Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986

Липиды
Фосфолипиды

Старое название этой группы липидов — фосфатиды — правилами Международной номенклатуры не рекомендуется употреблять. Молекула фосфолипидов образована остатками глицерина (или заменяющего его спирта сфингозина), жирных кислот, фосфорной кислоты, соединенной сложноэфирной связью с какой-либо полярной группировкой (чаще азотсодержащей).

Фосфолипиды широко распространены в растительных и животных тканях, в микроорганизмах они являются преобладающей формой липидов. В отличие от нейтральных жиров фосфолипиды практически содержатся только в клеточных мембранах и очень редко в небольших количествах обнаруживаются в составе запасных отложений. Значительные количества фосфолипидов содержатся в сердце и печени животных, в семенах растений (например, в соевых бобах), в яйцах птиц. Особенно высоко содержание их в нервной ткани человека и позвоночных животных.

Фосфолипиды растворимы в органических растворителях, но избирательно; одни в этаноле, другие — в эфире, третьи — в бензоле. Большинство из них нерастворимо в ацетоне, что используют для отделения фосфолипидов от других липидов. Они нерастворимы в воде (но набухают); быстро окисляются на воздухе (так как в молекуле есть ненасыщенные жирные кислоты), меняя при этом окраску от светло-желтой до коричневой.

Фосфолипиды легко образуют комплексы с белками, чем и объясняется преимущественное участие их в формировании клеточных оболочек и внутриклеточных мембран (составляют до 50% всех липидов биологических мембран). Благодаря особенностям химического строения (полярность молекулы) фосфолипиды обеспечивают одностороннюю проницаемость мембран. В соответствии с правилами Международной номенклатуры IUРАС класс фосфолипидов может быть разделен на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды.

8.3.1. Глицерофосфолипиды. Общая схема строения глицерофосфолипидов имеет следующий вид:

где X — полярная группа; R₁и R₂ — радикалы жирных кислот.

В основе молекулы глицерофосфолипидов лежит фосфатидная кислота, представляющая собой глицерин, у которого две спиртовые группы этерифицированы жирными кислотами, а одна, в 3-м положении, фосфорной кислотой. У большинства природных глицерофосфолипидов насыщенные жирные кислоты (с 16—18 углеродными атомами) находятся в положении С-1, а ненасыщенные (16— 20 углеродных атомов, от одной до четырех двойных связей) — как правило, в положении С-2. В свободном виде фосфатидная кислота в клетках содержится в очень малых количествах и преимущественно в растительных тканях. В то же время фосфатидная кислота является важным промежуточным соединением при биосинтезе, фосфолипидов.

Находящийся в составе фосфатидной кислоты остаток фосфорной кислоты может образовывать сложноэфирную связь с различными полярными группировками. Различные глицерофосфолипиды отличаются друг от друга природой этих групп, а каждый тип в свою очередь может быть представлен большим числом соединений, различающихся строением двух жирных кислот, входящих в молекулу.

Наличие в молекуле глицерофосфолипидов остатков жирных кислот (неполярные углеводородные «хвосты») и полярной ионизированной головы придает им свойства амфифилов. Этим объясняются особые физико-химические свойства глицерофосфолипидов и их участие в построении клеточных мембран. С одной стороны, глидерофосфолипиды, как и нейтральные жиры, хорошо растворимы в неполярных растворителях, с другой — могут давать с водой стойкие эмульсии или даже образовывать коллоидные растворы. По этой же причине глидерофосфолипиды обладают свойствами детергентов.

В зависимости от строения полярной группы глицерофосфoлипиды делятся следующим образом: 1) фосфатидилхолины (старое название ледитины не рекомендуется); 2) фосфатидилэтаноламины (старое название — кефалины); 3) фосфатидилсерины; 4) фосфатидилинозиты; 5) фосфатидилсахара; 6) фосфатидилглицерины; 7) фосфатидали, или плазмалогены.

