Классификация, состав и структура липидов мембран
Липиды — обширный класс химических соединений, содержащих алифатические или ароматические углеводородные группы, плохо растворимых в воде в мономерной форме. Липиды подразделяют на 3 класса: нейтральные, амфифильные или дифильные, жирорастворимые витамины.
К нейтральным относятся жиры (ди- и триацил глицериды), воска (смесь длинноцепочечных парафинов, спиртов и эфиров спиртов и жирных кислот), каротиноиды и стероиды. Они хорошо растворимы в неполярных растворителях, таких, как н-алканы и бензол; в обычных условиях не способны к образованию в воде ламеллярных структур. Амфифильные (дифильные) липиды малорастворимы и в неполярных растворителях (н-ал- канах, бензоле, четыреххлористом углероде). При небольших концентрациях они формируют мицеллы и бислойные структуры. К ним относят фосфолипиды и гликолипиды, жирные кислоты и их соли, моноацилглицериды, длинноцепочечные амиды.В состав клеточных мембран прокариотических и эукариотических организмов в основном входят амфифильные фосфо- и гликолипиды, в плазматических мембранах эукариот содержатся в значительных количествах стероиды. Большинство нейтральных липидов присутствует в мембранах в качестве продуктов метаболизма и, по-видимому, слабо влияет на структурнофункциональную организацию клеточных мембран. Жирорастворимые витамины А, Д, Е и К благодаря небольшой полярной группе и протяженной углеводородной части хорошо встраиваются в мембрану, однако их роль в функционировании мембранных структур изучена далеко не полностью. Известно, что витамины группы Е (токоферолы) представляют собой антиоксиданты (глава 3) и тем самым стабилизируют липидный бислой. Фосфолипиды, гликолипиды и стероиды, составляющие основную часть липидного компонента мембран различных организмов, называют структурообразующими (рис. 1).
Рис.
1. Структурные формулы соединений некоторых классов мембранных липидовОбозначения: Gal — галактоза; Glc — глюкоза; NeuNAc — N-ацетил- нейраминовая кислота (сиаловая кислота); GlcNAc — N-ацетилглюкозамин 12
Рис. 2, Структура полярных головок наиболее распространенных глицерофосфолипидов
Фосфолипиды подразделяют на глицерофосфолипиды и сфин- гофосфолипиды (рис. 1, 2). В глицерофосфолипидах две первичные гидроксильные группы глицерина этерифицированы жирными кислотами, а третья ОН-группа образует сложную эфирную связь с фосфорной кислотой:
В положении 2 остатка глицерина находится ненасыщенная жирная кислота. X — спиртовая группа — азотистое (холин, эта- ноламин) или безазотистое (инозит, глицерин) основание, этери- фицированное фосфорной кислотой. Номенклатура глицерофос- фолипидов основана на системе стереоспецифической нумерации (sn-система) и связана с наличием асимметрического атома угле-
рода (хирального центра) в глицериновом остатке, что приводит к появлению L- и D-стереоизомеров:
Углеродный атом на вершине проекции Фишера обозначается С-1, если углеводородная цепь или ОН-группа, присоединенная к С-2, направлены влево. У большинства глицерофосфо- липидов фосфатная группа находится в sn-З-положении глицерина. Производные глицерофосфолипидов, утратившие в результате гидролиза одну из двух ацильных групп, получили название лизоформ или лизофосфолипидов. Глицерофосфолипиды широко представлены в мембранах эу- и прокариотических клеток, за исключением архебактерий. Фосфатидилхолин — основной компонент мембран животных клеток, фосфатидилэтанола- мин часто входит в состав бактериальных мембран. К глицеро- фосфолипидам относятся также кардиолипины — димерные формы фосфолипидов.
В большом количестве они содержатся во внутренней мембране митохондрий, в мембране хлоропластов и некоторых бактериальных мембранах. Глицерофосфолипиды, у которых одна из углеводородных цепей представляет собой виниловый эфир, называются плазмалогенами. Этаноламиновые плазмалогены содержатся в миелине и саркоплазматическом ретикулуме сердца.Сфингофосфолипиды построены на основе длинноцепочечного ненасыщенного аминоспирта сфингозина. Наиболее распространенный сфингофосфолипид плазматических мембран животных клеток (особенно клеток мозга) — сфингомиелин. В мембранах растительных и бактериальных клеток сфингофосфолипиды встречаются редко.
