Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

вычислять размеры бислоя липидов,

углы

наклона жирнокиелотных

цепей

относительно плоскости бислоя, площадь, занимаемую одной

липидной

молекулой, среднюю степень упорядоченности цепей, по-

ложение молекул воды. Для достижения этих целей прибегают к

замене атома водорода Н на дейтерий

( Н).

Существуют разнообразные биофизические подходы и методы

для определения поведения молекул липидов и белков биомембран

естественных условиях, в эксперименте и при действии различ-

ных физико-химических факторов (изменения ионной силы, кон-

центрации

отдельных ионов, соотношения ионов, сдвигов рН, тем-

пературы).

Ряд

биофизических методов позволяет определить вращательный

латеральный виды диффузии белков и липидов, трансбислойную

диффузию липидов, концентрацию ионов водорода в клеточных

компартментах, поверхностный потенциал мембран и клеток, вели-

чину трансмембранного потенциала, внутриклеточное содержание

ионов

других

веществ. Но это

будет

проанализировано при изло-

жении

отдельных функций мембран, а теперь необходимо остано-

виться на химическом составе биомембран.

6. Химический состав биологических мембран

Биомембраны

обладают сложной гетерогенной структурной^орга-

низацией,

зависящей как от разнообразия их компонентов, так и от

образования

надмолекулярных относительно стабильных комплек-

сов.

Но если рассматривать компоненты биомембран с биохимиче-

ской

точки зрения, то практически все биомембраны состоят в ос-

новном

из полярных липидов и белков.

6а. Классификация, принципы построения и характеристика

мембранных липидов

Липиды (от греч.

lipos

- жир) - низкомолекулярные органические

вещества, активные компоненты биологических мембран, извлека-

емые из клеток растений и животных органическими растворителя-

ми

(хлороформом, ацетоном, эфиром, бензолом).

Первый

анализ липидов был проведен А

Лавуазье

(1743-1794).

Он

установил, что животные жиры и растительные масла состоят в

основном

из

углерода

и водорода. Шведский химик К.Шееле (1742-

1786) открыл глицерин, обнаружив его в жирах и маслах. В 1811 г.

французский

химик-органик М.Шеврель выделил кристалличе-

скую жирную кислоту при кислотной обработке мыла, описал свой-

ства ряда жирных кислот, детально разработал метод разделения

171

жирных кислот по их растворимости в различных органических со-

единениях.

Первый синтез жира из глицерина и жирной кислоты провел в

1854 г. французский химик П.Бертло

(1827-1907).

Получение фосфолипидов и гликолипидов из желтка куриных

яиц

и ткани мозга связано с именами М.Гобли

(1847)

и Ф.Хоппе-

Зайлера (1877). Они выделили лецитин (от греч.

lekithos

- яичный

желток).

Английский врач

Дж.Тудикум

выделил из мозга кефалин, содер-

жащий азот и фосфор, а в

продуктах

его гидролиза он обнаружил

этаноламин; впервые им были описаны сфинголипиды - сфингомие-

лин

и цереброзид.

Большие трудности с выделением и очисткой индивидуальных

липидов из смеси природных жиров и масел способствовали медлен-

ному развитию химии липидов, которая получила название грязной

химии (Schmierchemie). Однако после разработки новых, в

первую

очередь хроматографических, методов химия липидов стала успеш-

но

развиваться, и современный период развития биофизики и био-

химии связан с многочисленными и плодотворными исследования-

ми

липидов разнообразных биологических мембран.

Липиды - обширная группа природных органических соедине-

ний,

включающая жиры и жироподобные вещества.

Молекулы простых липидов представляют собой соединения

спирта, высокомолекулярных жирных кислот и

других

компонен-

тов. Стерины не

содержат

жирных кислот. К простым липидам от-

носятся триглицериды, диольные липиды, воски.

Сложные липиды - это комплексы с белками (липопротеины),

производные ортофосфорной кислоты (фосфатиды или фосфолипи-

ды). Молекулы сложных липидов

содержат

также остатки

трех-

атомного спирта глицерина (глицеринфосфатиды) или сфингозина

(сфинголипиды).

липидам относят вещества, не являющиеся производными

жирных кислот, - стерины, убихиноны, терпены. О важнейших

классах липидов

дает

представление табл. 4.4. Из семи важнейших

классов липидов биологические мембраны бактерий, клеток расте-

ний

и животных

содержат

три основных класса: глицерофосфатиды

(фосфолипиды),

глицерогликолипиды (гликолипиды) и сфингофос-

фолипиды (стероиды).

