrán felszínén) szintetizálódnak.

5.2. Az ER-ben szintetizált lipidek transzportja a sejten belül

Az ER-ben létrejött lipid-komponensek egy része a 9. fejezetben ismertetett vezikuláris transzporttal, a Golgi-készüléken keresztül jut el rendeltetési helyére. A foszfolipidek és a koleszterin esetében azonban régóta nyilvánvaló volt, hogy más, a szekréciós úttól független mechanizmusnak is működnie kell, hiszen a vezikuláris transzport gátlása sem zavarta meg az organellumok közötti közlekedésüket. Ráadásul a sejt igényeinek megfelelően dinamikusan osztódó és fuzionáló, tehát időnként sok új membránkomponenst igénylő mitokondriumok nem is vesznek részt a vezikuláris transzport-közvetített membrán-áramlásban.

A Golgi-független lipidtranszport egyik lehetséges módja a membránfelszínek közvetlen kapcsolata révén valósulhat meg. Elektronmikroszkópos módszerekkel jól detektálható, hogy a SER bizonyos helyeken nagyon szoros kontaktust létesít a mitokondrium külső membránjával, és ezekben a speciális membrándoménekben koncentráltan vannak jelen a lipidszintézisért felelős enzimek. Kimutatták a rendkívül közeli (néhányszor tíz nanométernyi) távolságban lévő membránok közötti lipid-transzfert biztosító integráns fehérjék jelenlétét is.

Ilyen szoros kapcsolatot az ER a plazmamembránnal is képes létesíteni, ahol szintén adódhatnak át lipidek.

Az ER-ben szintetizálódott lipidek szállításában szolubilis transzfer-fehérjék is részt vehetnek. Főleg foszfolipideket és koleszterint egyesével megkötő és a citoszolon keresztül szállító fehérjéket azonosítottak, de ismert, hogy az ER és a Golgi-készülék között ceramid-transzfer fehérje is közlekedik.

5.3. A membránfelszínek lipid-aszimmetriájának kialakulása

A biológiai membránok két rétegének lipid-összetétele között jelentős különbségek vannak. Ennek élettani jelentősége óriási: a kizárólag a plazmamembrán külső felszínén található lipid-komponensek (szfingolipidek, glikolipidek – elsősorban glikoszfingolipidek) hozzájárulnak a speciális funkciókat ellátó lipid-raftok és a glikokalix kialakításában. A két felszín közötti eltérés teszi lehetővé például azt is, hogy a fagociták meg tudják különböztetni az ép sejteket az apoptotikus vagy sérült sejtektől.

Az ER területén még nem tapasztalható jelentős eltérés, ami annak köszönhető, hogy a foszfolipid-szintézis fentebb bemutatott „egyoldalúságát” kiegyenlítő, csak az ER-ben lokalizálódó flippáz nem specifikus. A koleszterin és a ceramid eloszlása is egyenletes az ER membránjában, köszönhetően gyors, katalizátort sem igénylő transzverzális „flip-flop”-juknak.

A Golgi-készülék területén kezdődik a szimmetria felbomlása. A ceramidot szfingolipiddé átalakító enzimek valamennyien a luminális felszínen működnek, és a poláros fejrész, illetve a glikoszfingolipidek esetében a cukor-oldallánc kialakulása megakadályozza a további szabad transzverzális mozgást. Ebből ered, hogy a vezikuláris transzport végén valamennyi szfingolipid a plazmamembrán extracelluláris felszínére kerül. A Golgi-készülék belső membránrétegében a koleszterin szintén feldúsul, ez elsősorban annak köszönhető, hogy erős affinitást mutat a szfingolipidekhez és a luminális oldalon reked –így nagy arányban kerül bele a leendő lipidraftokba is.

biogenezise (Lippai Mónika)

19. ábra A lipidek membrán-aszimmetriájának kialakulása a Golgi-készülék, az endoszómák és a plazmamembrán területén. PC: foszfatidil-kolin; PE: foszfatidil-etanolamin; PS: foszfatidil-szerin; Cer: ceramid;

DAG: diacil-glicerol; SM: szfingolielin; GSL: glikoszfingolipid; P4: az aminofoszfolipideket (PS, PE) a membrán másik rétegébe átszállító specifikus ATP-áz. Egyéb magyarázat: lásd a szövegben. (Nat Rev Mol Cell

Biol. 2008, 9(2) 112–124)

A foszfatidil-szerin és a foszfatidil-etanolamin viszont már a Golgi-ciszternákban a citoszolikus felszínre koncentrálódik, és ez az egyenlőtlenség megőrződik a plazmamembránban is. Az aminofoszfolipidekre jellemző aszimmetria kialakulása szelektív, ATP-t igénylő transzporterek működésének eredménye. A foszfatidil-kolin és a szfingolipidek nem rendelkeznek ilyen specifikus transzporterrel. Az apoptózis során extrém módon megemelkedő citoszolikus Ca2+-szint hatására aktiválódó transzporter (szkrambláz) vagy a plazmamembrán nagyobb sérülése a sejtfelszínre juttatja az aminofoszfolipideket, jelezve a környezet fagocitái számára, hogy a sejtet eliminálni kell.

6. A 6. fejezet kérdései

1. Milyen fehérjékkel, komplexekkel létesít kapcsolatot a szekréciós fehérje, míg a citoszolból az endoplazmatikus retikulum lumenébe jut?

2. Mi az SRP, és milyen funkciói vannak?

3. Mi jellemzi a szekréciós fehérjéket az endoplazmatikus retikulumba irányító jelet, és mi lesz későbbi sorsa?

4. Hogyan zajlik a poszttranszlációs transzlokáció az endoplazmatikus retikulum esetében?

5. Hogyan osztályozzák az integráns membránfehérjéket topológiájuk alapján?

6. Mi a különbség szintézis szempontjából az I. és III. csoportba tartozó membránfehérjék között?

7. Mi határozza meg azt, hogy egy több transzmembrán doménnel rendelkező fehérje N-terminálisa a citoszol vagy az endoplazmatikus retikulum lumene felé néz?

8. Melyik lépés(ek)nél érhető tetten a kotranszlációs transzlokáció energiaigénye?

9. Milyen, a fehérjék szerkezetét alakító, kifejezetten az endoplazmatikus retikulum lumenére jellemző folyamatokat ismer?

10. Hogyan zajlik a minőség-ellenőrzés az endoplazmatikus retikulumban?

11. Mi történik a minőség-ellenőrzés során „megbukott” fehérjékkel?

12. Milyen mechanizmusokkal próbálja a sejt kivédeni a hibás szekréciós fehérjék túlzott felhalmozódásából (endoplazmatikus retikulum-stressz) adódó veszélyeket?

13. Mik a flippázok, és miért van rájuk szükség az endoplazmatikus retikulum membránjában?

14. Hogyan alakul ki az endomembrán rendszer egy részére és a plazmamembránra jellemző lipid-aszimmetria?