Гликолипиды содержат моно- или олигосахаридный остаток, соединенный с липидной частью гликозидной связью без участия фосфата. Они локализованы, как правило, на наружной поверхности плазматической мембраны и определяют ее антигенные, рецепторные и, возможно, механические свойства. Гликолипиды делятся на цереброзиды и ганглиозиды. Головку молекулы цереброзидов образует полярная гидрофильная углеводная группа, чаще всего галактоза, а неполярная часть представлена остатками сфингозина и этерифицированной жирной кислотой. Это нейтральные липиды, в значительных количествах содержащиеся в миелиновых оболочках нервных стволов. Сульфоэфиры цереброзидов, образованные при участии ОН-группы углеводного компонента, называют сульфоцереброзидами или сульфатида- ми. Ганглиозиды представляют собой сиалогликосфинголипиды, которые включают в свой состав один или несколько остатков сиаловой кислоты (N-ацетилнейраминовой кислоты). Они содержатся преимущественно в мембранах нервных клеток и являются кислыми липидами.
Гликосфинголипиды мембран эритроцитов несут антигены групп крови. В клетках аденокарциномы накапливаются фукози- лированные гликосфинголипиды, которые можно использовать для обнаружения этих клеток и контроля за развитием опухоли.
Стероиды присутствуют во многих мембранах растений, животных, микроорганизмов. Широко распространен среди них холестерин.
Его молекула состоит из четырех колец (гидрофобное ядро), одно из которых соединено с гидроксильной группой, выполняющей роль полярной головки, а пятичленное кольцо связано с разветвленной углеводородной цепочкой из восьми атомов углерода. Холестерин содержится в плазматических мембранах животных клеток (составляет около 30 % массы мембранных липидов), лизосомах, аппарате Гольджи. Нарушение содержания холестерина в тканях может приводить к развитию ряда патологических состояний человека (желчнокаменной болезни, атеросклероза). В высших растениях обнаружены другие стероиды, чаще всего ситостерин и стигмастерин.Как правило, при нейтральных значениях pH молекулы липидов электронейтральны или заряжены отрицательно. Поэтому удобно классифицировать липиды по заряду полярной группы, что особенно важно для изучения функционирования биомембран, так как зарядовое состояние поверхностных участков мембраны влияет на активность мембранных белков-ферментов. В связи с этим выделяют; нейтральные липиды, полярные головки которых не несут заряда (триглицериды, холестерин, цереброзиды); цвиттерионные липиды, в полярных головках которых положительный и отрицательный заряды нейтрализуют друг друга (сфингомиелин, фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин); кислые липиды с отрицательно заряженными головками (фосфа- тидилсерин, фосфатидилглицерин, фосфатидилинозитол, кардио- линин, ганглиозиды).
Жирные кислоты, входящие в состав мембранных липидов, представлены насыщенными — стеариновой (18:0), пальмитиновой (16:0), миристиновой (14:0) и ненасыщенными — олеиновой (18:1), линолевой (18:2), линоленовой (18:3), арахидоновой (20:4) — жирными кислотами. Почти все природные жирные кислоты характеризуются цис-конфигурацией двойных связей. Углеводородная цепь в такой конфигурации имеет излом, что нарушает упаковку липидных молекул в бислое. Огромное разнообразие фосфолипидов и различия в их физико-химических свойствах обусловлены возможностью комбинирования полярных головок с различными кислотами.
Лизоформы липидов, имеющие одну углеводородную цепь, при высоких концентрациях действуют подобно детергентам и способны разрушать клеточные мембраны. Примером является лизолецитин (1- или 2-ацилглицерофосфо- холин), образующийся из фосфатидилхолина (лецитина) под действием фосфолипаз Aj и А2, В его присутствии происходит распад клеточных мембран, что может служить одной из причин смерти при укусе змей. В молекулах одноцепочечных диольных липидов вместо глицерина содержатся более простые спирты — этиленгликоль или пропандиол. Предполагают, что они способны выполнять регуляторную роль в функционировании биомембран. Синтез этих липидов резко усиливается в случае возрастания функциональной активности клеток (например, в созревающих семенах и клетках регенерирующих тканей).Общее содержание липидов в биомембранах варьирует от нескольких процентов у прокариот (например, 6—9 % у Bacillus mega- terium) до 60—80 % в мембранах миелина эукариот. В среднем липиды составляют 15—50 % от сухой массы мембраны (табл. 1). Причем среди них преобладают амфифильные фосфолипиды. Одним из основных структурообразующих липидов на всех уровнях биологической организации является фосфатидилэтаноламин.
