Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Биомембраны
Особенности организации мембранных липидов

В биомембранах присутствует несколько основных классов липидов: фосфоглицеролипиды, фосфосфинголипиды, гликоглицеролипиды, гликосфинголипиды, стеролы. Разнообразие представителей этих классов огромно: в любой конкретной мембране может содержаться до ста разных типов ли­пидных молекул, что, очевидно, связано с разнообразием их функций. Одна­ко основной функцией липидов в биомембранах служит структурная — липиды формируют двухслойный матрикс, в котором находятся белковые молекулы.

Фосфоглицеролипиды. Этот класс липидов в количественном отношении преобладает в большинстве биологических мембран. Наибольшее распро­странение получили следующие фосфоглицеролипиды: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, дифосфатидилглицерол (кардиолипин). Основу молекул фосфоглицеролипидов представляет трехатомный спирт глицерол. Две его гидроксильные группы этерифицированы двумя ос­татками жирных кислот, а третья — остатком фосфорной кислоты. Образованная в результате молекула представляет собой основной предшественник всех фосфоглицеролипидов — фосфатидную кислоту (рис. 4.1).

В клетке присутствует небольшое количество фосфатидата, поскольку он является ключевым промежуточным соединением для синтеза всех фосфоацилглицеролов. По­следние образуются в ходе реакции этерификации фосфатной группы гидроксильной группой одного из спиртов. На рис. 4.1 представлены структурные формулы наиболее часто встречающихся в мембранах полярных спиртов, а также структура одного из фосфоглицеролипидов — фосфатидилхолина (лецитина).

Рис. 4.1. Строение молекул фосфоглицеролипидов и их структурных компо­нентов. R₁ и R₂ — остатки углеводородных цепей жирных кислот

Жирные кислоты в составе фосфолипидов почти всегда содержат четное число атомов углерода (от 14 до 24). Среди них наиболее распространены следующие: пальмитиновая (16:0), пальмитолеиновая (16:1 ∆9), стеариновая (18:0), олеиновая (18:1 Д9), линолевая (18:2 ∆9,12), у-линоленовая (18:3 ∆6,9,12), a-линоленовая (18:3 ∆9,12,15), арахиновая (20:0), арахидоновая (20:4 ∆5,8,11,14). В скобках указано число атомов углерода: число двой­ных связей, число атомов углерода (∆) от карбоксильной группы до двойной связи.

Фосфоглицеролипиды выполняют в мембранах структурную функцию. Фосфатидилхолин служит основным компонентом мембран животных кле­ток, фосфатидилэтаноламин чаще встречается в мембранах бактерий. Это сильно амфифильные молекулы, поскольку содержат в структуре две неравнозначные по свойствам группировки: полярную гидрофильную головку и неполярный гидрофобный хвост (рис. 4.1).

Фосфосфинголипиды. Это также сильно амфифильные молекулы. Они образованы на основе аминоспирта сфингозина, который имеет длинную негидролизуемую ненасыщенную углеводородную цепь (рис. 4.2). Первич­ным сфинголипидом, из которого образуются все классы неглицероловых липидов, является церамид (рис. 4.2). Он формируется в результате присое­динения жирной (чаще моноеновой) кислоты к центральной аминогруппе сфингозина с образованием амидной связи.

Фосфосфинголипиды представляют собой церамиды, у которых остав­шаяся спиртовая группа этерифицирована фосфатным производным (фосфорилхолином, фосфорилэтаноламином, фосфорилинозитолом, фосфорилглицеролом). Церамид, этерифицированный фосфорилхолином называется сфингомиелином (рис. 4.2). Сфингомиелин преобладает в мембранах животных клеток, выполняя там в основном структурную функ­цию.

Рис. 4.2. Структурные компоненты и строение молекул фосфосфинголипидов на примере сфингомиелина (церамид-1-фосфорилхолина)

Гликоглицеролипиды. Представляют собой полярные липиды, построен­ные на основе глицерола, у которого гидроксил у третьего атома углерода участвует в образовании гликозидной связи с каким-либо углеводом. Роль углеводных единиц чаще выполняют остатки галактозы или 6-сульфо-6-дезокси-а-D-глюкопиранозил, при этом образуются, соответственно, моногалактозилдиацилглицерол и сульфолипид (рис. 4.3). Гидроксилы двух осталь­ных атомов углерода в гликоглицеролипидах так же, как в фосфоглицеролипидах, этерифицированы жирными кислотами. Моногалактозилдиацилглицерол считается самым распространенным в природе полярным липидом, по­скольку на его долю приходится до половины всех липидов тилакоидных мембран хлоропластов. Гликоглицеролипиды выполняют в основном рецеп­торную функцию.

Гликосфинголипиды. Молекулы этих липидов построены на основе церамида, к концевой гидроксильной группе которого с помощью гликозидной связи присоединяются моно- либо олигосахариды. Те гликосфинголипиды, у которых углеводная часть представлена моносахаридами, носят название цереброзиды. Цереброзиды присутствуют в высоких концентрациях в мозге и нервных тканях млекопитающих. В частности, галактоцереброзид (рис. 4.4) является основным компонентом миелиновой оболочки нервного волокна.

Сфинголипиды, у которых углеводная часть представлена коротким ки­слотным, как правило, разветвленным олигосахаридом, называются ганглиозидами. Кислотность этого класса гликолипидов обусловлена присутст­вием в них в качестве ветвей углеводной цепи моносахарида нейраминовой кислоты или ее N-ацетил-производного (рис. 4.4).

Гликосфинголипиды участвуют в регуляции клеточного метаболизма, в частности играют роль в регуляции роста клеток. Кроме того, гликолипиды данного класса можно считать молекулами-медиаторами: они выполняют сигнальные функции, воспринимая и передавая сигналы. Гликосфинголипиды мембран эритроцитов несут антигены группы крови.

Рис. 4.3. Структура некоторых гликоглицеролипидов. R₁ и R₂ — углеводородные цепи жирных кислот

Рис. 4.4. Компоненты и структурные формулы некоторых липидов

Стеролы (стероидные спирты). Эти вещества относят к простым («не­омыляемым») липидам, не содержащим жирных кислот. Все стеролы содер­жат ß-гидроксильную группу при С-3, одну или несколько двойных связей в кольце В и не содержат карбоксильные и карбонильные группы. Эти липиды присутствуют во многих мембранах растений, животных и микроорганизмов, выполняя различные функции: структурную, регуляторов текучести мембран, предшественников витаминов и гормонов у растений и животных и др. Наиболее распространенным стеролом мембран животных и многих бактерий является холестерол (рис. 4.4). Это слабо амфифильная молекула. Она включает жесткое гидрофобное полициклическое ядро и полярную головку, представленную гидро­ксильной группой.

Жесткость полициклического кольца холестерола сообщает мембранам специфические свойства, стабилизируя их текучесть. Холестерол у животных и человека выполняет роль предшественника всех стероидных гормонов и витамина D, является компонентом желчных кислот, облегчающих всасыва­ние жирных кислот в кишечнике. В некоторых мембранах, например, эрит­роцитов млекопитающих он составляет 40—60% всех липидов. В клетках растений, водорослей, мицелиальных грибов и дрожжей образуется множест­во родственных холестеролу соединений: эргостерол, ß-ситостерол, стигма­стерол и др.