logo_solinea
Wzmacnia, stabilizuje, porządkuje. Jak działa ektoina?

Wzmacnia, stabilizuje, porządkuje. Jak działa ektoina?

Ektoina może stabilizować cząsteczki biologiczne za pomocą tzw. preferencyjnego wykluczania (preferential exclusion). Według założeń teoretycznych osmolity (np. ektoina) wykazują zdolność do wiązania wody, która prowadzi do oddalenia ich cząsteczek od powierzchni białka i związanego z tym preferencyjnego uwodnienia białka, a jednocześnie zwiększenia jego stabilności. Właściwości ektoiny wpływają na stabilizację białkowo-lipidowych błon komórkowych, zwiększają ich płynność i ruchliwość lipidów (tłuszczów). Co to oznacza w praktyce?

55512fd8429f4530b139b5ca64ebdda5f684fae2

Ochronne działanie ektoiny

Mechanizm stabilizacji cząsteczek biologicznych przez ektoinę wyjaśnia teoria preferencyjnego wykluczania. Według jej założeń ekstremolity są oddalone od powierzchni białek komórkowych, wpływają jednak na wzrost liczby cząsteczek wody, znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie białka. To tzw. preferencyjna hydratacja (uwodnienie), która korzystnie wpływa na stabilność białka (zwiększa ją).

Ektoina wykazuje właściwości kosmotropowe: zdolność wiązania cząsteczek wody i wbudowywania ich w kompleksy.

Wysokie stężenie soli w roztworze wodnym zaburza strukturę wody ciekłej i powoduje unieruchomienie jej cząsteczek, które stają się niedostępne dla makrocząsteczek o charakterze hydrofobowym (np. białek). Jednak dzięki obecności ektoiny (substancji kompensującej) możliwe jest działanie ochronne, polegające na rozbudowie sieci wiązań wodorowych i ponownym uporządkowaniu cząsteczek wody.

Ektoina wzmacnia strukturę cząsteczek wody i spowalnia dyfuzję cząsteczek wody zgromadzonych wokół białka. Kompleksy ektoiny i wody otaczają cząsteczki białek, lipidów i kwasów nukleinowych, tworząc wokół nich ochronny płaszcz wodny. Ochronna otoczka (powstająca w wyniku wiązania wody przez ektoinę) utrzymuje się przez długi czas i zabezpiecza komórki przed dehydratacją (odwodnieniem).

Oprócz tworzenia otoczki hydratacyjnej białek ektoina wywiera korzystny wpływ na stabilność helisy DNA. Chroni kwasy nukleinowe przed uszkodzeniem, hamując szkodliwe działanie reaktywnych form tlenu i zapobiegając uszkodzeniom, które powoduje promieniowanie ultrafioletowe.

Ektoina – działanie na błony komórkowe

Jak wspomnieliśmy, ektoina, dzięki swym właściwościom, powoduje stabilizację białkowo-lipidowych błon komórkowych i zwiększa ich płynność, co może indukować ekspresję wielu genów, np. genów regulujących odpowiedź na stres termiczny. Zrozumienie tego mechanizmu osmoprotekcyjnego wymaga krótkiej powtórki z mikrobiologii.

Błona komórkowa to dwuwarstwa lipidowa (do głównych składników błon biologicznych należą też białka), która oddziela wnętrze komórki od środowiska zewnętrznego, reguluje transport między komórką a środowiskiem zewnętrznym i otacza organella wewnętrzne.

Błonę komórkową opisuje się jako płynną mozaikę, ponieważ cząsteczki lipidów w dwuwarstwie poruszają się w jej obrębie (praktycznie wszystkie składniki błon są w ruchu). Warunki środowiskowe należą do czynników warunkujących mniej lub bardziej dynamiczny charakter błony, która (w efekcie) może przypominać żel lub ciało stałe. Komórka reguluje stopień płynności błon (stosownie do swoich potrzeb), syntetyzując odpowiednie typy cząsteczek.

Dwuwarstwę lipidową tworzą przede wszystkim fosfolipidy – tłuszcze z przyłączoną grupą fosforową. W ich budowie wyróżnia się koniec fosforowy o właściwościach hydrofilowych (tzw. główkę, która wykazuje skłonność do łączenia z wodą) oraz końce hydrofobowe (część hydrofobową – ogon) z powinowactwem do tłuszczów.

afc063a057f0b93bcfe53104e60f3f2bf79ce6c5

Warstwy lipidów w strukturze dwuwarstwowej ułożone są w charakterystyczny sposób: ich hydrofobowe, węglowodorowe łańcuchy skierowane są do wnętrza dwuwarstwy, a części hydrofilowe (główki polarne) kierują się na zewnątrz – znajdują się na powierzchni dwuwarstwy i mają kontakt z wodą. Dlatego dwuwarstwa lipidowa jest barierą, którą trudno pokonać cząsteczkom polarnym (rozpuszczalnym w wodzie).