В тканях животных и высших растений в больших количествах встречаются фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины.

Фосфатидилхолины. Содержат в своем составе в качестве полярной группы аминоспирт холин (гидроксид 3-гидроксиэтилтриметиламмония), который является таким же сильным основанием, как КОН, и полностью диссоциирует в водной среде, с сильными кислотами образует нейтральные соли:

Фосфатидилхолины в большом количестве содержатся в желтках яиц птиц, откуда они были впервые получены К. Дьяконовым (1867), отсюда их старое название лецитины (от греч. лецитос — желток). Их много также в мозговой ткани человека и животных, а у растений в соевых бобах, семенах подсолнечника, зародышах пшеницы. Фосфатидилхолины крайне редко встречаются у бактерий, чем бактериальные фосфолипиды отличаются от фосфолипидов других представителей животного мира.

В настоящее время установлено наличие двух форм фосфатидилхолинов (а и ß) в зависимости от того, с каким углеродным атомом глицерина связана фосфорная кислота (а — с углеродом в крайнем положении, ß — в срединном). Фосфатидилхолины хорошо растворимы в спиртах, эфирах, но нерастворимы в ацетоне.

Холин может присутствовать в тканях и в свободном виде. Он обладает высокой биологической активностью: является донором метильных групп при различных синтезах (например, метионина), стимулирует перистальтику кишечника. При недостатке холина наблюдается нарушение обмена веществ, в частности жировое перерождение печени.

Большое значение имеет производное холина — ацетилхолин являющийся медиатором парасимпатической нервной системы. Действие его кратковременно, так как он быстро разлагается ацетилхолинэстеразой. Накопление ацетилхолина приводит к сильнейшему отравлению.

Фосфатидилхолины широко используют в пищевой промышленности при изготовлении шоколада, маргарина и в качестве антиоксиданта; в текстильной и косметической промышленности; в медицине при лечении заболеваний нервной системы, упадке сил, анемии.

Фосфатидилэтаноламины. Вместо холина содержат спирт этаноламин, наряду с фосфатидилхолином входят в состав мембран.

Фосфатидилсерины. Очень близки по сравнению и по функциям к двум предыдущим фосфолипидам. Полярной группой у них является серин.

Фосфатидилинозиты. В этих глицерофосфолипидах полярной группой служит шестиуглеродный циклический спирт инозит. Фосфатидилинозиты обнаруживаются у животных, растений и микробов. У животных они найдены в сердце, печени, легких, но особенно высоко их содержание в миелиновых оболочках нервных волокон спинного мозга.

Фосфатидилинозиты представляют интерес как возможные предшественники простагландинов — важнейших регуляторов метаболизма. Особенно важны фосфорилированные производные фосфатидилинозитов: фосфатидилинозит-4-фосфат и фосфатидилинозит-3,4-дифосфат. Они присутствуют в тканях мозга и составляют более половины всех фосфатидилинозитов.

Инозит — важнейший циклотол (т. е. циклоалкан), он широко распространен в различных микроорганизмах, высших растениях и животных. В растениях он обнаружен в виде его гексафосфата — фитиновой кислоты или ее магниево-кальциевой соли — фитина. Инозит и фитин представляют большой интерес в связи с их ролью в питании, а также участии в липидном и углеводном обмене.

Фосфатидилглицерины. Фосфатидные кислоты могут присоединять к себе еще один остаток глицерина, образуя фосфатидилглицерины:

В значительных количествах они содержатся в некоторых бактериальных мембранах в форме аминокислотных производных. Например, в форме L-лизилфосфатидилглицерина или L-аланилфосфатидилглицерина. Липиды этого типа называют липоаминокислотами или О-аминоацилфосфатидилглицеринами. Растения, в особенно заметных количествах, содержат фосфатидилглицерины в хлоропластах, где на их долю приходится около 50% от общего содержания липидов в листьях.

