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3.4 : Lipides - Biologie

3.4 : Lipides - Biologie


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Ce que vous apprendrez à faire : Illustrer différents types de lipides et relier leur structure à leur rôle dans les systèmes biologiques

Les graisses et les huiles sont probablement le type de lipides que vous connaissez le mieux dans votre vie de tous les jours. Le mot gros apporte généralement une image négative dans nos esprits. Il existe également d'autres lipides essentiels à la vie humaine, notamment les phospholipides, les stéroïdes et les cires.

Alors qu'un excès de n'importe quelle substance peut être un problème, tous ces lipides jouent un rôle essentiel dans les êtres vivants.

Dans ce résultat, nous discuterons des lipides et du rôle qu'ils jouent dans notre corps.

Objectifs d'apprentissage

  • Distinguer les différents types de lipides
  • Identifier plusieurs fonctions majeures des lipides

Les lipides comprennent un groupe diversifié de composés qui sont en grande partie de nature non polaire. En effet, ce sont des hydrocarbures qui comprennent principalement des liaisons carbone-carbone ou carbone-hydrogène non polaires. Les molécules non polaires sont hydrophobes (« water fearing »), ou insolubles dans l'eau. Les lipides remplissent de nombreuses fonctions différentes dans une cellule. Les cellules stockent de l'énergie pour une utilisation à long terme sous forme de graisses. Les lipides fournissent également une isolation de l'environnement pour les plantes et les animaux (Figure 1). Par exemple, ils aident à garder les oiseaux aquatiques et les mammifères au sec lors de la formation d'une couche protectrice sur la fourrure ou les plumes en raison de leur nature hydrophobe hydrofuge. Les lipides sont également les éléments constitutifs de nombreuses hormones et sont un constituant important de toutes les membranes cellulaires. Les lipides comprennent les graisses, les huiles, les cires, les phospholipides et les stéroïdes.

Graisses et huiles

Une molécule de graisse, comme un triglycéride, se compose de deux composants principaux : le glycérol et les acides gras. Le glycérol est un composé organique avec trois atomes de carbone, cinq atomes d'hydrogène et trois groupes hydroxyle (-OH). Les acides gras ont une longue chaîne d'hydrocarbures auxquels un groupe carboxyle acide est attaché, d'où le nom «acide gras». Le nombre de carbones dans l'acide gras peut aller de 4 à 36 ; les plus courants sont ceux contenant 12-18 carbones. Dans une molécule de graisse, un acide gras est attaché à chacun des trois atomes d'oxygène dans les groupes -OH de la molécule de glycérol par une liaison covalente (Figure 2).

Au cours de cette formation de liaison covalente, trois molécules d'eau sont libérées. Les trois acides gras contenus dans la graisse peuvent être similaires ou différents. Ces graisses sont également appelées triglycérides car elles contiennent trois acides gras. Certains acides gras ont des noms communs qui précisent leur origine. Par exemple, l'acide palmitique, un acide gras saturé, est dérivé du palmier. L'acide arachidique est dérivé de Arachis hypogée, le nom scientifique des arachides.

Les acides gras peuvent être saturés ou insaturés. Dans une chaîne d'acide gras, s'il n'y a que des liaisons simples entre les carbones voisins de la chaîne hydrocarbonée, l'acide gras est saturé. Les acides gras saturés sont saturés d'hydrogène ; en d'autres termes, le nombre d'atomes d'hydrogène attachés au squelette carboné est maximisé.

Lorsque la chaîne hydrocarbonée contient une double liaison, l'acide gras est un acide gras insaturé.

La plupart des graisses insaturées sont liquides à température ambiante et sont appelées huiles. S'il y a une double liaison dans la molécule, alors elle est connue comme une graisse monoinsaturée (par exemple, l'huile d'olive), et s'il y a plus d'une double liaison, alors elle est connue comme une graisse polyinsaturée (par exemple, l'huile de canola).

Les graisses saturées ont tendance à se tasser étroitement et sont solides à température ambiante. Les graisses animales contenant de l'acide stéarique et de l'acide palmitique contenus dans la viande et la graisse contenant de l'acide butyrique contenue dans le beurre sont des exemples de graisses saturées. Les mammifères stockent les graisses dans des cellules spécialisées appelées adipocytes, où les globules de graisse occupent la majeure partie de la cellule. Chez les plantes, la graisse ou l'huile est stockée dans les graines et est utilisée comme source d'énergie pendant le développement embryonnaire.

Les graisses ou huiles insaturées sont généralement d'origine végétale et contiennent des acides gras insaturés. La double liaison provoque une courbure ou un « pli » qui empêche les acides gras de se tasser étroitement, les gardant liquides à température ambiante. L'huile d'olive, l'huile de maïs, l'huile de canola et l'huile de foie de morue sont des exemples de graisses insaturées. Les graisses insaturées contribuent à améliorer le taux de cholestérol sanguin, tandis que les graisses saturées contribuent à la formation de plaque dans les artères, ce qui augmente le risque de crise cardiaque.