Stabilizacja struktury dwuwarstwy lipidowej zależy m.in. od tworzenia wiązań wodorowych między główkami polarnymi i cząsteczkami wody. Tutaj na arenę wkracza cząsteczka ektoiny, która (za pomocą wiązań wodorowych) wiąże z jednej strony cząsteczki hydrofilowe, z drugiej – hydrofobowe łańcuchy lipidów błon komórkowych. Ektoina umożliwia zatem wprowadzenie cząsteczek wody między hydrofilowe główki fosfolipidów. W konsekwencji dochodzi do rozszerzenia i uwodnienia błon komórkowych, poprawy ich napięcia i elastyczności.

Dzięki ektoinie na powierzchni błon komórkowych powstaje ochronna otoczka, która zapobiega szkodliwemu wpływowi czynników egzogennych (zewnętrznych)

Literatura:​
  • Bownik A., Stępniewska Z. Ectoine as a promising protective agent in humans and animals. Archives of Industrial Hygiene and Toxicology. 2016; 67 (4): 260–265.
  • Czech L., Hermann L., Stöveken N. et al. Role of the Extremolytes Ectoine and Hydroxyectoine as Stress Protectants and Nutrients: Genetics, Phylogenomics, Biochemistry, and Structural Analysis. Genes. 2018; 9 (4), [dostęp online].
  • Zabłotni A., Dziadosz A. Ekstremofile – mikroorganizmy z przeszłością i z przyszłością. Postępy Mikrobiologii. 2013; 52 (4): 381–395.
  • Eiberweiser A., Nazet A., Kruchinin S.E. et al. Hydration and ion binding of the osmolyte ectoine. Journal of Physical Chemistry B. 2015; 119: 15203–15211.
  • Kuhlmann, A.U., Hoffmann, T., Bursy J. et al. Ectoine and hydroxyectoine as protectants against osmotic and cold stress: Uptake through the SigB-controlled betaine-choline- carnitine transporter-type carrier EctT from Virgibacillus pantothenticus. Journal of Bacteriology. 2011; 193: 4699–4708.
  • Pastor J.M., Salvador M,. Argandona, M. et al. Ectoines in cell stress protection: Uses and biotechnological production. Biotechnology Advances . 2010; 28: 782–801.
  • Gajewski P. (red.). Interna Szczeklika 2018. Wydawnictwo Medycyna Praktyczna, Kraków 2018.
  • Hahn, M.B., Solomun T., Wellhausen R. et al. Influence of the compatible solute ectoine on the local water structure: Implications for the binding of the protein G5P to DNA. Journal of Physical Chemistry B. 2015; 119: 15212–15220.
  • Szabelak A., Schulz M., Bownik A. Efekty oddziaływania ektoiny na zwierzęta i człowieka. Medycyna Weterynaryjna. 2018, Nov 15; DOI: dx.doi.org/10.21521/mw.6162, [dostęp online].
  • Hahn, M.B., Meyer, S., Schröter M.A. et al. DNA protection by ectoine from ionizing radiation: Molecular mechanisms. Physical Chemistry Chemical Physics. 2017; 19: 25717–25722.
  • Jacyszyn K., Nartowski K., Pluta J. et al. Ektoina – naturalny ekstraprotektant pozyskiwany z ekstremofilów. Mechanizm działania i zastosowanie w produktach leczniczych i kosmetycznych. Farmacja Polska. 2014; 70 (6): 305–311.
  • Graf R., Anzali S., Buenger J. et al. The multifunctional role of ectoine as a natural cell protectant. Clinics in Dermatology. 2008; 26 (4): 326–33.
  • Bownik A., Stępniewska Z. Protective effects of ectoine on behavioral, physiological and biochemical parameters of Daphnia magna subjected to hydrogen peroxide.Comparative Biochemistry and Physiology Part C Toxicology & Pharmacology. 2015; 170: 38–49.

PODOBNE WPISY

Solinea

Poznaj nasze produkty

0
0
Twój Koszyk