В состав липидов бактерий в значительных количествах входят фосфатидилэтаноламин, фосфатидилглицерин, кардиолипин, а в небольших — фосфатидная кислота, фосфатидилинозитол, фосфатидилсерин, фосфатидилхолин. К специфическим “бактериальным” липидам относят аминоацилфосфолипиды у грампо-
Таблица 1
| Вид мембраны | Общие липиды, % от сухой массы | Фосфолипиды, % от сухой массы | Стероиды, % от общих липидов |
| Плазматическая: | |||
| печени крысы | 50,0 | 67,5 | 13 |
| скелетной мышцы кролика | 15,8 | 48,5 | 32,5 |
| аксона мозга быка | 13,6 | 52,2 | 20,1 |
| синаптосом мозга крысы | 50 | 71 | 16 |
| эритроцита кролика | 40 | 65,8 | 28,9 |
| амебы A. castellani | 42 | 59 | 29 |
| бактерии Е. coli | 45,3 | 96 | — |
| Внутренняя мембрана мито- | |||
| хондрий печени крысы | 17 | 87 | 1,5 |
| Саркоплазматический ретикулум скелетной мышцы | |||
| кролика | 25 | 90 | 10 |
| Фоторецепторная мембрана | |||
| сетчатки кальмара | 25 | 74 | 17 |
Содержание липидов в различных мембранах
ложительных бактерий, липид А липополисахарида — у грамот- рицательных и “гибридные” фосфогликолипиды — у микоплазм и молочнокислых бактерий.
Особенностью липидного состава эукариотических клеток является наличие фосфатидилхолина и стероидов. Фосфатидилхолин обладает исключительной способностью существовать в виде бимолекулярных слоев в широком диапазоне ионных концентраций и температур. Кроме того, он формирует стабильные ламеллярные структуры при смешивании с другими липидами, которые не могут образовывать бислои при данных условиях. В мембранах эукариот суммарное содержание цвиттерионных липидов (фосфатидилхолин + фосфатидилэтаноламин ■+■ сфингомиелин) составляет 75—90 % от общего количества фосфолипидов (табл. 2).
Мембраны вирусов содержат практически те же классы липидов, что и мембраны клетки-хозяина, однако их соотношение может быть другим. В состав вирусных фосфолипидов входит значительно больше насыщенных жирнокислотных остатков, чем
Таблица 2
| Тип мембраны | Содержание фосфолипидов, мол. % от суммы | Содержание ХС, моль/моль ФЛ | ||||||
| ФХ | ФЭ | СМ | ФС | КЛ | ФИ | лизо- формы | ||
| Плазматическая | 39 | 23 | 16 | 9 | 1 | 8 | 2,3 | 0,37 |
| Митохондриальная | 40 | 34 | — | 1 | 17 | 7 | 1 | 0,03 |
| Ядерная | 44 | 3 | 16 | 4 | 1 | 6 | 1 | — |
| Аппарат Гольджи | S0 | 20 | 8 | 6 | 1 | 12 | 3 | 0,21 |
| Саркоплазматический ретикулум | 68 | 16 | 8 | 3 | 2 | — | 3 | 0,21 |
Обозначения: ФЛ — фосфолипиды, ФХ — фосфатидилхолин, ФЭ — фосфатидилэтаноламин, СМ — сфингомиелин, ФС — фосфатидилсерин, КЛ — кардиолипин, ФИ — фосфатидилинозитол, ХС — холестерин.
Липидный состав мембран высших животных
в состав липидов клеток хозяина, в основном, за счет высокого содержания сфингомиелина. Кроме того, молярное отношение хо- лестерин/фосфолипид в вирусных мембранах обычно близко к единице, а в клетках хозяина составляет 0,2—0,4. Эти особенности липидного состава вирусов обеспечивают плотную упаковку липидных молекул и способствуют более эффективной защите вирусных частиц.
Липидный состав клеточных мембран, скорость обмена мембранных липидов существенно изменяются в ходе развития и трансформации клеток. Изменения в функционировании мембран, происходящие на разных этапах развития клеток, обусловливают изменения в относительном содержании липидов, вязкости углеводородной части бислоя. Так, например, в растущих и делящихся клетках содержится больше ненасыщенных жирных кислот и липидов в целом. При созревании эритроцитов по мере уменьшения функциональной активности их мембран происходит возрастание микровязкости последних. Увеличение вязкости углеводородной части мембран может происходить за счет повышения содержания холестерина. Акклиматизация различных организмов к холоду неизменно связана с увеличением степени ненасыщенности жирнокислотных остатков фосфолипидов, что находит отражение в повышении содержания полиненасыщенных жирных кислот. Фосфолипидный состав мембран изменяется также в зависимости от сезона и режима питания живых организмов.
1.1.2.