La margarine, certains types de beurre d'arachide et le shortening sont des exemples de trans-les graisses. Des études récentes ont montré qu'une augmentation de trans-les graisses dans l'alimentation humaine peuvent entraîner une augmentation des taux de lipoprotéines de basse densité (LDL), ou «mauvais» cholestérol, qui, à leur tour, peuvent entraîner un dépôt de plaque dans les artères, entraînant une maladie cardiaque. De nombreux restaurants de restauration rapide ont récemment éliminé l'utilisation de trans-les matières grasses, et les étiquettes des aliments aux États-Unis sont désormais tenues de répertorier leurs trans-teneur en matières grasses. Dans l'industrie alimentaire, les huiles sont artificiellement hydrogénées pour les rendre semi-solides, ce qui réduit la détérioration et augmente la durée de conservation. En termes simples, l'hydrogène gazeux est barboté à travers les huiles pour les solidifier. Au cours de ce processus d'hydrogénation, les doubles liaisons du cis-la conformation dans la chaîne hydrocarbonée peut être convertie en doubles liaisons dans le trans-conformation. Cela forme un trans-graisse d'un cis-gros. L'orientation des doubles liaisons affecte les propriétés chimiques de la graisse (Figure 3).

Les acides gras essentiels sont des acides gras nécessaires mais non synthétisés par le corps humain. Par conséquent, ils doivent être complétés par l'alimentation. Les acides gras oméga-3 entrent dans cette catégorie et sont l'un des deux seuls acides gras essentiels connus pour l'homme (l'autre étant les acides gras oméga-6). Ils sont un type de graisse polyinsaturée et sont appelés acides gras oméga-3 car le troisième carbone de la fin de l'acide gras participe à une double liaison.

Le saumon, la truite et le thon sont de bonnes sources d'acides gras oméga-3. Les acides gras oméga-3 sont importants dans le fonctionnement du cerveau et dans la croissance et le développement normaux. Ils peuvent également prévenir les maladies cardiaques et réduire le risque de cancer.

Comme les glucides, les graisses ont reçu beaucoup de mauvaise publicité. Il est vrai que manger un excès d'aliments frits et autres aliments « gras » entraîne une prise de poids. Cependant, les graisses ont des fonctions importantes. Les graisses servent de stockage d'énergie à long terme. Ils assurent également l'isolation du corps. Par conséquent, des graisses insaturées « saines » en quantités modérées doivent être consommées régulièrement.

Phospholipides

Les phospholipides sont le constituant majeur de la membrane plasmique. Comme les graisses, elles sont composées de chaînes d'acides gras attachées à un glycérol ou à un squelette similaire. Au lieu de trois acides gras attachés, cependant, il y a deux acides gras et le troisième carbone du squelette du glycérol est lié à un groupe phosphate. Le groupe phosphate est modifié par l'ajout d'un alcool.

Un phospholipide possède à la fois des régions hydrophobes et hydrophiles. Les chaînes d'acides gras sont hydrophobes et s'excluent de l'eau, alors que le phosphate est hydrophile et interagit avec l'eau.

Les cellules sont entourées d'une membrane, qui a une bicouche de phospholipides. Les acides gras des phospholipides sont tournés vers l'intérieur, à l'opposé de l'eau, tandis que le groupement phosphate peut être tourné soit vers l'extérieur, soit vers l'intérieur de la cellule, tous deux aqueux.

Stéroïdes et cires

Contrairement aux phospholipides et aux graisses évoqués précédemment, les stéroïdes ont une structure en anneau. Bien qu'ils ne ressemblent pas aux autres lipides, ils sont regroupés avec eux car ils sont également hydrophobes. Tous les stéroïdes ont quatre anneaux de carbone liés et plusieurs d'entre eux, comme le cholestérol, ont une queue courte.

Le cholestérol est un stéroïde. Le cholestérol est principalement synthétisé dans le foie et est le précurseur de nombreuses hormones stéroïdes, telles que la testostérone et l'estradiol. C'est également le précurseur des vitamines E et K. Le cholestérol est le précurseur des sels biliaires, qui contribuent à la dégradation des graisses et à leur absorption ultérieure par les cellules. Bien que le cholestérol soit souvent évoqué en termes négatifs, il est nécessaire au bon fonctionnement de l'organisme. C'est un composant clé des membranes plasmiques des cellules animales.

Les cires sont constituées d'une chaîne hydrocarbonée avec un groupe alcool (-OH) et un acide gras. Des exemples de cires animales comprennent la cire d'abeille et la lanoline. Les plantes ont également des cires, telles que le revêtement sur leurs feuilles, qui les empêchent de se dessécher.

Pour une perspective supplémentaire sur les lipides, explorez cette animation interactive.

