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.
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).
