СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БИОМОЛЕКУЛ - А. Е. Земляков - 2017

16. ЛИПИДЫ: ЛИПИДНЫЕ КОМПЛЕКСЫ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

❖ Мицеллы - простейшие агрегаты, образуемые липидами в объемной фазе растворителя. В зависимости от полярности растворителя реализуются мицеллы обычного типа, либо "обращенные" мицеллы.

В воде легко создают мицеллы липиды, имеющие объемную и/или заряженную полярную часть и относительно небольшие углеводородные цепи, например, ганглиозиды или диоктаноилфосфатидилхолин. Одной из движущих сил процесса образования мицелл является стремление системы уменьшить гидрофильно-гидрофобные взаимодействия.

Важное свойство мицелл - способность солюбилизировать (растворять в себе) вещества, которые без мицелл в данной среде нерастворимы. Так мицеллы обычного типа могут включать жирорастворимые вещества, например, витамин А.

❖ Липидные бислои. Не образующие мицеллы липиды в объемной фазе воды агрегатизируются в бимолекулярный слой толщиной 4-5 нм. При этом полярные головки липидов контактируют с водой, а гидрофобные углеводородные «хвосты» образуют малополярный слой. Бислои наиболее характерны для липидов, у которых сравнимы площади сечения полярных и неполярных частей, например, для фосфолипидов.

При низком содержании воды (до 40%) система гомогенна и имеет слоистое (ламеллярное) строение. При увеличении водной фазы образуются замкнутые моно или полиламеллярные структуры - липосомы. Липосомы аналогично мицеллам способны включать в себя различные биологически активные вещества и обеспечивать специальную доставку в клетки.

❖ Молекулярная организация биологических мембран. Еще в первой половине ХХ века было установлено, что биологические мембраны представляют собой комплекс белков и липидов. Было предложен ряд вариантов взаимного распределения этих компонентов в мембране, но они опровергались экспериментальными данными.

В 1972 г. американские исследователи С. Сингер и Г. Николсон предложили «жидкостно-мозаичную» модель биомембран, которая с определенными дополнениями считается в настоящее время общепринятой. По этой модели основу липидной мембраны составляют фосфолипиды и стерины, образующие биомолекулярный слой.

В состав фосфолипидов входят остатки предельных и непредельных карбоновых кислот. Ненасыщенные углеводородные цепи менее плотно прилегают друг к другу, тем самым уменьшается гидрофобное взаимодействие между отдельными фосфолипидными молекулами и, соответственно, увеличивается подвижность липидов.

В липидный бислой погружены белки, часть которых находятся на поверхности мембраны (периферические белки), а другие - интегральные белки, пронизывают липидный слой.

Интегральные белки имеют большие гидрофобные участки и поэтому сильно связаны с липидным окружением. Гидрофильные аминокислоты в основном формируют поверхность, контактирующую с водным окружением.

Взаимодействие белков с липидным окружением, включая стерины и гликолипиды, формирует участки липидной мембраны с меньшей подвижностью - микродомены, которые как льдины плавают по «липидному морю» биомембраны.

Таблица 12. Главные компоненты мембран различных организмов

Многие из интегральных белков выполняют функцию рецепторов или ионных каналов. Ряд мембранных белков обладает свойствами ферментов. Интегральные белки обычно гликозилированы. Олигосахаридные цепи таких гликопротеинов в совокупности с гликолипидами образуют углеводный слой (гликокаликс) на поверхности клетки, например, олигосахаридные детерминанты на поверхности эритроцитов.

В одних участках молекулы липидов легко вращаются вокруг собственной оси и передвигаются по плоскости липидного слоя - латеральная диффузия, а в других липидные компоненты находятся в сильно упорядоченном состоянии.

Ряд белков способны перемещаться по поверхности мембраны, тогда как другие находятся в фиксированном положении за счет взаимодействий с цитоскелетом или внутренними органами клетки. Биологические свойства мембранных белков проявляются обычно именно в комплексе с биомембраной.

Для белков реализуется абсолютная асимметрия расположения на био-мембране. Они всегда ориентированы строго определенным образом. Этому способствует как, рассмотренное выше взаимодействие гидрофобных аминокислот с липидным слоем, так и дополнительная фиксация посредством введения в белок липофильных молекул. Углеводородные «хвосты» таких структур внедряются в липидный бислой и выступают в качестве «липидных якорей».

Для липидов также наблюдается асимметрия на внутреннем и внешнем слоях мембраны - т. е. одни и те же липиды находятся в различных концентрациях.

Такая асимметрия липидов существует, несмотря на то, что в реальных мембранах облегченно происходит «флип-флоп» - перескок липида с внешнего слоя во внутренний и наоборот.

Процессу «флип-флопа» способствуют специальные мембранные белки - флипазы, облегчающие энергетически невыгодный перенос полярной головки липида через гидрофобный слой.

❖ Клеточная стенка микобактерий. У каждого вида клеток поверхность имеет свои особенности. Известно, что бактерии туберкулеза чрезвычайно устойчивы к действию антисептических препаратов, в т. ч. кислот, щелочей, окислителей. Во много это связано с организацией клеточной стенки микобактерий. Липид-белковая мембрана этого рода бактерий покрыта сеткой пептидогликана, к которому по остаткам мурамовой килоты (приблизительно по одному из десяти) присоединены фосфодиэфирной связью (линкер) цепи арабиногалактана. В этом полисахариде галактановый кор связан с арабинофуранозными цепями, содержащими блоки миколевых кислот.