Фосфолипиды

делят

на глицерофосфолипиды (производные фос-

фатидной кислоты) - фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин,

172

фосфатидилсерин, фосфатидилинозит и сфингофосфолипиды (про-

изводные церамида, сфингомиелины).

Таблица

4.4

Важнейшие

классы

лшшдов

Простые

липиды

1. Воски I 2. Диольные липиды | 3. Триглицериды

Сложные липиды

1. Глицерофосфатиды Лецитины (холипфосфатиды)

(фосфолипиды) этаноламинфосфатиды

Кефалипы

сери 11фосфатиды

Фосфатидиловые кислоты

фосфатидилглицерин

Полиглицерофосфатиды

^^кардиолипин (х-фосфатидил

глицерин)

Фосфатидилинозиты (х-инозитил)

2. Глицерогликолипиды 4. Сфингофосфолипиды

3. Сфингогликолипиды Сфингомиелины

Цереброзиды (х-моносаха- Фитосфинголипиды

рид)

Ганглиозиды (х-олигоса- (х-инозитилгликозид)

харид, содержащий остат-

ки

сиаловых кислот)

х - углеводородная цепь.

Молекулы липидов хорошо стерически "соответствуют"

друг

дру-

гу, несмотря на большое разнообразие индивидуальных соединений

фосфолипидов за счет присоединения к гидроксильным группам мо-

лекулы глицерина радикалов как насыщенных, так и ненасыщен-

ных жирных кислот, а их в состав мембран

входит

довольно значи-

тельное количество.

Принципы

построения

липидных

молекул

Содержание липидов в биомембранах колеблется от 30 до 70%, а

в миелиновых мембранах может доходить до 83-85%. Липиды мем-

бран отличаются структурным многообразием за счет вхождения в

гидрофобные "хвосты" различных жирных кислот.

Однако в

структуре

мембранных липидов можно выделить еди-

ный

принцип: липиды построены на базе спиртов (глицерина, эти-

ленгликоля). Молекула липида включает гидрофобные "хвосты"

173

("хвост"),

из предельных или непредельных жирных кислот и по-

лярной

головки, состоящей из фосфорной кислоты и этиленамина,

серина, холина, инозита и др. (рис. 4.4).

Одна часть молекулы липида гидрофобна,

другая

- гидрофильна,

т.е.

обладает

сродством как к полярным, так и к неполярным рас-

творителям (амфифильна). Их молекулы склонны к агрегации».

Гидрофобные участки молекул стремятся попасть в гидрофобную

фазу, образуя неполярные области, а полярные группы располага-

ются на границе с водой. Амфифильность мембранных липидов оп-

ределяет разнообразие липидных

агрегатов

и надмолекулярных

структур

в зависимости от природы компонентов, их количествен-

ных соотношений, концентрации, температуры образца.

Связующими звеньями

между

полярной головкой липида и непо-

лярным (гидрофобным)

хвостом

обычно

служат

многоатомные или

алифатические спирты, содержащие три (глицерин) или две (эти-

ленгликоль) гидроксильные группы (см. рис. 4.4).

Глицеролипиды (глицериды) составляют более половины липи-

дов, встречающихся в природе и занимают по распространенности

первое место среди липидов. Это производные трехатомного спирта

- глицерина (1, 2, 3 - пропантриола):

СН

- 0 -

сн-о-

1 1

СН2-0-

C-Ri

C-R2

Р-О-Х

он

Глицеролипид

СН2

- ОН

сн

- он

сн

-он

Глицерин

Обычно в полярных глицеролипидах биологических мембран две

гидроксильные группы глицерина связаны сложноэфирными связя-

ми

двумя

высшими жирными кислотами, а третья гидроксильная

группа соединяется с гидроксильной головкой.

Липиды,

построенные

на

основе

сфингозина

На

базе аминоспирта сфингозина или его аналогов построена

группа сфинголипидов:

174

Полярная

{гидрофильная)

голова

Нелолярный

{гидрофобный}

хвост

сн,-

с=о

сн

сн.

сн,

1».

сн

сн,

СН:

сн.

с»;

сн,

о-

сн

(

)

:=о

н.

сн.

сн,

сн.

сн,

:н,

;

>"*

•-а

!н.

сн

\\—цис-Двойная

связь

ч\

:н,

сн,

сн

Рис.

4.4.