Objectifs d'apprentissage

Les lipides sont une classe de macromolécules de nature non polaire et hydrophobe. Les principaux types comprennent les graisses et les huiles, les cires, les phospholipides et les stéroïdes. Les graisses sont une forme d'énergie stockée et sont également appelées triacylglycérols ou triglycérides. Les graisses sont constituées d'acides gras et de glycérol ou de sphingosine. Les acides gras peuvent être insaturés ou saturés, selon la présence ou l'absence de doubles liaisons dans la chaîne hydrocarbonée. Si seules des liaisons simples sont présentes, elles sont appelées acides gras saturés. Les acides gras insaturés peuvent avoir une ou plusieurs doubles liaisons dans la chaîne hydrocarbonée. Les phospholipides constituent la matrice des membranes. Ils ont un squelette de glycérol ou de sphingosine auquel deux chaînes d'acides gras et un groupe contenant du phosphate sont attachés. Les stéroïdes sont une autre classe de lipides. Leur structure de base comporte quatre anneaux de carbone fusionnés. Le cholestérol est un type de stéroïde et est un constituant important de la membrane plasmique, où il aide à maintenir la nature fluide de la membrane. C'est aussi le précurseur des hormones stéroïdes comme la testostérone.

Vérifie ta compréhension

Répondez aux questions ci-dessous pour voir dans quelle mesure vous comprenez les sujets abordés dans la section précédente. Ce petit quiz fait ne pas compte pour votre note dans la classe, et vous pouvez la repasser un nombre illimité de fois.

Utilisez ce quiz pour vérifier votre compréhension et décider si (1) étudier la section précédente plus avant ou (2) passer à la section suivante.


3.4 : Membranes et lipides membranaires

Toutes les cellules vivantes sont entourées d'une membrane cellulaire. Les cellules végétales (Figure (PageIndex<1A>)) et les cellules animales (Figure (PageIndex<1B>)) contiennent un noyau cellulaire qui est également entouré d'une membrane et contient les informations génétiques de la cellule. Tout ce qui se trouve entre la membrane cellulaire et la membrane nucléaire, y compris les fluides intracellulaires et divers composants sous-cellulaires tels que les mitochondries et les ribosomes, est appelé cytoplasme. Les membranes de toutes les cellules ont une structure fondamentalement similaire, mais la fonction membranaire varie énormément d'un organisme à l'autre et même d'une cellule à l'autre au sein d'un même organisme. Cette diversité provient principalement de la présence de différentes protéines et lipides dans la membrane.

Figure (PageIndex<1>): (A) Une cellule végétale idéalisée. Toutes les structures présentées ici n'apparaissent pas dans tous les types de cellules végétales. (B) Une cellule animale idéalisée. Les structures montrées ici seront rarement toutes trouvées dans une seule cellule animale.

Les lipides des membranes cellulaires sont très polaires mais ont une double caractéristique : une partie du lipide est ionique et se dissout donc dans l'eau, tandis que le reste a une structure hydrocarbonée et se dissout donc dans les substances non polaires. Souvent, la partie ionique est appelée hydrophile, ce qui signifie « aime l'eau », et la partie non polaire est hydrophobe, ce qui signifie « la peur de l'eau » (repoussée par l'eau). Lorsqu'on les laisse flotter librement dans l'eau, les lipides polaires se regroupent spontanément dans l'un des trois arrangements suivants : micelles, monocouches et bicouches (Figure (PageIndex<2>)).

Figure (PageIndex<2>) : Structures lipidiques polaires formées spontanément dans l'eau : monocouche, micelle et bicouche

Les micelles sont des agrégats dans lesquels les lipides&rsquo des queues d'hydrocarbures&mdashétant hydrophobes&mdapart dirigés vers le centre de l'assemblage et loin de l'eau environnante tandis que les têtes hydrophiles sont dirigées vers l'extérieur, en contact avec l'eau. Chaque micelle peut contenir des milliers de molécules lipidiques. Les lipides polaires peuvent également former une monocouche, une couche d'une molécule d'épaisseur à la surface de l'eau. Les têtes polaires font face à l'eau et les queues non polaires se dressent dans l'air. Les bicouches sont des doubles couches de lipides disposées de manière à ce que les queues hydrophobes soient prises en sandwich entre une surface interne et une surface externe constituées de têtes hydrophiles. Les têtes hydrophiles sont en contact avec l'eau de part et d'autre de la bicouche, tandis que les queues, séquestrées à l'intérieur de la bicouche, sont empêchées d'avoir un contact avec l'eau. Des bicouches comme celle-ci constituent chaque membrane cellulaire (Figure (PageIndex<3>)).

Figure (PageIndex<3>) : Diagramme schématique d'une membrane cellulaire. La membrane renfermant une cellule animale typique est une bicouche phospholipidique avec des molécules de cholestérol et de protéines intégrées. De courtes chaînes d'oligosaccharides sont attachées à la surface externe.

