Липиды мембран. Сфингозинзамещенные липиды. Стероиды. Липиды бислоя. Подвижность липидов

Липиды мембран

В наибольшем количестве в организме человека и животных встречаются такие фосфоглицериды (рис. 1-2 А), как фосфатидилэтаноламин. В дополнение, присутствуют фосфатидилсерин, фосфатидилинозитол и фосфатидилхолин (рис. 1-3 А). Они метаболически связаны друг с другом и содержат в качестве Х-группы аминоспирты этаноламин (остаток фосфоэтаноламина) и холин (остаток фосфохолина). В фосфатидилсерине фосфорная кислота этерифицирована гидроксильной группой серина фосфосерина. В фосфатидилинозите Х-группой служит шестиуглеродный сахароспирт инозит (остаток фосфорного эфира инозита). В фосфатидилглицерине роль Х-группы играет остаток эфира глицерофосфата.

Роль полярной Х-группы фосфатидов может играть также молекула сахара. Эти гликофосфоглицериды, или фосфатидилсахара, обнаружены в растениях и микроорганизмах. Их не следует путать с гликолипидами, в молекуле которых тоже находится сахар, но отсутствует фосфорная кислота.

Сфингозинзамещенные липиды

Структурная основа сфингозинзамещенных липидов - аминоспирт сфингозин. Сфинголипиды обнаружены в мембранах растительных и животных клеток; особенно богата ими нервная ткань, в частности мозг. В жировых отложениях сфинголипидов очень немного. При гидролизе сфинголипидов образуются одна молекула жирной кислоты, одна молекула ненасыщенного аминоспирта сфингозина или его насыщенного аналога дигидросфингозина, одна молекула фосфорной кислоты и одна молекула спирта (X-ОН). Глицерина сфинголипиды не содержат.

Наиболее распространен сфинголипид сфингомиелин (рис. 1-3 Б), содержащий в качестве Х-группы холин. Для сфингомиелина, так же как и для всех других сфинголипидов, характерно то, что одним из его углеводородных хвостов служит длинная алифатическая цепь сфингозина, а другим - этерифицированная жирная кислота. Таким образом, конформации сфинголипидов очень схожи с фосфоглицеридами, так как их молекулы также содержат полярную голову и два неполярных хвоста.

У гликолипидов голову молекулы образуют полярные гидрофильные углеводные группы, чаще всего D-галактоза. Однако в отличие от сфинголипидов, гликолипиды не содержат

фосфорной кислоты. К простейшим гликолипидам относятся гликозилдиацилглицерины, обнаруженные в растениях и микроорганизмах. Другая группа, цереброзиды, может быть отнесена как к гликолипидам, так и к сфинголипидам, поскольку эти соединения содержат и сахар, и сфингозин. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поэтому они называются цереброзиды, или гликосфинголипиды. Особенно велико содержание цереброзидов в мембранах нервных клеток, в частности в миелиновой оболочке. Обнаруженные в цереброзидах жирные кислоты необычны, так как содержат 24 атома углерода. Чаще всего встречаются нервоновая, цереброновая и лигноцериновая кислоты. Жирнокислотный эфир сфингозина, не содержащий сахара, называют церамид.

Стероиды

Стероиды резко отличаются по структуре от молекул других подклассов липидов. Стероиды - это производные пергидроциклопентан-фенантренового ядра, содержащего три конденсированных циклогексановых кольца, соединенных друг с другом. К этим структурам может быть присоединено несколько гидроксильных полярных групп, но число их недостаточно, чтобы сделать стероид водорастворимым.

К важным природным стероидам относятся желчные кислоты, мужские и женские половые гормоны, гормоны надпочечников, а также некоторые стероиды с высокой биологической активностью, к которым относятся, в частности, некоторые яды. В клетках эти соединения присутствуют большей частью в следовых количествах, и только представители одного класса стероидов, а именно стерины, составляют исключение. Стеринами клетки очень богаты. Эти соединения содержат спиртовую гидроксильную группу при С-3 и разветвленную алифатическую цепь из восьми или большего числа атомов углерода при С-17. Они существуют либо в виде свободных спиртов, либо в виде эфиров, у которых гидроксильная группа при С-3 этерифицирована жирной кислотой с длинной цепью.

Примеры стероидов: холестерин (рис. 1-3 Г), кортизол (синтезируется в надпочечниках), женские (эстрогены) и мужские (тестостерон) половые гормоны, секретируемые гонадами. Наиболее распространен холестерин, который содержится в организме как в свободной, так и в этерифицированной форме. Он входит в состав мембран.

Рис. 1-3. Наиболее часто встречающиеся липиды мембран.

А - примеры фосфолипидов; Б - пример сфинголипида; В - пример цереброзида (гликосфинголипида); Г - пример стероидов

Липиды бислоя

В физиологических условиях мембраны обладают динамическими свойствами. Липидный би слой (рис. 1-4 А) по существу представляет собой вязкую жидкость и характеризуется текучестью. Текучесть - это макроскопическая характеристика всего липидного бислоя; ее величина обратна вязкости. Поскольку липидный бислой обладает текучестью, он, следовательно, имеет низкую вязкость. В зависимости от температуры и химического состава мембраны текучесть может быть высокой или низкой. Текучесть липидного бислоя у теплокровных животных имеет небольшое значение, поскольку температура внутренней среды организма более или менее постоянна, однако у холоднокровных животных этот показатель имеет принципиальное значение, поскольку при понижении температуры вязкость липидного бислоя увеличивается и, следовательно, текучесть уменьшается. Такие изменения динамических свойств мембраны, наряду с рядом других, приводят к тому, что при низких температурах жизнь холоднокровных животных замирает.

Подвижность липидов

Вместе с тем вязкость фосфолипидного бислоя обусловлена двумя видами подвижности на уровне молекул фосфолипидов, которые обладают двумя

видами движений: внутримолекулярным и межмолекулярным (рис. 1-4 Б).

К внутримолекулярной подвижности относится подвижность цепей жирных кислот и участков полярной головки, связанная с гибкостью цепей. Гибкость, в свою очередь, связана с возможностью вращения химических группировок относительно одинарной связи. Это так называемая конформационная подвижность.

Вращательная диффузия - вращение молекулы вокруг своей продольной (длинной) оси, поскольку в вязкой среде «веретено» в плоскости мембраны легче вращается вокруг продольной оси, чем вокруг поперечной.

Вращение вокруг поперечной (короткой) оси теоретически возможно, но в этом случае центр вращения, присущий фосфолипидам, находится близко к поверхности. Вращение происходит как бы около «шеи» молекулы. В этой области молекулы стиснуты, и движение ограничено. Хвосты в этом случае могут совершать маятникообразные движения, но центр вращения будет находиться вверху. Именно поэтому центральная часть бислоя обладает большей текучестью, чем области цепей жирных кислот, расположенные ближе к полярной голове молекулы фосфолипида.

Межмолекулярное движение представляет собой латеральную диффузию целых фосфолипидных молекул и, по-видимому, происходит путем обмена двух молекул липидов местами.

Рис. 1-4. Формирование липидов в бислой.

А - пример фрагмента одного из листков бислоя, сформированного молекулами (слева направо) фосфатидилинозитолом, фосфатидилсерином, фосфатидилинозитолом, фосфатидилхолином, холистерином. Б - варианты подвижности липидов в бислое. Межмолекулярное движение происходит в виде обмена двух молекул липидов местами, а внутримолекулярное движение - в виде вращения молекулы вокруг своей продольной (длинной) оси и вращения вокруг поперечной (короткой) оси. Хвосты могут совершать маятникообразные движения