Мембранные липиды 4.1.1. фосфолипиды, гликолипиды, стероиды

Липиды клеточных структур эукариотических клеток представ- лены 3 основными группами: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. Распространение и свойства фосфолипидов изучены наибо- лее детально. Фосфолипиды подразделяются на 2 группы: глицерофосфолипиды (производные фосфатидной кислоты – фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит) и сфингофосфолипиды (производные церамида, сфингомиелины). Глицерофосфолипиды представляют собой производные фосфатидной кислоты, к гидроксилу фосфорной кислоты которой сложноэфирной связью присоединен радикал Х (рис. 4., табл. 1), где R1 и R2 – ацильные остатки жирных кислот, содержащих от 12 до 18 атомов углерода (как правило, четное количество). 19 В названия фосфолипи- дов, потерявших одну из двух ацильных цепей, вво- дится приставка «лизо». Ли- зофосфолипиды обнаружи- ваются в мембранах в не- больших количествах – по- явление этих веществ приво- дит к нарушению структуры бислоя и лизису клеток. Таблица 1. Классификация фосфолипидов осуществляется по структуре полярных радикалов Радикал 1,2-диацилфосфатидной кислоты, Х Фосфолипид фосфатидная кислота фосфатидилхолин (лецитин) фосфатидилэтаноламин (кефалин) фосфатидилсерин фосфатидилтреонин фосфатидилглицерин фосфатидилинозитол Рис. 4. Схематическое строение молекул фосфолипидов 20 Характеристика липидного состава некоторых мембран живот- ных представлена ниже (табл. 2). Видно, что основными липидами мембран животных клеток яв- ляются глицерофосфолипиды: фосфатидилхолин и фосфатидилэ- таноламин. Структура фосфатидилхолина представлена на рис 5. Наиболее часто встречающиеся фосфолипиды построены по единому плану, их молекулы стерически хорошо соответствуют друг другу. В то же время, огромное разнообразие фосфолипидов обеспечивается различием жирных кислот, которые входят в со- став их молекул. Так, есть несколько десятков природных видов фосфатидилхолина, причем диолеилфосфатидилхолин сильно отличается по своим свойствам от дипальмитоилфосфатидилхолина. Таблица 2. Липидный состав некоторых биологических мембран (в % от общего их количества) Липид Эритроциты человека Миелин человека Митохондрии сердца быка Е. coli Фосфатидная кислота 1,5 0,5 0,0 0 Фосфатидилхолин 19,0 10,0 39,0 0 Фосфатидилэтаноламин 18,0 20,0 27,0. 66 Фосфатидилглицерол 0,0 0,0 0,0 18 Фосфатидилинозит 1,0 1,0 7,0 0 Фосфатидилсерин 8,5 8,5 0,5 0 Кардиолипин 0,0 0,0 22,5 12 Сфингомиелин 17,5 8,5 0,0 0 Гликолипиды 10,0 26,0 0,0 0 Холестерол 25,0 26,0 3,0 0 Существует несколько групп фосфолипидов, отличающихся от приведенных в таблице 1 по своему строению: 1) плазмалогены, 2) диольные фосфолипиды и 3) дифосфатидилглицериды. В молекуле плазмалогена первый углерод глицерина (С1) вместо ацильной группы присоединяет альдегид (рис. 4). Радикал Х в плазмалогенах мышц представлен холином, в плазмалогенах мозга – серином или этаноламином. 21 Диольные фосфолипиды характеризуются тем, что вместо глицерина в составе их молекул содержатся двухатомные спирты: эти- ленгликоль или пропанди- ол; это одноцепочечные липиды. По физико-химическим свойствам, например растворимости, диольные фосфолипиды напоминают лизоформы фосфолипидов. В отношении клеточных мембран они обладают бо- лее сильной разрушающей способностью, чем лизолецитин. В малых дозах они не повреждают мембрану, а лишь изменяют ее свойства, например, повышают проницаемость для небольших молекул и ионов. В больших дозах они вызывают гемолиз эритроцитов, снижают рецепцию ацетилхолина, модифицируют иммунные реакции. По-видимому, некоторые клетки используют это свойство – начинают интенсивно синтезировать диольные липиды в период быстрого роста и прекращают их образование, когда клеточный рост замедляется. Возможно, это связано с тем, что в период роста клеток их мембраны должны быть более лабильными. Они присутствуют в виде незначительных примесей в органах и тканях, характеризующихся усиленной активностью (созревание семян, регенерация пече- ни и т.д.). Биологическое действие диольных фосфолипидов основано на их способности модифицировать структуру мембраны. Любопытно, что существуют организмы, которым не страшны высокие концентрации диольных липидов. Клетки морских звезд, например, Рис. 5. Строение фосфатидилхолина А – структурная формула, Б – стереоконфигурация молекулы в пространстве; 1 – полярная голова, 2 – цепи жирных кислот. Жирно- кислотный радикал во втором положении представлен цис-формой. 