À l'intérieur de la bicouche, les queues hydrophobes (c'est-à-dire les portions d'acide gras des molécules lipidiques) interagissent au moyen de forces de dispersion. Les interactions sont affaiblies par la présence d'acides gras insaturés. En conséquence, les composants de la membrane sont libres de se moudre dans une certaine mesure, et la membrane est décrite comme fluide.

Les lipides présents dans les membranes cellulaires peuvent être classés de différentes manières. Les phospholipides sont des lipides contenant du phosphore. Les glycolipides sont des lipides contenant du sucre. Ces derniers se trouvent exclusivement sur la surface externe de la membrane cellulaire, agissant comme des marqueurs de surface distinctifs pour la cellule et servant ainsi à la reconnaissance cellulaire et à la communication de cellule à cellule. Les sphingolipides sont des phospholipides ou des glycolipides qui contiennent l'aminoalcool insaturé sphingosine plutôt que le glycérol. Les structures schématiques des lipides membranaires représentatifs sont présentées dans la figure (PageIndex<4>).

Figure (PageIndex<4>): Structures des composants de certains lipides membranaires importants

Phosphoglycérides (également appelés glycérophospholipides) sont les phospholipides les plus abondants dans les membranes cellulaires. Ils se composent d'une unité de glycérol avec des acides gras attachés aux deux premiers atomes de carbone, tandis qu'une unité d'acide phosphorique, estérifiée avec une molécule d'alcool (généralement un alcool aminé, comme dans la partie (a) de la figure (PageIndex<5> )) est attaché au troisième atome de carbone du glycérol (partie (b) de la figure (PageIndex<5>)). Notez que la molécule de phosphoglycéride est identique à un triglycéride jusqu'à l'unité d'acide phosphorique (partie (b) de la figure (PageIndex<5>)).

Figure (PageIndex<5>) : Phosphoglycérides. (a) Les alcools aminés se trouvent couramment dans les phosphoglycérides, qui sont évidents dans sa formule structurelle (b).

Il existe deux types courants de phosphoglycérides. Les phosphoglycérides contenant de l'éthanolamine comme alcool aminé sont appelés phosphatidyléthanolamines ou céphalines. Les céphalines se trouvent dans les tissus cérébraux et les nerfs et jouent également un rôle dans la coagulation du sang. Les phosphoglycérides contenant de la choline comme unité d'alcool aminé sont appelés phosphatidylcholines ou lécithines. Les lécithines sont présentes dans tous les organismes vivants. Comme les céphalines, ce sont des constituants importants du tissu nerveux et cérébral. Les jaunes d'œufs sont particulièrement riches en lécithines. Les lécithines de qualité commerciale isolées du soja sont largement utilisées dans les aliments comme agents émulsifiants. Un agent émulsifiant est utilisé pour stabiliser une émulsion et une dispersion de deux liquides qui ne se mélangent pas normalement, tels que l'huile et l'eau. De nombreux aliments sont des émulsions. Le lait est une émulsion de matière grasse dans l'eau. L'agent émulsifiant dans le lait est une protéine appelée caséine. La mayonnaise est une émulsion d'huile de salade dans de l'eau, stabilisée par les lécithines présentes dans le jaune d'œuf.

Les sphingomyélines, les sphingolipides les plus simples, contiennent chacune un acide gras, un acide phosphorique, de la sphingosine et de la choline (Figure (PageIndex<6>)). Parce qu'ils contiennent de l'acide phosphorique, ils sont également classés comme phospholipides. Les sphingomyélines sont des constituants importants de la gaine de myéline entourant l'axone d'une cellule nerveuse. La sclérose en plaques est l'une des nombreuses maladies résultant d'une lésion de la gaine de myéline.

Figure (PageIndex<6>) : Sphingolipides. (a) La sphingosine, un alcool aminé, se trouve dans tous les sphingolipides. (b) Une sphingomyéline est également connue sous le nom de phospholipide, comme en témoigne l'unité d'acide phosphorique dans sa structure.

La plupart des cellules animales contiennent des sphingolipides appelés cérébrosides (Figure (PageIndex<7>)). Les cérébrosides sont composés de sphingosine, un acide gras, et de galactose ou glucose. Ils ressemblent donc aux sphingomyélines mais ont une unité sucre à la place du groupe phosphate de choline. Les cérébrosides sont des constituants importants des membranes des cellules nerveuses et cérébrales.

Figure (PageIndex<7>) : Cérébrosides. Les cérébrosides sont des sphingolipides qui contiennent une unité de sucre.

