Биохимия человека Том 2 - Марри Р. 1993

Биохимия внутри- и межклеточных коммуникаций
Мембраны: структура, сборка и функции
Липидный состав

Большинство липидов в мембранах млекопитающих представлены фосфолипидами, гликосфинголипидами и холестеролом.

Фосфолипиды

Фосфолипиды в составе мембран подразделяются на две основные группы. Наиболее распространены фосфоглицериды, состоящие из остатка глицерола, к которому присоединены эфирными связями две жирнокислотные молекулы и фосфорилированный спирт (рис. 42.2). Жирные кислоты обычно содержат четное число атомов углерода, в основном 14 или 16. Их углеродные цепочки не разветвлены и могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными. Наиболее простым фосфоглицеридом является фосфатидная кислота — 1, 2-диацилглицерол-3-фосфат — ключевой интермедиат при образовании всех других фосфолипидов (см. гл. 25). В других фосфолипидах фосфат этерифицирован спиртовой группой таких соединений, как этаноламин, холин, серин, глицерол или инозитол.

Рис. 42.1. Отношение белок/липид в разных мембранах. Количество белка равно или превышает количество липида почти во всех мембранах. Исключением из этого правила является лишь миелин — электрический изолятор, обнаруженный во многих нервных волокнах. (Из работы Singer S. J.: Architecture and topography of biologic membranes. Chapter 4 In: Cell Membranes: Biochemistry, Cell Biology and Pathology, Weissman G., Claiborne R. [editors] HP Publising Co, 1975, с любезного разрешения.)

Второй класс фосфолипидов представлен сфингомиелинами, содержащими остаток сфингозина вместо глицерола. Жирная кислота присоединена к аминогруппе сфингозина амидной связью. Первичная гидроксильная группа сфингозина этерифицирована фосфорилхолином (см. с. 157). Сфингомиелины, как следует из их названия, входят в состав миелиновой оболочки.

Рис. 42.2. Фосфоглицерид, состоящий из остатков жирных кислот (R₁ и R₂), глицерола и фосфорилированных спиртовых компонентов. В фосфатидной кислоте R₃ — это атом водорода.

Гликосфинголипиды

Гликосфинголипиды — это липиды, содержащие остатки сахаров. Сюда входят цереброзиды и ганглиозиды, а также производные сфингозина. Цереброзиды и ганглиозиды отличаются от сфингомиелина тем, какие группы присоединены к первичной гидроксильной группе сфингозина. В сфингомиелине к спиртовой группе присоединен фосфохолин, а цереброзид содержит в этом положении остаток гексозы, глюкозы или галактозы (см. с. 157). Ганглиозид содержит цепочку из трех и более сахаров, причем по крайней мере один из них — это сиаловая кислота, связанная с первичной спиртовой группой сфингозина.

Стеролы

Наиболее распространенным стеролом в мембранах является холестерол, который содержится почти исключительно в плазматической мембране клеток млекопитающих, но в меньшем количестве может присутствовать также в митохондриях, мембранах аппарата Гольджи и ядерных мембранах. Содержание холестерола обычно увеличивается в направлении к наружной стороне плазматической мембраны. Холестерол встраивается между фосфолипидными молекулами, причем его гидроксильная группа контактирует с водной фазой, а остальная часть располагается внутри гидрофобного слоя. При температуре выше температуры фазового перехода (см. описание жидкостно-мозаичной модели) его жесткое стерольное кольцо взаимодействует с ацильными группами фосфолипидов, ограничивая их подвижность; это приводит к уменьшению текучести мембран. С другой стороны, при температурах, близких к температуре фазового перехода, взаимодействие холестерола с ацильными цепями препятствует их взаимному упорядочиванию. В результате снижается температура, при которой происходит переход жидкость — гель, а это помогает поддерживать текучесть мембраны при более низких температурах.

Амфифильная природа мембран

Все основные липиды мембран содержат как гидрофобные, так и гидрофильные области и поэтому называются амфифильными соединениями. Таким образом, мембраны тоже амфифильны. Если бы основу молекулы составляли гидрофобные группы, она была бы нерастворима в воде и растворима в маслах. Напротив, если бы основу молекулы составляли гидрофильные участки, то она была бы нерастворима в маслах и растворима в воде. Амфифильные мембранные липиды содержат полярную «головку» и неполярные «хвосты» (рис. 42.3).

Рис. 42.3. Схематическое представление фосфолипида или другого мембранного липида. Полярная головка гидрофильна, а углеводородные хвосты гидрофобны или липофильны. Жирнокислотные хвосты могут быть насыщенными (S) или ненасыщенными (U); первые обычно присоединены к атому углерода 1 остатка глицерола, а последние — к атому углерода 2.

Насыщенные жирнокислотные «хвосты» находятся в вытянутой конформации, а ненасыщенные, находящиеся в мембране в основном в омоформе, могут иметь изломы. Чем больше таких изломов, тем менее плотна упаковка липидов в мембране и соответственно тем больше ее текучесть. Важную роль в биохимии и быту играют такие амфифильные соединения, как детергенты. Их структура не так уж далека от структуры липидов.