Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Липиды и мембраны
Краткое содержание главы

Липиды - это жироподобные, нерастворимые в воде компоненты клеток, экстрагируемые неполярными растворителями. Одни липиды служат структурными компонентами мембран, другие представляют собой форму запасания клеточного «топлива». Жирные кислоты - гидрофобные компоненты липидов - обычно содержат четное число атомов углерода, чаще всего 16 или 18. Жирные кислоты могут быть насыщенными или ненасыщенными, причем ненасыщенные имеют цис-конфигурацию. У большинства ненасыщенных жирных кислот одна двойная связь находится в ∆⁹-положении. Натриевые или калиевые соли жирных кислот называются мылами. Молекулы триацилглицеролов содержат три молекулы жирных кислот, которые образуют сложно-эфирные связи с тремя гидроксильными группами глицерола. Простые триацилглицеролы содержат жирные кислоты только одного типа, а смешанные - по крайней мере двух разных типов. Триацилглицеролы служат главным образом формой накопления жиров в организме.

Полярные липиды, состоящие из полярных голов и неполярных углеводородных хвостов, являются основными компонентами мембран. Из всех полярных липидов наиболее широко распространены фосфоглицериды. Фосфоглицериды содержат две молекулы жирных кислот, образующие сложно-эфирные связи с двумя свободными гидроксильными группами глицерол-3-фосфата, и еще одну молекулу спирта, гидроксильная группа которого этерифицирована фосфорной кислотой. Этот остаток спирта представляет собой полярную голову всей молекулы фосфоглицерида. Фосфоглицериды отличаются друг от друга строением полярных голов. Наиболее распространенные фосфоглицериды - фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин. При pH, близких к 7, полярные головы фосфоглицеридов несут отрицательный заряд. У других мембранных липидов, а именно у сфинголипидов, основой структуры служит не глицерол, а сфингозин. Такой сфинголипид, как сфингомиелин, содержит кроме фосфорной кислоты и холина две длинные углеводородные цепи, одна из которых образована жирной кислотой, а вторая - сфингозином, длинноцепочечным алифатическим аминоспиртом. Относящийся к стеролам холестерол играет роль предшественника в биосинтезе многих стероидов и служит важным компонентом плазматических мембран клеток.

Все полярные липиды содержат полярные или заряженные головы и неполярные углеводородные хвосты; они самопроизвольно образуют мицеллы, монослои и бислои, стабилизированные за счет гидрофобных взаимодействий. Полярные липидные бислои составляют структурную основу клеточных мембран; в мембраны включены также многочисленные белки, одни из которых (внешние белки) находятся на поверхности, а другие (внутренние белки) - внутри мембран. Наружная и внутренняя поверхности мебран неидентичны, причем на наружной поверхности располагаются гидрофильные олигосахаридные группы гликопротеинов и гликолипидов. Некоторые из этих олигосахаридных групп играют важную роль в процессах узнавания клетками друг друга и адгезии, а также определяют тканевую специфичность и входят в состав рецепторных участков для гормонов.

ЛИТЕРАТУРА

Книги

Ansell G.B., Hawthorne J.N., Dawson R.M. С. Form and Function of the Phospholipids, 2d ed., Elsevier, New York, 1973. Всестороннее обсуждение предмета.

Gurr A. L., James A. T. Lipid Biochemistry: An Introduction, 3d ed., Methuen, New York, 1980.

Hanson J.R. Introduction to Steroid Chemistry, Pergamon, New York, 1968. Краткая сводка данных.

Harrison R., Lunt G.G. Biological Membranes, Their Structure and Function, 2d ed., Halsted, New York, 1980. Прекрасная книга, написанная на современном уровне. Множество превосходных иллюстраций.

Weissmann G., Claiborne R. (eds.). Cell Membranes: Biochemistry, Cell Biology, and Pathology, H.P. Publishing Co., New York, 1975. Интересный и хорошо иллюстрированный обзор.

Статьи

Benson A. A., Lee R.F. The Role of Wax in Oceanic Food Chains, Sei. Am., 232, 77-86, March (1975).

Capaldi R.A. A Dynamic Model of Cell Membranes, Sсi. Am., 230, 26-33, March (1974). Уточнение модели Сингера-Николсона. Fishman Р.Н., Brady R. О. Biosynthesis and Function of Gangliosides, Science, 194, 90C 915 (1976).

Lodish H.F., Rothman J.E. The Assembly of Cell Membranes, Sсi. Am., 240,48-63, January (1979).

Lux S.E. Dissecting the Red Cell Membrane Skeleton, Nature, 281, 426-429 (1979).

Marchesі V. T. Spectrin: Present Status of a Putative Cyto-Skeletal Protein of the Red Cell Membrane, J. Membrane Biol, 51. 101 — 131 (1979).

Marx J.L. Liposomes: Research Applications Grow, Science, 199, 1056-1128 (1978).

Sharon N. Lectins, Sсi. Am., 236, 108-119, June (1977).

Singer S.J., Nicolson G.L. The Fluid Mosaic Model of the Structure of Membranes, Science, 175. 720-731 (1972).