Les sphingolipides appelés gangliosides sont plus complexes, contenant généralement une chaîne ramifiée de trois à huit monosaccharides et/ou sucres substitués. En raison de la variation considérable de leurs composants de sucre, environ 130 variétés de gangliosides ont été identifiées. La plupart des processus de reconnaissance et de communication de cellule à cellule (par exemple, les antigènes de groupe sanguin) dépendent des différences dans les séquences de sucres dans ces composés. Les gangliosides sont les plus répandus dans les membranes externes des cellules nerveuses, bien qu'ils soient également présents en plus petites quantités dans les membranes externes de la plupart des autres cellules. Parce que les cérébrosides et les gangliosides contiennent des groupes sucre, ils sont également classés comme glycolipides.


3.3 Lipides

Dans cette section, vous explorerez les questions suivantes :

  • Quels sont les quatre principaux types de lipides ?
  • Quelles sont les fonctions des graisses dans les organismes vivants ?
  • Quelle est la différence entre les acides gras saturés et insaturés ?
  • Quelle est la structure moléculaire des phospholipides et quel est le rôle des phospholipides dans les cellules ?
  • Quelle est la structure de base d'un stéroïde et quels sont les exemples de leurs fonctions ?
  • Comment le cholestérol aide-t-il à maintenir la nature fluide de la membrane plasmique des cellules ?

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Les lipides sont également des sources d'énergie qui alimentent les processus cellulaires. Comme les glucides, les lipides sont composés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, mais ces atomes sont disposés différemment. La plupart des lipides sont apolaires et hydrophobes. Les principaux types comprennent les graisses et les huiles, les cires, les phospholipides et les stéroïdes. Une graisse typique se compose de trois acides gras liés à une molécule de glycérol, formant des triglycérides ou des triacylglycérols. Les acides gras peuvent être saturés ou insaturés, selon la présence ou l'absence de doubles liaisons dans la chaîne hydrocarbonée, un acide gras saturé a le nombre maximum d'atomes d'hydrogène liés au carbone et, donc, uniquement des liaisons simples. En général, les graisses liquides à température ambiante (par exemple, l'huile de canola) ont tendance à être plus insaturées que les graisses solides à température ambiante. Dans l'industrie alimentaire, les huiles sont artificiellement hydrogénées pour les rendre chimiquement plus appropriées pour une utilisation dans les aliments transformés. Au cours de ce processus d'hydrogénation, les doubles liaisons dans la conformation cis de la chaîne hydrocarbonée peuvent être converties en doubles liaisons dans la conformation trans. Malheureusement, il a été démontré que les graisses trans contribuent aux maladies cardiaques. Les phospholipides sont un type spécial de lipides associés aux membranes cellulaires et ont généralement un squelette de glycérol (ou de sphingosine) auquel deux chaînes d'acides gras et un groupe contenant du phosphate sont attachés. En conséquence, les phospholipides sont considérés comme amphipathiques car ils ont à la fois des composants hydrophobes et hydrophiles. (Dans les chapitres 4 et 5, nous explorerons plus en détail comment la nature amphipathique des phospholipides dans les membranes des plasmocytes aide à réguler le passage des substances dans et hors de la cellule.) Bien que les structures moléculaires des stéroïdes diffèrent de celles des triglycérides et des phospholipides, les stéroïdes sont classés parmi les lipides en fonction de leurs propriétés hydrophobes. Le cholestérol est un type de stéroïde présent dans la membrane plasmique des cellules animales. Le cholestérol est également le précurseur des hormones stéroïdes comme la testostérone.

Les informations présentées et les exemples mis en évidence dans la section appuient les concepts décrits dans la grande idée 4 du cadre du programme d'études en biologie AP ® . Les objectifs d'apprentissage énumérés dans le cadre du programme d'études fournissent une base transparente pour le cours de biologie AP ®, une expérience de laboratoire basée sur l'enquête, des activités pédagogiques et des questions d'examen AP ®. Un objectif d'apprentissage fusionne le contenu requis avec une ou plusieurs des sept pratiques scientifiques.

Grande idée 4 Les systèmes biologiques interagissent et ces systèmes et leurs interactions possèdent des propriétés complexes.
Compréhension durable 4.A Les interactions au sein des systèmes biologiques conduisent à des propriétés complexes.
Connaissances essentielles 4.A.1 Les sous-composants des molécules biologiques et leur séquence déterminent les propriétés de cette molécule.
Pratique scientifique 7.1 L'étudiant peut relier des phénomènes et des modèles à des échelles spatiales et temporelles.
Objectif d'apprentissage 4.1 L'étudiant est capable d'expliquer le lien entre la séquence et les sous-composants d'un polymère biologique et ses propriétés.
Connaissances essentielles 4.A.1 Les sous-composants des molécules biologiques et leur séquence déterminent les propriétés de cette molécule.
Pratique scientifique 1.3 L'étudiant peut affiner les représentations et les modèles de phénomènes et de systèmes naturels ou artificiels dans le domaine.
Objectif d'apprentissage 4.2 L'étudiant est capable d'affiner les représentations et les modèles pour expliquer comment les sous-composants d'un polymère biologique et leur séquence déterminent les propriétés de ce polymère.
Connaissances essentielles 4.A.1 Les sous-composants des molécules biologiques et leur séquence déterminent les propriétés de cette molécule.
Pratique scientifique 6.1 L'étudiant peut justifier des réclamations avec des preuves.
Pratique scientifique 6.4 L'étudiant peut faire des déclarations et des prédictions sur des phénomènes naturels sur la base de théories et de modèles scientifiques.
Objectif d'apprentissage 4.3 L'étudiant est capable d'utiliser des modèles pour prédire et justifier que des changements dans les sous-composants d'un polymère biologique affectent la fonctionnalité des molécules.