22 могут накапливать очень много диолов без вреда для их собственных мем- бран, хотя механизм защиты клеточных мембран от этих соединений не известен. Дифосфатидилглицериды – наиболее широко распространенным представителем этой группы фосфо- липидов является кардиолипин – непременный компонент митохондриальных мембран, выделенный первоначально из сердечной мышцы (рис. 6). Как упоминалось выше, кроме гли- церофосфолипидов в группу фосфолипидов входят и сфинголипиды, которые можно представить как производ- ные церамида (жирнокислотного эфи- ра ненасыщенного аминоспирта сфингозина) и монофосфорных эфиров спиртов. В случае наиболее распро- страненного сфинголипида – сфингомиелина таким эфиром является фос- форилхолин (рис. 7). Сфингомиелин содержится в больших количествах в белом веществе мозга, в миелиновых оболочках нервных стволов. Жирные кислоты, входящие в его состав, – длинноцепочечные и содержат мало двойных связей. Обычно это лигноцериновая С24:0 и невроновая С24:1 кислоты. В сером веществе мозга до 70% жирных кислот сфингомиели- на представлено стеариновой кислотой С 18:0. Гликолипиды клеточных мембран - гликозильные произ- водные церамида, представлены цереброзидами, сульфатидами и ганглиозидами (рис. 8). В гликолипидах гидрофобная часть представлена церамидом. Гидрофильная группа – углеводный остаток, присоединенный гликозидной связью к гидроксиль- Рис. 6. Структурная формула кардиолипина 23 ной группе у первого угле- родного атома церамида (рис. 9). В зависимости от длины и строения углеводной части различают цереброзиды, со- держащие моно- или олиго- сахаридный остаток, и ганг- лиозиды, к ОН-группе кото- рых присоединен сложный, разветвленный олигосахарид, N-ацетилнейраминовую ки- слоту (рис. 8). Гликолипиды в большом количестве присутствуют в мембранах миелина. Природ- ной функцией мембранных ганглиозидов является участие в дифференцировке нейрональ- ной ткани, ганглиозиды других клеток - лимфоцитов, опреде- ляют видоспецифичность и ре- гулируют межклеточные кон- такты. Накапливается все больше фактов, характеризующих роль различных гликолипидов в функции иммунокомпетентной системы организма. При определенных состояниях организма не- которые ганглиозиды могут являться модуляторами иммунного от- вета. Стероиды – спирты со стерановым скелетом, к которым от- носятся как немембранные липиды (из них наиболее важны гор- моны), так и компоненты мембран. В перечень мембранных компонентов стероидного ряда входят холестерин, ситостерин, тетрахименин. В тканях животных распространен холестерин. Рис. 7. Структура сфингомиелина (церамидфосфорилхолина) Пунктиром обведена сфингозиновая группировка. 24 В растительных клетках холестерин не обнаружен, его заменяют фитостери- ны. У бактерий стероиды отсутствуют. Холестерин и его эфиры – непременные составляющие плазматических мембран клеток животных. При этом холестерин легче встраивается в мембрану, чем его эфиры (рис. 10). Молекула холестерина не содержит длинных прямых цепочек, а состоит из четырех колец; крайнее шестичленное кольцо со- единено с полярной гидро- ксильной группой (ОН), а наиболее отдаленное от него пятичленное кольцо – с разветвленной углеводородной цепочкой из вось- ми атомов углерода (рис. 10). Таким образом, молекулы холестерина, как и другие липидные молекулы, имеют полярную голову и вытянутую в длину неполярную часть. Поэтому они хорошо встраиваются в бислойные липид- ные структуры, образующие клеточные мембраны (рис. 10). При образовании эфиров холестерина (через гидроксильную группу) связь молекулы с бислоем ослабляется, что облегчает его вытеснение из мембраны. Особенно много холестерола содержится в наружных мембранах. Например, в плазматической мембране клеток печени холе- стерин составляет около 30% всех мембранных липидов. Рис. 8. Гликолипиды – цереброзиды и ганглиозиды Gal – галактоза, Glc – глюкоза, NANA – N-ацетилнейраминовая 25 4.1.2. РОЛЬ ХОЛЕСТЕРИНА В БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАНАХ Было показано, что холестерин влияет на подвижность жирно- кислотных хвостов мембранных липидов. Если мембрана слишком ригидна и существует опасность «застывания» жирнокислотных цепей, холестерин вызывает ее разжижение, поскольку цепи в его присутствии становятся более подвижными. Если же мембрана слишком «жидкая», то холестерин ее уплотняет. Таким образом, холестерол играет роль регулятора, обеспечивающего правильную упаковку липидной части мембраны, необходимую для ее нор- мальной работы. Для мутантных клеток, которые не могут синте- зировать холестерол, необходимо его присутствие в культураль- ной среде. В его отсутствии мембраны быстро разрушаются. Рис. 9. Структура гликолипидов – цереброзида (А) и цереброзидсульфата (Б) Пунктиром обведены радикалы сфингозина и церамида. 