С другой стороны, за счет внедренных в биомембрану липидных «якорей» фосфатидилинозита, связанного с остатком маннозы (PIM), на ней удерживаются цепи липоарабиноманнана (LAM). В качестве липидных «якорей» также участвуют молекулы полипренильных (pPre) производных сахаров. Таким образом, на поверхности клетки формируется мощная углеводная оболочка, которая дополняется капсулярным слоем полисахаридов (глюканы, маннаны).

Высоколипофильные остатки миколевых кислот в свою очередь способны за счет гидрофобных взаимодействий удерживать поверхностные гликолипиды, в т. ч. TDM, а также гидрофобные белки. Так формируется второй липидный слой, отличающийся по строению от фосфолипидного бислоя.

❖ Транспорт через мембраны. Одна из главных функций биомембран - осуществлять избирательный транспорт различных веществ, в том числе ионов. Практически для всех соединений, кроме молекул воды и еще некоторых низкомолекулярных продуктов, свободный транспорт (простая диффузия) через мембрану невозможен. На поверхности клеток существуют специальные структуры - белки-каналы, по которым осуществляется специализированный транспорт веществ. Ранее были рассмотрены ионнотропные рецепторы - ионные-каналы.

Еще одним примером протеинов, участвующих в мембранном транспорте, являются аквапорины. Эти интегральные мембранные белки обеспечивают прохождение в клетку молекул воды, но не пропускают крупные молекулы, а также ионы. Ряд аквапоринов реализуют также транспорт молекул аммиака, углекислого газа, глицерина.

За открытие авапоринов американский профессор П. Агре в 2003 г. удостоен Нобелевской премии по химии.

На модельных мембранах хорошо изучен транспорт ионов с помощью специальных соединений: ионофоров и антибиотиков- каналообразователей.

✵ Ионофоры - специфические молекулы или их ансамбли, которые образуют комплекс с ионами на одной стороне мембраны, в виде такого комплекса переносят их через липидный слой и затем высвобождают ионы. Такие вещества иначе называют «переносчиками».

Наиболее известный «переносчик» - циклический пептид валиномицин. Его структура содержит три блока, состоящих из D- и L-валина и двух гидроксикислот - L-молочной (Lac) и D-2-гидрокси-3-метилбутановой (Hmb).

Размеры внутренней полости соответствуют радиусу ионов калия, который координируется атомами кислорода карбонильных групп сложноэфирных связей. При этом наблюдается высокая селективность по отношению к катиону. Прочность комплекса с ионом калия многократно выше, чем с ионом натрия.

В неполярной среде за счет шести внутримолекулярных водородных связей (С=О…Н-К) молекула принимает конформацию объемной буквы S. При координировании с ионом калия конформация молекулы изменяется, экранируя внутренний ион. В таком виде молекула легко преодолевает липидный слой. В полярной водной фазе молекула принимает «открытую» форму, высвобождая ион К⁺.

✵ Антибиотики-каналообразователи. Ряд пептидных антибиотиков, например, грамицидин А, способны образовывать в бислойной мембране канал, через который могут проходить ионы. Структурно грамицидин А представляет собой линейный пентадекапептид с закрытыми N- и С-концами.

Возможно два типа построения канала: две молекулы образуют антипараллельную двойную спираль, что было показано на моделях в органических растворителях, или две молекулы грамицидина А образуют спираль, стыкуясь «голова к голове». Последний вариант реализуется в липидных мембранах.

В клетках каналы образуются как сложные комплексы из молекул антибиотиков-каналообразователей и стеринов. Такие каналы проницаемы не только для воды, ионов, но даже для небольших нейтральных молекул типа глюкозы.

Контрольные задания

Тест 5 (вариант)

1. Напишите структурную формулу аденозин-5'-трифосфата.

2. Напишите структурную формулу олеиновой кислоты.

3. Определите название данного соединения и к какой группе липидов оно относится.

I. N-олеилсфингозин; II. N-линолеилсфингозин; III. нервон; IV. глобозид; V. холестерилпальмитат; VI. эргостерилпальмитат; VII. фосфатид илхолин; VIII. фосфатидилсерин; IX. фосфатидилинозит; Х. церамидфосфохолин; XI. 1-О-пальмитоил-sn-глицерин; XII. 3-О-пальмитоил-sn-глицерин

А. глицеролипиды; Б. воски; В. стерины; Г. фосфолипиды; Д. сульфолипиды; Е. гликолипиды; Ж. сфинголипиды.

4. Составьте смысловые пары:

А. кодон; Б. экзон; В. интрон; Г. промотор; Д. терминатор.

I. участок ДНК, с которого начинается транскрипция; II. участок ДНК, на котором останавливается транскрипция; III. участок ДНК из трех нуклеотидов; IV. участок гена, кодирующий синтез белка; V. некодирующие участки ДНК.

5. Расставьте буквенные индексы названий веществ и процессов в соответствии с позициями в схеме транскрипции:

А. терминатор; Б. промотор; В. фактор; Г. мРНК; Д. ДНК; Е. ATP, GTP, CTP, TTP; Ж. ATP, GTP, CTP, UTP; З. транскриптаза.

6. Найдите название представленных соединений

1. мирицилпальмитат; 2. холестерин; 3. стигмастерин; 4. эргостерин; 5. сфингозин; 6. тимидин; 7. риботимидин; 8. уридин; 9. псевдоуридин; 10. дезоксицитидин; 11. дезоксиаденозин; 12. дезоксигуанозин.