Soutien aux enseignants

Une idée fausse importante à surmonter pour les étudiants est que les lipides ne sont pas mauvais pour le corps. Ils sont absolument essentiels aux fonctions du corps, y compris pour la croissance et la survie.

Un autre concept à discuter est l'insolubilité des lipides dans l'eau. C'est évident dans la vinaigrette, mais pourquoi cela se produit-il? Si d'autres groupes fonctionnels sont attachés aux lipides, ils peuvent contenir des charges et donner un degré de solubilité au lipide, mais la plupart des lipides n'ont pas de charges à la surface des molécules et ne sont pas solubles dans l'eau, par conséquent, les lipides sont généralement décrit comme étant hydrophobe.

Les lipides insolubles doivent être attachés aux protéines dans le corps pour devenir solubles dans les fluides corporels. Demandez à la classe de rechercher les protéines qui transportent et transportent les lipides. Identifiez leurs contributions à la santé ou à la maladie.

Les questions du défi de la pratique scientifique contiennent des questions de test supplémentaires pour cette section qui vous aideront à vous préparer à l'examen AP. Ces questions portent sur les normes suivantes :
[APLO 2.9] [APLO 2.10] [APLO 2.12] [APLO 2.13][APLO 2.14][APLO 4.14]

Graisses et huiles

Les lipides comprennent un groupe diversifié de composés qui sont en grande partie de nature non polaire. En effet, ce sont des hydrocarbures qui comprennent principalement des liaisons carbone-carbone ou carbone-hydrogène non polaires. Les molécules non polaires sont hydrophobes (« water fearing ») ou insolubles dans l'eau. Les lipides remplissent de nombreuses fonctions différentes dans une cellule. Les cellules stockent de l'énergie pour une utilisation à long terme sous forme de graisses. Les lipides fournissent également une isolation de l'environnement pour les plantes et les animaux (figure 3.13). Par exemple, leur nature hydrophobe et hydrofuge peut aider à garder les oiseaux aquatiques et les mammifères au sec en formant une couche protectrice sur la fourrure ou les plumes. Les lipides sont également les éléments constitutifs de nombreuses hormones et un constituant important de toutes les membranes cellulaires. Les lipides comprennent les graisses, les cires, les phospholipides et les stéroïdes.

Soutien aux enseignants

La différence entre une graisse et une huile est l'état du composé à température ambiante (68°F). Une graisse est une matière solide ou semi-solide et une huile est un liquide à cette température. Les graisses et les huiles sont constituées de glycérol et de deux ou trois chaînes d'acides gras attachées à ses carbones par synthèse de déshydratation. Un acide gras est une chaîne d'atomes de carbone avec des atomes d'hydrogène attachés aux sites de liaison ouverts. Si la chaîne est entièrement saturée d'atomes d'hydrogène, elle est appelée graisse saturée. Cela tend à donner au composé une configuration relativement rigide et l'aide à être un solide. Si l'un des atomes d'hydrogène manque, cela s'appelle une graisse ou une huile insaturée. L'absence d'atomes d'hydrogène le long de la chaîne provoque la formation de doubles liaisons entre les atomes de carbone adjacents, ce qui entraîne une courbure de la chaîne. Cela amène les molécules à repousser d'autres molécules à proximité, empêchant le tassement des chaînes d'acides gras et résultant en un liquide à température ambiante. Les graisses ont tendance à contenir une forte concentration d'acides gras saturés et les huiles ont tendance à contenir plus de chaînes d'acides gras insaturés. Les deux types ont un effet sur la santé une quantité élevée de graisses saturées est nettement moins saine qu'une quantité plus élevée de lipides insaturés. Un gras trans d'exception, un gras insaturé présent dans les aliments transformés. Les gras trans se comportent comme un lipide saturé.

Divisez la classe en trois sections : section 1 : rayon laiterie section 2 : vinaigrettes et section 3 : croustilles. Chaque section visitera le supermarché et identifiera quelles graisses ou huiles sont dans cinq articles de leur catégorie. Ensuite, chaque section préparera un tableau répertoriant ses découvertes et le partagera avec la classe.