26 Один из возможных способов взаимной укладки молекул фос- фолипида и холестерина показан на рис. 11. Предполагается, что неполярные цепи молекулы лецитина вытянуты, а ее полярная го- ловка изгибается так, что образуется фигура, напоминающая трость. В образующуюся при этом полость помещается молекула холестерина. Некоторые исследователи оспаривают обоснован- ность этой модели и полагают, что молекулы холестерина плавают в мембране более или менее свободно, или что в мембранах име- ются островки, представляющие собой мультимолекулярные ком- плексы холестерина с липидами. Рис. 10. Структурная формула холестерина (А), и его упаковка в бислое (Б) Звездочкой отмечен гидроксил, используемый для образования эфиров холестерина. I – область полярных голов; II – область, упорядочиваемая холестерином; III – область более подвижных цепей. 27 Какова же природа уплот- няющего действия холесте- рина? Обычно углеводородные хвосты фосфолипидов распо- лагаются не перпендикулярно к плоскости мембраны, а под некоторым углом. В присутст- вии холестерина наклон хво- стов становится меньше. Каж- дая молекула лецитина зани- мает в присутствии холесте- рина меньшую площадь на поверхности мембраны, в ре- зультате чего происходит ее уплотнение. В организм человека хо- лестерин поступает с пищей и всасывается в кишечнике (300-500 мг/сут). Кроме то- го, в дополнение к потреб- ляемому с пищей в печени синтезируется 700-1000 мг/сут холестерина. В про- цессе обмена холестерина возникает возможность образования ряда важных биохимиче- ских соединений: витаминов группы D, половых гормонов, минералокортикоидов (альдостерона), глюкокортикоида кор- тизола, противовоспалительного фактора кортизона. Обмен холестерола в организме связан с образованием и взаимопре- вращениями целого ряда биологически активных веществ, в частности, желчных кислот. Распад холестерина приводит к образованию желчных кислот: холевой, таурохолевой, и гли- кохолевой. Изменение содержания холестерина в органах и тканях может привести к тяжелым заболеваниям. При желчно- каменной болезни в желчном пузыре и печени образуются Рис. 11. Один из возможных способов взаимной укладки фосфолипида и холестерина в бислойной липидной мембране 28 отложения холестерина – камни. При атеросклерозе повыша- ется содержание холестерина в крови. Он аккумулируется на мембранах гладкомышечных стенок сосудов, вызывая суже- ние их просвета или даже закупорку. Липидный состав различных мембран у различных животных существенно отличается (рис. 12). В субклеточных фракциях преобладают ФХ и ФЭ, а в цитоплаз- матических – холестерин. Наблюдаются также различия индивиду- альные (между отдельными особями) и сезонные (связанные со сдвигами в липидном обмене). При сравнении липидного состава мембран разного происхождения следует принимать во внимание лишь выраженные различия. Рис. 12. Липидный состав цитоплазматических (А) и субклеточных (Б) мембран крысы (I), овцы (II) и быка (III) Фх – фосфатитилхолин, Фэ – фосфатидилэтаноламин, Фи – фосфати- дилинозит, Фс – фосфатидилсерин, См – сфингомиелин, Х – холестерол. 29 Помимо того, что липиды являются основным структурным компонентом мембран, они выполняют и другие клеточные функ- ции. Они входят в состав внутриядерных структур, таких как хро- мосомы, хроматин, ДНК-мембранный комплекс и ядерный мат- рикс. Они также принимают участие в регуляции репликации, ре- парации и транскрипции ДНК за счет изменения активности фер- ментов, принимающих участие в процессах биосинтеза нуклеино- вых кислот. Фосфолипиды ядерного матрикса, в основном, состоят из сфингомиелина и фосфатидилхолина. В регенерирующей пече- ни крыс сфингомиелин принимает участие в регуляции синтеза ДНК на ядерном матриксе. Особенности липидного состава бактерий часто используют для их классификации. Деление их на грам-отрицательные и грам- положительные основано на отсутствии или наличии окраски по Граму генцианфиолетовым в соответствии с наличием или отсут- ствием в составе клеточной стенки пептидогликанов и тейхоевых кислот. Особенностями строения бактериальной оболочки объяс- няется и тот факт, что на грам-положительные бактерии действует пенициллин, а на грам-отрицательные – стрептомицин.