Вопросы и задачи

1. Температура плавления жирных кислот. Жирные кислоты с 18 углеродными атомами имеют следующие точки плавления: стеариновая кислота +69,6°; олеиновая кислота +13,4°С; линолевая кислота — 5° и линоленовая кислота — 11°С. Какими структурными особенностями определяется та или иная температура плавления этих кислот? Объясните, какова молекулярная основа определенной направленности в изменении температуры плавления.

2. Прогоркание кулинарных жиров. Некоторые из применяемых в кулинарии жиров, например сливочное масло, быстро портятся при хранении на воздухе при комнатной температуре, тогда как свойства твердых жиров типа маргарина в аналогичных условиях меняются мало. Почему?

3. Приготовление майонеза. В процессе приготовления майонеза фосфатидилхолин (лецитин) из яичных желтков переходит в растительное масло, что стабилизирует соус и не позволяет ему расслаиваться. Объясните, почему это происходит.

4. Гидролиз гипидов. Назовите продукты, образующиеся при мягком гидролизе разведенным раствором едкого натрия следующих соединений:

а) 1-стеароил-2,3-дипальмигоилглицерол,

б) 1-пальмитоил-2-олеилфосфатидилхолин.

Какие продукты получатся при воздействии на вещество б) горячего концентрированного NaOH?

5. Суммарный электрический заряд фосфолипидов. Как будут заряжены при pH 7,0

а) фосфатидилхолин, б) фосфатидилэтаноламин и в) фосфатидилсерин?

6. Защита растений-суккулентов. Произрастающие в засушливых районах суккуленты обычно покрыты восковым налетом.

Как это способствует выживанию растений?

7. Число молекул детергента в мицелле. При растворении в воде небольших количеств додецилсульфата натрия

[CH₃(CH₂)₁₁ОSО₃Na⁺] широко распространенного детергента-ионы детергента остаются в растворе в виде мономеров. При увеличении концентрации детергента наступает момент (критическая концентрация мицеллообразования), когда в результате ассоциации мономеров образуются мицеллы (рис. 12-16). Критическая концентрация мицеллообразования для додецилсульфата натрия составляет 8,2 мМ. При изучении свойств мицелл было установлено, что их молекулярная масса в среднем составляет 18000. Рассчитайте, сколько молекул детергента содержится в одной мицелле.

8. Гидрофобные и гидрофильные группы мембранных липидов. Все мембранные липиды представляют собой амфипатические соединения, т. е. содержат как гидрофобные, так и гидрофильные группы. Например, в молекуле фосфатидилхолина гидрофобную часть образуют две цепочки жирных кислот, а гидрофильную - фосфохолиновая голова. Назовите структурные компоненты, играющие роль гидрофобных и гидрофильных групп в каждом из указанных ниже мембранных липидов:

а) фосфатидилэтаноламин,

б) сфингомиелин,

в) галактоцереброзид,

г) ганглиозид,

д) холестерол.

9. Свойства липидов и липидных бислоев. Липидные бислои, сформированные на границе двух водных фаз, обладают следующими важными свойствами: они образуют двумерные пленки; края этих пленок замыкаются сами на себя; в результате самозапечатывания образуются замкнутые структуры - липосомы.

а) Объясните, какими свойствами липидов обусловлены эти свойства бислоев?

б) Каково биологическое значение этих свойств и как они связаны со структурой биологических мембран?

10. Проникновение ионов через клеточные мембраны. Липидный бислой клеточной мембраны предохраняет клетки от быстрой потери ионов К⁺, Сl^- и Mg²⁺. Почему?

11. Экстракция интегральных мембранных белков. В отличие от цитоплазматических белков многие включенные в мембрану белки практически не поддаются экстракции из мембраны в водный раствор (рис. 12-17). Тем не менее такие белки удается все же отделить от мембраны и получить в растворенном виде, если в раствор, используемый для экстракции, добавить додецилсульфат натрия (см. вопрос 7) или какой-либо другой детергент, например холат натрия. На чем основан этот прием?

12. Роль остатков сахаров в ориентации мембранных гликопротеинов. Изучение различных мембранных гликопротеинов показывает, что остатки сахаров всегда располагаются на наружной поверхности мембраны (см., например, рис. 12-18). Одно из возможных объяснений этого явления состоит в том, что именно остатки сахаров обеспечивают асимметричную ориентацию гликопротеина в мембране.

а) Почему остатки сахаров локализуются на наружной поверхности мембраны, а не внутри нее?

б) Объясните, каким образом остатки сахаров обеспечивают асимметричность распределения гликопротеинов в мембране?

13. Текучесть мембран и значение этой характеристики. Согласно основной гипотезе мембранологии (т. е. науки о мембранах), для нормального функционирования мембран составляющие их липиды должны быть в жидком (а не в «замороженном») состоянии. Подтверждением этой гипотезы служит тот факт, что соотношение жирных кислот в бактериальных мембранах зависит от условий роста бактерий. Так, если бактерии растут при пониженной температуре, у них увеличивается относительное содержание ненасыщенных жирных кислот (по отношению к насыщенным). И наоборот, если бактерии растут при повышенной температуре, уровень ненасыщенных жирных кислот (по отношению к насыщенным) оказывается ниже нормы.

а) Подумайте, почему для нормального функционирования интактной бактериальной мембраны мембранные липиды должны находиться в жидком состоянии?

б) Объясните, почему обнаруженные изменения в соотношении насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в зависимости от температуры роста подтверждают гипотезу о текучем состоянии мембран.