Une molécule de graisse est constituée de deux composants principaux : le glycérol et les acides gras. Le glycérol est un composé organique (alcool) avec trois carbones, cinq hydrogènes et trois groupes hydroxyle (OH). Les acides gras ont une longue chaîne d'hydrocarbures auxquels un groupe carboxyle est attaché, d'où le nom "acide gras". Le nombre de carbones dans l'acide gras peut aller de 4 à 36, les plus courants sont ceux contenant 12 à 18 carbones. Dans une molécule de graisse, les acides gras sont attachés à chacun des trois carbones de la molécule de glycérol avec une liaison ester via un atome d'oxygène (Figure 3.14).

Au cours de cette formation de liaison ester, trois molécules d'eau sont libérées. Les trois acides gras du triacylglycérol peuvent être similaires ou différents. Les graisses sont également appelées triacylglycérols ou triglycérides en raison de leur structure chimique. Certains acides gras ont des noms communs qui précisent leur origine. Par exemple, l'acide palmitique, un acide gras saturé, est dérivé du palmier. L'acide arachidique est dérivé de Arachis hypogée, le nom scientifique des arachides ou des arachides.

Les acides gras peuvent être saturés ou insaturés. Dans une chaîne d'acide gras, s'il n'y a que des liaisons simples entre les carbones voisins de la chaîne hydrocarbonée, l'acide gras est dit saturé. Les acides gras saturés sont saturés d'hydrogène, c'est-à-dire que le nombre d'atomes d'hydrogène attachés au squelette carboné est maximisé. L'acide stéarique est un exemple d'acide gras saturé (Figure 3.15)

Lorsque la chaîne hydrocarbonée contient une double liaison, l'acide gras est dit insaturé. L'acide oléique est un exemple d'acide gras insaturé (figure 3.16).

La plupart des graisses insaturées sont liquides à température ambiante et sont appelées huiles. S'il y a une double liaison dans la molécule, alors elle est connue comme une graisse monoinsaturée (par exemple, l'huile d'olive), et s'il y a plus d'une double liaison, alors elle est connue comme une graisse polyinsaturée (par exemple, l'huile de canola).

Lorsqu'un acide gras n'a pas de doubles liaisons, il est appelé acide gras saturé car plus aucun hydrogène ne peut être ajouté aux atomes de carbone de la chaîne. Une graisse peut contenir des acides gras similaires ou différents liés au glycérol. Les acides gras longs et droits avec des liaisons simples ont tendance à se tasser étroitement et sont solides à température ambiante. Les graisses animales contenant de l'acide stéarique et de l'acide palmitique (communes dans la viande) et la graisse contenant de l'acide butyrique (commune dans le beurre) sont des exemples de graisses saturées. Les mammifères stockent les graisses dans des cellules spécialisées appelées adipocytes, où les globules de graisse occupent la majeure partie du volume de la cellule. Chez les plantes, la graisse ou l'huile est stockée dans de nombreuses graines et est utilisée comme source d'énergie pendant le développement des plantules. Les graisses ou huiles insaturées sont généralement d'origine végétale et contiennent cis acides gras insaturés. cis et trans indiquent la configuration de la molécule autour de la double liaison. Si des hydrogènes sont présents dans le même plan, on parle de gras cis si les atomes d'hydrogène sont sur deux plans différents, on parle de gras trans. Les cis la double liaison provoque une courbure ou un « pli » qui empêche les acides gras de se tasser étroitement, les gardant liquides à température ambiante (Figure 3.17). L'huile d'olive, l'huile de maïs, l'huile de canola et l'huile de foie de morue sont des exemples de graisses insaturées. Les graisses insaturées aident à abaisser le taux de cholestérol sanguin tandis que les graisses saturées contribuent à la formation de plaque dans les artères.

Gras trans

Dans l'industrie alimentaire, les huiles sont hydrogénées artificiellement pour les rendre semi-solides et d'une consistance souhaitable pour de nombreux produits alimentaires transformés. En termes simples, l'hydrogène gazeux est mis à barboter à travers les huiles pour les solidifier. Au cours de ce processus d'hydrogénation, les doubles liaisons du cis- la conformation dans la chaîne hydrocarbonée peut être convertie en doubles liaisons dans la conformation trans.

La margarine, certains types de beurre d'arachide et le shortening sont des exemples de gras trans hydrogénés artificiellement. Des études récentes ont montré qu'une augmentation des graisses trans dans l'alimentation humaine peut entraîner une augmentation des niveaux de lipoprotéines de basse densité (LDL), ou «mauvais» cholestérol, qui à son tour peut entraîner un dépôt de plaque dans les artères, entraînant cardiopathie. De nombreux restaurants de restauration rapide ont récemment interdit l'utilisation de gras trans, et les étiquettes des aliments doivent indiquer la teneur en gras trans.

