カルジオリピンの一般的な化学構造。R 1 -R 4は可変脂肪酸鎖である。
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| 名前 | |
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| IUPAC名
1,3-ビス(sn-3'-ホスファチジル)-sn-グリセロール
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3Dモデル(JSmol)
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| チェビ |
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| ドラッグバンク |
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| ケッグ |
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特に記載がない限り、データは標準状態(25 °C [77 °F]、100 kPa)の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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カルジオリピン(IUPAC名1,3-ビス(sn -3'-ホスファチジル)-sn-グリセロール、「sn」は立体特異的番号を示す)は、ミトコンドリア内膜の重要な成分であり、脂質組成全体の約20%を構成しています。また、ほとんどの細菌の膜にも存在します。「カルジオリピン」という名前は、動物の心臓で初めて発見されたことに由来しています。1940年代初頭にメアリー・C・パンボーンによってウシの心臓から初めて単離されました。[1]哺乳類細胞だけでなく、植物細胞でも、[2] [3]カルジオリピン(CL)は、ミトコンドリア内膜にほぼ独占的に存在し、ミトコンドリアのエネルギー代謝に関与する 多数の酵素が最適に機能するために不可欠です。
構造

カルジオリピン(CL)は、ジホスファチジルグリセロール脂質の一種です。2つのホスファチジン酸 部分が中央のグリセロール骨格と結合して二量体構造を形成します。そのため、4つのアルキル基を持ち、潜在的に2つの負電荷を帯びています。カルジオリピンには4つの異なるアルキル鎖があるため、この分子種の複雑さの可能性は非常に大きいです。しかし、ほとんどの動物組織では、カルジオリピンにはそれぞれ2つの不飽和結合を持つ18炭素脂肪アルキル鎖が含まれています。[4]哺乳類ミトコンドリアの内膜タンパク質に対するCLの高い親和性には、(18:2)4アシル鎖構成が重要な構造要件であると提案されています。[5]しかし、単離酵素標本を用いた研究では、その重要性は検査するタンパク質によって異なる可能性があることが示されています。[要出典] in vitro実験では、CLは湾曲した膜領域に対して高い親和性を持つことが示されています。[6]
分子内にはリン酸が 2 つあるため、それぞれが 1 つのプロトンを捕らえることができます。対称構造ではありますが、リン酸の 1 つをイオン化する場合と、リン酸の両方をイオン化する場合では酸性度が大きく異なります (pK 1 = 3 および pK 2 > 7.5)。そのため、通常の生理学的条件 (pH が約 7) では、分子は負電荷を 1 つしか持たない可能性があります。リン酸上のヒドロキシル基 (–OH および –O − ) は、中心にあるグリセロールのヒドロキシル基と安定した分子内水素結合を形成し、二環式共鳴構造を形成します。この構造は 1 つのプロトンを捕らえ、酸化的リン酸化に非常に役立ちます。