Предполагают, что фосфатидилглицерины принимают участие в обмене веществ хлоропластов, служат их структурным элементом, а также могут играть роль запасного материала.

К фосфатидилглицеринам близок кардиолипин, представляющий собой его производное, в котором 3-гидроксил второго остатка глицерина этерифицирован фосфатной группой молекулы фосфатидной кислоты, т. е. кардиолипин содержит три остатка глицерина. Эти остатки соединены друг с другом двумя фосфодиэфирными мостиками через 1-е и 3-е положения, ОН-группы двух внешних глицеринов этерифицированы жирными кислотами.

Кардиолипин выделен впервые из сердечной ткани. Это пока единственный фосфолипид с известными иммунологическими свойствами.

Кардиолипин — обязательный компонент бактериальных клеточных мембран; он входит в состав мембран митохондрий и хлоропластов. Полагают, что кардиолипин играет большую роль в переносе электронов и окислительном фосфорилировании в митохондриях.

Фосфатидилсахара. Обнаружены в растениях и микроорганизмах. Роль полярной группы здесь играет молекула сахара. Однако их не следует путать с гликолипидами, в молекуле которых тоже есть углевод, но нет фосфорной кислоты.

Фосфатидали, или плазмалогены. Отличаются от других глицерофосфолипидов только тем, что имеют в С-1 положении L-глицеро-3-фосфата не остаток жирной кислоты, а а, ß-ненасыщенный спирт, образующий простую эфирную связь. Ниже представлена общая формула плазмалогенов: где R — радикал а, ß-ненасыщенного спирта, R₁— радикал жирной кислоты, X — полярная группа.

Х-Группа в плазмалогенах чаще всего представлена холином, этаноламином и серином. У а, ß-ненасыщенных спиртов длина цепи составляет от 12 до 18 углеродных атомов. Простые эфирные связи их с глицерином устойчивы в разбавленных щелочах, но гидролизуются в разбавленных кислотах с образованием альдегида соответствующего спирта, причем образующийся альдегид является насыщенным (отсюда название этой группы фосфолипидов: плазмал — высокомолекулярный альдегид).

Плазмалогены особенно широко распространены в мембранах мышц и нервных клеток. Значительное количество их обнаружено в эритроцитах, а в тканях некоторых беспозвоночных их содержание достигает 25% общего количества глицерофосфолипидов. Из растительных тканей плазмалогены не удалось еще выделить и достоверно идентифицировать, хотя предварительные сообщения об этом существуют. В составе мембран некоторых бактерий плазмалогены обнаружены.

8.3.2. Сфингофосфолипиды. Липиды, относящиеся к этой группе, содержат те же компоненты, что и глицерофосфолипиды (жирные кислоты, фосфат и Х-группу), лишь вместо глицерина они включают ненасыщенный аминоспирт сфингозин или его насыщенный аналог дигидросфингозин.

Двойная связь в молекуле сфингозина находится в транс-положении, а расположение заместителей у асимметричных атомов углерода соответствует D-конфигурации.

Наиболее распространены сфингозины с 18 углеродными атомами в молекуле, но встречаются сфинголипиды, содержащие сфингозины с 16, 17, 19 и 20 атомами углерода.

N-Ацильные производные сфингозинов, в которых аминогруппа ацилирована жирной кислотой, называют церамидами. Они широко распространены в тканях растений и животных, но содержатся в незначительных количествах.

Самыми распространенными сфингофосфолипидами являются сфингомиелины, которые могут рассматриваться как фосфохолиновые производные церамидов. По своей конформации они очень похожи на фосфатидилхолины, т. е. также содержат полярную голову и два неполярных хвоста, один из которых является длинной алифатической цепью сфингозина, а другой — этерифицированной жирной кислотой.

Сфингофосфолипиды обнаружены в мембранах растительных и животных клеток. Особенно богата ими нервная ткань, в частности мозга, найдены и в составе липидов крови.