Acides gras oméga

Les acides gras essentiels sont des acides gras nécessaires mais non synthétisés par le corps humain. Par conséquent, ils doivent être complétés par ingestion via l'alimentation. Les acides gras oméga -3 (comme celui illustré à la figure 3.18) entrent dans cette catégorie et sont l'un des deux seuls connus pour l'homme (l'autre étant l'acide gras oméga-6). Ce sont des acides gras polyinsaturés et sont appelés oméga-3 car le troisième carbone de l'extrémité de la chaîne hydrocarbonée est relié à son carbone voisin par une double liaison.

Le carbone le plus éloigné du groupe carboxyle est numéroté comme l'oméga (??) carbone, et si la double liaison se situe entre le troisième et le quatrième carbone à partir de cette extrémité, elle est connue sous le nom d'acide gras oméga-3. Importants sur le plan nutritionnel car le corps ne les fabrique pas, les acides gras oméga-3 comprennent l'acide alpha-linoléique (ALA), l'acide eicosapentaénoïque (EPA) et l'acide docosahexaénoïque (DHA), qui sont tous polyinsaturés. Le saumon, la truite et le thon sont de bonnes sources d'acides gras oméga-3. La recherche indique que les acides gras oméga-3 réduisent le risque de mort subite par crise cardiaque, réduisent les triglycérides dans le sang, abaissent la tension artérielle et préviennent la thrombose en inhibant la coagulation du sang. Ils réduisent également l'inflammation et peuvent aider à réduire le risque de certains cancers chez les animaux.

Comme les glucides, les graisses ont reçu beaucoup de mauvaise publicité. Il est vrai que manger un excès d'aliments frits et autres aliments « gras » entraîne une prise de poids. Cependant, les graisses ont des fonctions importantes. De nombreuses vitamines sont liposolubles et les graisses servent de forme de stockage à long terme des acides gras : une source d'énergie. Ils assurent également l'isolation du corps. Par conséquent, les graisses « saines » en quantités modérées doivent être consommées régulièrement.

Soutien aux enseignants

Cette question est une application de l'objectif d'apprentissage 4.3 et des pratiques scientifiques 6.1 et 6.4 parce que les élèves prédisent comment un changement dans les sous-composants d'une molécule peut affecter les propriétés de la molécule.

Un phospholipide est constitué d'un groupe phosphate lié à un glycérol lié à deux chaînes d'acides gras. L'une des chaînes d'acides gras est saturée et l'autre insaturée. La chaîne saturée est droite, tandis que la chaîne insaturée contient un coude. Les phospholipides constituent les bicouches lipidiques, le composant principal de la plupart des membranes plasmiques et lui confèrent une propriété de type fluide, résultat des queues d'acides gras créant un espace entre les molécules de phospholipides.

Le concept d'une queue d'acide gras courbée contribuant à la fluidité d'une membrane cellulaire peut être difficile à visualiser. Procurez-vous des épingles à linge en bois à l'ancienne. Le bouton en haut devient une molécule de phosphate. Les deux branches des broches deviennent des acides gras. Les deux branches sont rigides, ce sont donc des acides gras saturés. Il n'y a pas d'acides gras insaturés dans cette démonstration. Tenez fermement un certain nombre d'épingles dans votre main et demandez à un élève d'enlever une épingle au centre. They shouldn’t be able to, as you are pressing the prongs of all of the pins together. 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 et 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 . Les 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 (??) 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.

Phospholipides

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).

Les phospholipides sont responsables de la nature dynamique de la membrane plasmique. 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.

Stéroïdes

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. Bien que le cholestérol soit souvent évoqué en termes négatifs par les profanes, il est nécessaire au bon fonctionnement de l'organisme. C'est un composant de la membrane plasmique des cellules animales et se trouve dans la bicouche phospholipidique. Étant la structure la plus externe des cellules animales, la membrane plasmique est responsable du transport des matériaux et de la reconnaissance cellulaire et elle est impliquée dans la communication de cellule à cellule.

Lien vers l'apprentissage

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. [dix]


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 Journal. 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. Cellule cancéreuse. (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. Cellule Mol. 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. Biologie actuelle. 19977(4).
  24. ^ Sarbassov DD, Guertin DA, Ali SM, Sabatini DM. Phosphorylation and Regulation of Akt/PKB by the Rictor-mTOR Complex. Science. 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. Biologie actuelle. 19977(4).
  26. ^ Ebner M, Lučić I, Leonard TA, Yudushkin I. PI(3,4,5)P3 Engagement Restricts Akt Activity to Cellular Membranes. Cellule Mol. 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. Cellule Mol. 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. Cellule Mol. 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. Cellule cancéreuse. (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. La nature. (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. La nature. (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. Cellule de développement. (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 ONE. (2014) 9:e97749. 10.1371/journal.pone.0097749

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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.

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


Informations sur l'auteur

Affiliations

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

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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.


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