ヘッドグループがこのようなコンパクトな自転車構造を形成するため、ヘッドグループの面積は、4 つのアシル鎖からなる大きなテール領域に比べてかなり小さくなります。この特殊な構造に基づいて、蛍光ミトコンドリア指示薬であるノニルアクリジンオレンジ (NAO) が 1982 年に導入され、[7]その後、CL に結合してミトコンドリアを標的とすることがわかりました。NAO は非常に大きなヘッドと小さなテールの構造を持ち、カルジオリピンの小さなヘッドと大きなテールの構造を補い、高度に秩序だった方法で配置することができます。[8] NAO を定量的なミトコンドリア指示薬として、またミトコンドリア内の CL 含有量の指示薬として利用する研究がいくつか発表されています。しかし、NAO は膜電位や CL の空間配置の影響を受けるため、[9] [10] [11]呼吸している無傷のミトコンドリアの CL またはミトコンドリアの定量的研究に NAO を使用することは適切ではありません。しかし、NAO は依然として CL 含有量を評価する簡単な方法です。
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カルジオリピンの二環式構造
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NAOの構造
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NAOとCLは高度に整然と配置されている
カルジオリピンを定量および検出する方法
CL種の検出、定量、局在は、ミトコンドリア機能障害や、いくつかのヒト疾患の根底にある病態生理学的メカニズムを調査するための貴重なツールです。CLは液体クロマトグラフィーを使用して測定されますが、通常は質量分析、質量分析イメージング、ショットガンリピドミクス、イオン移動度分光法、蛍光測定、放射性標識と組み合わせて使用されます。[12]したがって、分析方法の選択は、実験の質問、詳細レベル、および必要な感度によって異なります。
代謝と異化

代謝
真核生物の経路
酵母、植物、動物などの真核生物では、合成プロセスはミトコンドリアで起こると考えられています。最初のステップは、グリセロール-3-リン酸アシルトランスフェラーゼによるグリセロール-3-リン酸のアシル化です。次に、アシルグリセロール-3-リン酸はもう一度アシル化されてホスファチジン酸(PA)を形成します。酵素CDP-DAGシンターゼ(CDS)(ホスファチジン酸シチジルトランスフェラーゼ)の助けを借りて、PAはシチジン二リン酸-ジアシルグリセロール(CDP-DAG)に変換されます。次のステップは、酵素PGPシンターゼによるCDP-DAGのホスファチジルグリセロールリン酸(PGP)への変換であり、その後、PTPMT1 [13]による脱リン酸化でPGが形成されます。最後に、CDP-DAG分子がPGに結合してカルジオリピン分子1つを形成し、ミトコンドリア局在酵素カルジオリピン合成酵素(CLS)によって触媒されます。[2] [3] [14]
原核生物経路
細菌などの原核生物では、ジホスファチジルグリセロール合成酵素が、ホスホリパーゼ Dに関連する酵素の作用により、1 つのホスファチジルグリセロールのホスファチジル部分を別のホスファチジルグリセロールの遊離 3'-ヒドロキシル基に転移し、グリセロール 1 分子を除去する反応を触媒します。この酵素は、生理学的条件下では逆に作用してカルジオリピンを除去することができます。
異化
カルジオリピンの異化は、ホスホリパーゼA2 (PLA)の触媒作用によって起こり、脂肪酸アシル基が除去される。ミトコンドリア内のホスホリパーゼD (PLD)はカルジオリピンをホスファチジン酸に加水分解する。[15]
機能
集合体構造を調節する

カルジオリピンはユニークな構造をしているため、pHの変化や二価カチオンの存在によって構造変化が引き起こされる。CLは多様な凝集体を形成する。Ca 2+や他の二価カチオンの存在下では、CLはラメラから六方晶(L a -H II)への相転移を誘発できることが分かっている。そして、それは膜融合と密接な関係があると考えられている。[16]
四次構造を促進する
シトクロム c オキシダーゼ酵素は複合体 IV としても知られ、ミトコンドリアと細菌に見られる大きな膜貫通タンパク質複合体です。これは、ミトコンドリアまたは細菌の内膜に位置する呼吸電子伝達系の最後の酵素です。4 つのシトクロム c 分子からそれぞれ電子を受け取り、それを 1 つの酸素分子に伝達して、分子状酸素を 2 つの水分子に変換します。複合体 IV は、完全な酵素機能を維持するために 2 つの関連する CL 分子を必要とすることが示されています。 シトクロム bc1 (複合体 III) も、その四次構造と機能的役割を維持するためにカルジオリピンを必要とします。[17]酸化リン酸化機構の複合体 Vも CL に対して高い結合親和性を示し、複合体 V 1 分子あたり 4 つの CL 分子を結合します。[18]