Молекула фосфолипида фосфатидилхолина, представленная схематически (Л), химической формулой

(Б), в

виде про-

странственной

модели

(В) и

символом (.Г)

СН2

- ОН

H-C-NH2

СН2

ОН

Н-С-ОН

H-C-NH2

нс

н-с-он

11 транс I

СН

(СН

)14

(СН

)12

СНз

Сфингозин

Сфинганин

Сфинголипиды

входят

в состав мембран нервных клеток, особен-

но

высоко их содержание в головном и спинном мозгу.

Сфингозиновые основания связаны во

всех

сфинголипидах амид-

ной

связью с жирными кислотами: полученные при этом вещества

носят название церамидов.

Несмотря на единый план строения фосфолипидов, что обеспечи-

вает их стерическое соответствие

друг

другу,

существует

большое

разнообразие фосфолипидов благодаря включению различных жир-

ных кислот в неполярные "хвосты" молекул. Так, выделено не-

сколько десятков природных видов фосфатидилхолина и фосфати-

дилсерина, отличающихся по своим физическим и химическим

свойствам (по температуре плавления, по способности окисляться и

т.д.).

Гликолипиды мембран подразделяют на цереброзиды, сульфати-

ды и ганглиозиды. Их объединяет содержание углеводных компо-

нентов.

Цереброзиды (гликосфинголипиды) - углеводные производные

церамида, поэтому они носят еще название гликозилцерамиды:

HO-CHAWWW

СН

- ЫН\ЛМАЛЛЛ=АЛАЛ

СН

ОН

I fl

он

Галактоцереброзид (нервон)

176

Наиболее распространены галакто-

глюкозоцереброзиды.

Це-

реброзиды содержатся

тканях животных, растений

микроорга-

низмах.

Это

нейтральные соединения.

Сульфатиды

или

сульфоцереброзиды представляют собой сулк-

фоэфиры.

Они

образуются

при

участии группы

-ОН

углевода

имеют кислую реакцию.

Ганглиозиды относятся

гликолипидам,

которых концевыми

остатками

углевода

служит

N-ацетилнейраминовая кислота.

Стероиды мембран представлены

основном холестерином

(у

животных), ситостерином

стигмастерином

(у

растений), эргосте-

рином

(у

грибов).

Мембраны прокариот

содержат

плазмалогены

глицероацетали.

Особенности липидного состава мембран бактерий иногда

служат

отличительным признаком

для их

классификации.

Несмотря

на

большое разнообразие жирных кислот,

мембранах

значительных количествах обнаруживают только

две или три

(табл.

4.5). Так, у

высших растений

- это в

основном пальмитино-

вая,

олеиновая

линолевая кислоты. Жирные кислоты

четным

числом атомов

углерода

(20, 22, 24)

обнаруживаются очень редко;

почти

не

содержится стеариновой кислоты.

В то же

время

тканях

животных

эта

кислота наряду

пальмитиновой

олеиновой являет-

ся

преобладающей.

Таблица 4.5

Наиболее распространенные жирные кислоты в составе мембранных липидов

Соединение

С12:0

14:0

С16:0

17:0

С18:0

С20:0

С22:0

С24:0

С16:Н9)

С18:1(9с)

С18:Н9)

С18:1(7)

C24:lfe)

С 18:2(9,12)

Тривиальное

название кислоты

Лауриловая

Миристи новая

Пальмитиновая

Маргариновая

Стеариновая

Арахидоновая

Бегеновая

Лигноцериновая

Пальмитоолеиновая

Олеиновая

Элаидиновая

Вакценовая

Нервоновая

Линолевая

Молекулярная

масса,

Да

200,3

228,4

256,4

270,4

284,5

312,5

340,6

368,5

254,4

282,5

366,6

280.5

Температура

плавления,

44,2

53,9

63,1

61,3

69,6

76,5

81,5

86,0

-0,5

13,5

44.5

44.0

42,5

-5,0

177

Окончание

табл.

4.5

С'8:2(9.12.15)

С20:4(5.8.11.14)

С22:5(7.10.13.16.19)

С22:6(4.7.10.13.16.19)

Линоленовая

Арахидоновая

Клупанодоновая

Докозагексагеновая

278,4

304,5

330,5

328,5

-10,0

-49,5

-45.0

-44,1

Примечание.

классификации

жирных

кислот

указывают

число

углерод-

ных

атомов,

через

двоеточие

количество

двойных

связей;

скобках

номер

первого

углеродного

атома

при

двойной

связи,

считая

от

СООН-группы.

О липидном составе рвда биологических мембран дает представ-

ление табл. 4.6.

