Биологические мембраны - А. Н. Огурцов 2012

Структура и функции биомембран
Мембранные липиды
Классификация липидов

Несмотря на то, что в органической химии к липидам относят жирные кислоты и их производные, в биохимии и других разделах биологии к липидам принято относить и гидрофобные или амфифильные вещества другой химической природы.

Прежде всего к липидам относятся продукты взаимодействия жирных кислот со спиртами (простые липиды), аминоспиртами и другими соединениями (сложные липиды), простагландины и изопреноидные липиды (например, каротиноиды, хлорофилл, витамины Е и К).

Трисщилглицеролы - это простые липиды, представляющие собой эфиры трёхосновного спирта глицерола и трёх жирных кислот (рисунок 15(a)). Они бывают различных типов в зависимости от природы трёх остатков жирных кислот, присоединённых к гидроксильным группам глицерина.

Рисунок 15 - Схемы биологических три- и диглицеридов: а - триацилглицерол; б - диацилглицерол

Обычная мембрана состоит из фосфоглицеридов, сфинголипидов и стероидов. Эти три класса молекул липидов являются амфифильными и имеют полярную (гидрофильную) головку и гидрофобный (углеводородный) хвост.

Гидрофобный эффект и ван-дер-ваальсовые силы стимулируют процесс самосборки бислоя из липидных молекул так, чтобы углеводородные хвосты были спрятаны внутрь мембраны, а гидрофобные головки были погружены в окружающую водную среду (рисунок 5).

Но, хотя все мембранные липиды подобны по своей амфифильности, разные классы отличаются по химической структуре, распространённости и мембранным функциям.

Фосфоглицериды. Фосфоглицериды - это наиболее распространённый класс липидов в большинстве мембран; они являются производными глицерол-3-фосфата (рисунок 16).

Рисунок 16 - Структура фосфоглицеридов

Типичная молекула фосфоглицерида состоит из двух жирнокислотных цепей, присоединённых к гидроксильным группам глицерол-3-фосфата, и полярной головки, присоединённой к фосфатной группе.

Два жирнокислотных хвоста могут отличаться по числу звеньев в углеводородной цепочке и по количеству ненасыщенных С-С и ненасыщенных С=С связей (таблица 1).

Фосфоглицериды классифицируются по свойствам их полярных головок. В фосфатидилхолинах (phosphatidylcholine, обозначен PC на рисунке 16) - наиболее распространённых фосфолипидах в плазматических мембранах клеток - полярная головка состоит из холина - положительно заряженного спирта, присоединённого к отрицательно заряженному фосфату.

В других фосфоглицеридах к фосфату присоединены молекулы, либо содержащие гидроксильные группы, либо, как и холин, положительно заряженные.

Наиболее часто в таком качестве используются этаноламин, серин и инозитол (рисунок 16). Соответствующие фосфолипиды называются:

✵ фосфатидилэтаноламин (phosphatidylethanolamine, РЕ);

✵ фосфатидилсерин (phosphatidylserine, PS);

✵ фосфатидилинозитол (phosphatidylinositol, PI).

Полярные головки фосфоглицеридов с отрицательно заряженной фосфатной группой и положительно заряженными группами или гидроксильными группами интенсивно взаимодействуют с полярными молекулами воды.

Плазмалогены - это группа фосфолипидов, в которых одна из жирнокислотных цепей присоединена к глицеролу (так же как и в обычных фосфоглицеридах) сложной эфирной связью, а другая углеводородная цепочка присоединена простой эфирной связью (С-О-С) (рисунок 17(a)).

Плазмалогены составляют порядка 20% фосфоглицеридов в теле человека, причём особенно много их в клетках головного мозга и сердца. Возможно, повышенная химическая стабильность простой эфирной связи в плазмалогенах или небольшие отличия в их пространственной структуре по сравнению с другими фосфоглицеридами имеют определённое физиологическое значение, которое ещё не установлено.

Сфинголипиды. Вторым классом мембранных липидов являются сфинголипиды. Все эти соединения являются производными сфингозина (рисунок 17(6)) - аминоспирта с длинным жирнокислотным хвостом и содержат второй жирнокислотный хвост, который присоединён к аминогруппе сфингозина (рисунок 18). N-ацильные жирнокислотные производные сфингозина называются церамидами (рисунок 17(b)).

Рисунок 17 - Структура липидов: а - плазмалоген; б - сфингозин; в - церамид; R - жирнокислотные хвосты; X - полярная головка

В сфингомиелине (sphingomyelin, SM) - самом распространённом сфинголипиде - к гидроксильной группе сфингозина присоединён фосфохолин (рисунок 18). Поэтому структура сфингомиелина аналогична структуре фосфатидилхолина, и сфингомиелин также можно отнести к фосфолипидам.

Другой тип сфинголипидов представляют гликолипиды, в которых функцию полярной головки выполняет либо моносахарид, либо разветвлённый олигосахарид. Например, глюкозилцереброзид (glucosyl-cerebroside, GlcCer), простейший гликосфинголипид, содержит моносахарид глюкоза, присоединённый к сфингозину. В сложных гликосфин- голипидах, называемых ганглиозиды, к сфингозину присоединены один или два разветвлённых олигосахарида, содержащих остатки N-ацетил-нейраминовой (сиаловой) кислоты.

Гликолипиды составляют 2-10% общего количества липидов в плазматической мембране. Наибольшее их количество в тканях нервной системы.

Рисунок 18 - Структура сфинголипидов

Стероиды. Холестерол и его производные составляют третий класс мембранных липидов - стероиды. Основой стероидов является углеводородная структура, состоящая из четырёх циклов. Холестерол - главный стероидный компонент животных клеток - имеет гидроксильную группу на конце одного из циклов (рисунок 19).

Особенно много холестерола в плазматических мембранах клеток млекопитающих, но он полностью отсутствует в большинстве прокариотических клеток. У растений до 30-50% липидов являются специфическими именно для растительных клеток стероидами.

При нейтральном pH фосфоглицериды (например, фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин) не заряжены, в то время как другие (например, фосфатидилинозитол и фосфатидилсерин) отрицательно заряжены. Несмотря на это, полярные головки всех фосфолипидов ориентируются так, что образуется липидный бислой.

Рисунок 19 - Холестерол: а - структурная формула; б - ван-дер-ваальсовая модель молекулы

Сфингомиелины подобны фосфоглицеридам по структуре и ассемблируются в смешанный бислой. Холестерол и другие стероиды слишком гидрофобны, чтобы формировать бислойную структуру самостоятельно, но в смеси с фосфолипидами они встраиваются в бислойные мембраны.