アポトーシスを誘発する
カルジオリピンがミトコンドリア外膜に分布すると、シトクロムc(cyt c)の放出、カスパーゼ8の活性化、MOMP誘導、NLRP3インフラマソームの活性化によって証明されているように、細胞のアポトーシスにつながります。 [19]アポトーシス の間、cyt cはミトコンドリアの膜間腔から細胞質に放出されます。その後、cyt cは小胞体上のIP3受容体に結合してカルシウムの放出を刺激し、それが反応してcyt cの放出を引き起こします。カルシウム濃度が毒性レベルに達すると、細胞死を引き起こします。シトクロムcは、ミトコンドリアからアポトーシス因子を放出することにより、アポトーシスに関与していると考えられています。[20] カルジオリピン特異的オキシゲナーゼはCLヒドロペルオキシドを生成し、脂質の構造変化を引き起こす可能性があります。酸化された CL は内膜から外膜に移動し、その後、チトクローム c を放出する透過性孔の形成を助けます。

酸化的リン酸化のプロトントラップとして機能する
複合体 IVによって触媒される酸化リン酸化プロセス中に、大量のプロトンが膜の片側からもう一方の側に移動し、大きな pH 変化を引き起こします。CL はミトコンドリア膜内でプロトントラップとして機能し、それによってプロトンプールを厳密に局在化し、ミトコンドリア膜間空間の pH 変化を最小限に抑えると考えられています。
この機能はCLのユニークな構造によるものです。前述のように、CLは負電荷を帯びながら、双環構造内にプロトンを捕捉することができます。したがって、この双環構造は電子緩衝プールとして機能し、プロトンを放出または吸収して膜付近のpHを維持します。[8]
その他の機能
- ミトコンドリア外膜から内膜へのコレステロールの転座
- ミトコンドリアコレステロール側鎖切断を活性化する
- ミトコンドリアマトリックスにタンパク質を輸入する
- 抗凝固機能
- α-シヌクレインを調節する[21] - このプロセスの機能不全がパーキンソン病の原因であると考えられています。
臨床的意義
異常なCL代謝と含有量がヒトの疾患と関連していることを示す証拠が増えています。ヒトの疾患には神経疾患、癌、心血管疾患、代謝疾患などがあります(完全なリストは[12]で確認できます)。CLプロファイルの異常を伴うヒトの疾患の数が飛躍的に増加するにつれて、定性的および定量的な診断の使用が不可欠になってきました。
代謝性疾患
バース症候群
バース症候群は、1970年代に乳児死亡の原因となることが認識された、まれな遺伝性疾患である。カルジオリピンの生合成に関与する酵素であるタファジンをコードする遺伝子の変異を有する。タファジンは、真核生物におけるカルジオリピン合成に不可欠な酵素であり、リノール酸をPCからモノリソカルジオリピンに転移させることにより、CLアシル鎖のリモデリングに関与する。[22]タファジンの変異は、カルジオリピンのリモデリングが不十分になる原因となる。しかし、細胞が補償し、ATP産生が正常細胞と同等かそれ以上であると思われる。[23]この形質のヘテロ接合性の 女性は影響を受けない。この疾患の患者は、異常なミトコンドリアを有する。心筋症および全身の衰弱は、これらの患者によくみられる。
マロン酸とメチルマロン酸の複合尿症(CMAMMA)
ACSF3欠乏による代謝性疾患であるマロン酸・メチルマロン酸尿症(CMAMMA)では、ミトコンドリア脂肪酸合成(mtFAS)の障害の結果として複合脂質の組成が変化し、例えばカルジオリピンの含有量が大幅に増加します。[24] [25]
タンジール病
タンジール病もCL異常に関連している。タンジール病は、血漿中のHDLコレステロール値が非常に低く、組織にコレステロールエステルが蓄積し、心血管疾患を発症するリスクが増加するという特徴がある。[26]バルト症候群とは異なり、タンジール病は主にCLの異常な産生増加によって引き起こされる。研究によると、タンジール病ではCL値が3~5倍に上昇する。[27] CL値の上昇はコレステロールの酸化を促進し、オキシステロールの形成によって結果的にコレステロールの流出が増加するためである。このプロセスは、細胞から余分なコレステロールを除去するための逃避機構として機能する可能性がある。