Таблица

4.6

Липиднып

состав

некоторых

биологических

мембран

различных

липидов

от

общего

их

количества)

Название

липида

Фосфатидиновая

кислота

Фосфатиднлхолин

Фосфатидилэтаноламин

Фосфатидилглицерин

Фосфатидилинозит

Фосфатидилсерии

Кардиолипин

Сфингомиелин

Гликолипиды

Холестерин

Эритроциты

человека

1,5

19,0

18,0

0,0

1.0

8,5

0.0

17,5

10,0

25,0

Миелин

человека

0,5

10,0

20,0

0,0

1,0

8,5

0,0

8,5

26,0

26.0

Митохонд-

рии

сердца

быка

0,0

39,0

27,0

0,0

7,0

0,5

22,3

0.0

3.0

Мембраны

E.coli

Анализ данных табл. 4.6 показывает, что основными липидами

мембран клеток животных служат фосфатидилхолин и фосфатиди-

лэтаноламин, в то же время в митохондриях содержится мало холе-

стерина и свыше 22 % кардиолипина.

Основную структурную функцию в мембране выполняет

двух-

рядный бислой липидов, состоящий главным образом из фосфоли-

пидов. Минорные соединения мембран наряду с белками определя-

ют ряд своеобразных функций. Так, ганглиозиды

участвуют

в диф-

ференцировке нейрональной ткани,

могут

модифицировать иммун-

ную реакцию, блокировать действие лимфоцитов (киллеров), а

гликолипиды иммунокомпетентных клеток принимают участие в

иммунной реакции.

Жирнокислотный состав липидов мембран животных хотя и раз-

178

нообразен,

но относительно постоянен, тогда как у бактерий и рас-

тительных организмов встречаются своеобразные соединения, ха-

рактерные для данного семейства или класса.

Липидные компоненты мембран довольно интенсивно обновля-

ются,

что вытекает из данных табл. 4.7.

Таблица 4.7

Время

жизни

липидных

компонентов мембраны

Компонент

мембраны

Цереброзиды

Сфингомиелин

Фосфатидилхолин

Фосфатидилэтаноламин

Фосфатидилсерин

Фосфатидилинозит

Время жизни в составе

миелина

13мес.

Юмес.

2мес.

мес.

4мес.

мес.

митохондриальных мемб-

ран

мес.

2нед.

4нед.

Змее.

дня

66. Белки биологических мембран

Выше было показано, что основные общие морфологические

свойства

биологических мембран зависят от

структуры

и функций

липидного непрерывного бислоя. Однако многочисленные и разно-

образные специфические функции биомембран осуществляются в

основном мембранными белками.

Типы

и содержание белка в мемб-

ране зависят от выполняемой специализированной функции клет-

ки.

Так, в миелиновой мембране нервной клетки мембрана

выполня-

ет

в основном функцию изолятора-. Содержание белка в ней менее

20%

от массы мембраны. В то же время в мембранах органелл, в ко-

торых совершаются энергетические превращения (митохондрии,

хлоропласта),

на долю белков приходится более 75% ее массы. В

среднем

в обычной плазматической (наружной) мембране клеток

соотношение

белков и липидов составляет около 50% от сухой мас-

сы.

В этом случае на одну молекулу белка приходится

70-80

моле-

кул липидов.

Если

средний размер большой оси липида равен

25-30

А , то для

молекулы белка он превышает

80-100

А , что обеспечивает различ-

179

ное расположение белковой молекулы

по

отношению

бислою

ли-

пидов (трансмембранное, тангенциальное, частичное погружение

бислой липидов).

Мембранные белки классифицируют

по их

положению мембране

- поверхностные

интегральные;

по

взаимодействию

липидами

степени погружения

пронизывания мембран

моно-, би-

полит-

опические (рис.

4.5; 4.6).

Наиболее распространено деление белков

зависимости

от ос-

Рис.

4.5.

Моното-

пическая (А),

бито-

пическая (Б) и по-

литопическая (В)

локализация белков

в мембране; N и С-

концы политпептид-

ной цепи

Рис.

4.6. Четыре

способе

ассоциации мембранных белков с

липидным

бислоем 1 -

интегральные белки пронизывают мембрану насквозь; 2 - поверхностные белки по-

гружены в липидный бислой частично; 3 - белки, удерживающиеся иековалентными

взаимодействиями с

другими

мембранными белками; 4 - белки, ковалентно

соеди-

ненные с одной или двумя цепями жирных кислот

180