パーキンソン病とアルツハイマー病
酸化ストレスと脂質過酸化は、パーキンソン病における黒質のニューロン喪失とミトコンドリア機能不全につながる要因であると考えられており、アルツハイマー病の発症の初期段階で役割を果たしている可能性がある。[28] [29]脳内のCL含有量は加齢とともに減少することが報告されており、[ 30]ラットの脳に関する最近の研究では、フリーラジカルストレスにさらされたミトコンドリアの脂質過酸化の結果であることがわかっている。別の研究では、CL生合成経路が選択的に損なわれ、CL含有量が20%減少し、組成が変化する可能性があることが示されている。[31]また、これは電子伝達系の連結複合体I/III活性の15%減少とも関連しており、これがパーキンソン病の発症の重要な要因であると考えられている。[32]
非アルコール性脂肪肝疾患および心不全
最近では、非アルコール性脂肪性肝疾患[33] や心不全[34]においてもミトコンドリア機能不全によるCLレベルの低下やアシル鎖組成の変化が観察されることが報告されている。しかし、老化や虚血/再灌流におけるCLの役割については依然として議論の余地がある。
糖尿病
糖尿病患者では心臓病が2倍多くみられます。糖尿病患者では心血管系の合併症が若年で発症し、早死ににつながることが多く、心臓病が糖尿病患者の最大の死因となっています。糖尿病の初期段階では心臓のカルジオリピンが不足していることが判明しており、これは糖尿病患者の心筋で脂質分解酵素がより活発になるためと考えられます。[35]
梅毒
牛の心臓から採取したカルジオリピンは、梅毒のワッサーマン試験の抗原として使用されます。抗カルジオリピン抗体は、全身性エリテマトーデス、マラリア、結核など、他の多くの病気でも増加する可能性があるため、この検査は特異的ではありません。
HIV-1
ヒト免疫不全ウイルス-1(HIV-1)は、世界中で6000万人以上を感染させています。HIV-1エンベロープ糖タンパク質には、少なくとも4つの中和抗体部位が含まれています。これらの部位のうち、膜近位領域(MPR)は、ウイルスのT細胞への侵入を容易にし、ウイルス株間で高度に保存されているため、抗体の標的として特に魅力的です。[36]しかし、MPRの2F5、4E10に対する2つの抗体は、カルジオリピンを含む自己抗原と反応することが判明しています。したがって、そのような抗体はワクチン接種によって誘発することが困難です。[37]
癌
がんはミトコンドリア呼吸の不可逆的な損傷から発生するというのがオットー・ハインリッヒ・ワールブルク博士によって最初に提唱されたが、この損傷の構造的根拠は未だに解明されていない。カルジオリピンはミトコンドリア内膜にほぼ独占的に存在し、ミトコンドリア機能の維持に非常に重要な重要なリン脂質であるため、CLの異常がミトコンドリア機能と生体エネルギーを損なう可能性があることが示唆されている。ワールブルク博士のがん理論を支持するマウス脳腫瘍に関する2008年に発表された研究[38]では、すべての腫瘍においてCL含有量または組成に大きな異常が認められた。
抗リン脂質症候群
抗カルジオリピン抗体(抗リン脂質症候群)を持つ患者は、10代半ばから後半の早い時期から血栓症を繰り返す可能性がある。これらの事象は、肝静脈や腎静脈など、血栓症が比較的まれな血管で発生する可能性がある。これらの抗体は通常、反復性自然流産の若い女性に検出される。抗カルジオリピン媒介自己免疫疾患では、認識にアポリポタンパク質Hに依存する。[39]
その他の抗カルジオリピン疾患
慢性疲労症候群
慢性疲労症候群は原因不明の衰弱性疾患で、急性ウイルス感染後に発症することが多い。ある研究によると、CFS患者の95%に抗カルジオリピン抗体がある。[40]
参照
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外部リンク
- 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)のカルジオリピン
- カルジオリピン(ジホスファチジルグリセロール)

