ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 1. ОСНОВЫ БИОХИМИИ СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ - 2011

ЧАСТЬ I. СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ

10. ЛИПИДЫ

10.3. Липиды как сигнальные вещества, кофакторы и пигменты

Два функциональных класса липидов, которые мы до сих пор рассматривали (запасные и структурные липиды), являются главными клеточными компонентами; мембранные липиды составляют от 5 до 10% сухой массы большинства клеток, а депонированные липиды — более чем 80% массы адиноцита. За некоторыми исключениями эти липиды играют пассивную роль в клетке; липидное топливо сохраняется до тех пор, пока не окислится ферментами, а мембранные липиды образуют непроницаемые барьеры вокруг клеток и клеточных компартментов. Липиды другой группы, присутствующие в гораздо меньших количествах, играют активную роль в обмене веществ в качестве метаболитов и мессенджеров. Некоторые из них работают как мощные сигнальные вещества, например, как гормоны, переносимые кровью из одной ткани в другую, или как внутриклеточные посредники (мессенджеры), генерируемые в ответ на внеклеточный сигнал (гормон или фактор роста). Другие функционируют как кофакторы ферментов в реакциях переноса электронов в хлоропластах и митохондриях или при переносе остатков сахара в множестве реакций гликозилирования (присоединения сахара). Третью группу составляют липиды с системой сопряженных двойных связей: это пигментные молекулы, которые поглощают видимый свет. Некоторые из них действуют как светопоглощающие пигменты в процессах зрения и фотосинтеза; другие обеспечивают окраску, например, оранжевый цвет тыквы и моркови и желтый цвет перьев канарейки. Наконец, большая группа летучих липидов синтезируется растениями в качестве сигналов, распространяемых по воздуху, которые позволяют растениям общаться друг с другом, привлекать дружественно настроенных животных и отпугивать врагов. В этом разделе мы опишем несколько таких биологически активных липидов. В последующих главах их синтез и биологическая роль будут рассмотрены более подробно.

Фосфатидилинозиты и производные сфингозина работают как внутриклеточные сигналы

Фосфатидилинозит и его фосфорилированныс производные участвуют в нескольких уровнях регуляции клеточной структуры и метаболизма. Фосфатидилинозит-4,5-бисфосфат (рис. 10-9) на цитоплазматической (внутренней) поверхности плазматической мембраны является запасной формой молекул-посредников, высвобождающихся внутрь клетки в ответ на внеклеточные сигналы, действующие на специфические рецепторы, расположенные на внешней поверхности плазматической мембраны. Внеклеточные сигналы, такие как гормон вазопрессин, активируют фосфолипазу С в мембране. Она гидролизует фосфатидилинозит-4,5-бисфосфат, высвобождая два продукта, которые действуют как внутриклеточные мессенджеры: инозит-1,4,5- трисфосфат (IР3), который растворим в воде, и диацилглицерин, который остается в связанном с плазматической мембраной виде. Молекула IР₃ инициирует выход Са²⁺ из эндоплазматического ретикулума, а комбинация диацилгицерина и увеличенной концентрации Са²⁺ в цитозоле активирует фермент протеинкиназу С. Этот фермент фосфорилирует специфические белки,

что вызывает клеточный ответ на внеклеточный сигнал. Такой сигнальный механизм более подробно описан в гл. 12 (см. рис. 12-10).

Инозитные фосфолипиды также служат в качестве «зародышей» для образования некоторых надмолекулярных комплексов, участвующих в передаче сигналов или в экзоцитозе. Специальные сигнальные белки специфически связываются с фосфатидилинозит-3,4,5-трисфосфатом в плазматической мембране, инициируя образование мультиферментных комплексов на обращенной в цитозоль поверхности мембраны. Образование фосфатидилинозит-3,4,5-трисфосфата в ответ на внеклеточные сигналы удерживает белки вместе в сигнальных комплексах на поверхности плазматической мембраны (см. рис. 12-16).

Мембранные сфинголипиды могут также служить источником внутриклеточных мессенджеров. И церамид, и сфингомиелин (рис. 10-13) — мощные регуляторы протеинкиназ; известно, что церамид или его производные участвуют в регуляции клеточного деления, дифференцировки, миграции и программируемой клеточной гибели (апоптоза; см. гл. 12).

Эйкозаноиды передают сигналы соседним клеткам

Эйкозаноиды — это паракринные гормоны, вещества, которые действуют только на клетки, расположенные вблизи от места синтеза гормона, вместо того чтобы транспортироваться кровью и действовать на клетки других тканей или органов. Эти производные жирных кислот оказывают разнообразные сильные эффекты на ткани позвоночных. Известно, что они участвуют в репродуктивной функции; в воспалении, лихорадке и боли, которые связаны с повреждением или болезнью; в образовании кровяных сгустков и в регуляции кровяного давления; в секреции кислоты в желудке и во множестве других процессов, как у здорового человека, так при ряде заболеваний.

Все эйкозаноиды — производные арахидоновой кислоты (20:4(∆ ^5,8,11,14)) (рис. 10-18), 20-углеродной полиненасыщенной жирной кислоты, от которой они и получили свое общее название (греч. — двадцать). Существует три класса эйкозаноидов: простагландины, тромбоксаны и лейкотриены.

Рис. 10-18. Арахидоновая кислота и некоторые эйкозаноиды. Арахидоновая кислота (арахидонатион при pH 7) — предшественник эйкозаноидов, включая простагландины, тромбоксаны и лейкотриены. В простагландине Е₁ С-8 и С-12 арахидонат-иона соединены, образуя характерное пятичленное кольцо. В тромбоксане А₂ соединены С-8 и С-12, и еще присутствует атом кислорода, так что образуется шестичленное кольцо. Лейкотриен А₄ имеет три сопряженные двойные связи. Нестероидные противовоспалительные лекарственные средства (НПВС), такие как аспирин и ибупрофен, блокируют образование простагландинов и тромбоксанов из арахидонат-иона, ингибируя фермент циклооксигеназу (простагландин-Н₂-синтазу).

Джон Бейн, Суне Бергстрём и Бенгт Самуэльсон

Простагландины (PG) содержат пятиуглеродное кольцо, образованное из арахидоновой кислоты. Их название происходит от предстательной железы (простаты), из которой они впервые были выделены Бенгтом Саму- эльсоном и Суне Бергстрёмом. Первоначально были определены две группы нростагланди- нов: РGЕ — растворимые в эфире (англ. ether) и PGF — растворимые в фосфатном (швед. fosfal) буфере. Каждая группа содержит многочисленные подтипы, называемые PGF, PGF₂ и т. д. Простагландины выполняют множество функций. Некоторые из них стимулируют сокращение гладкой мускулатуры матки при менструации и родах. Другие влияют на кровоснабжение отдельных органов, на цикл сна и бодрствования, на чувствительность ряда тканей к таким гормонам, как адреналин и глюкагон. Простагландины третьей группы повышают температуру тела, приводя к лихорадочному состоянию, вызывают воспаление и боль.

Тромбоксаны имеют шестичленное кольцо, содержащее эфирную связь. Они производятся тромбоцитами и участвуют в формировании кровяных сгустков и в уменьшении кровотока к участку образования сгустка. Как было показано Джоном Бейном, НПВС, например, аспирин, ибупрофен и напрокссн, ингибируют фермент простагландин-Н₂-синтазу (циклооксигеназа, СОХ), который катализирует раннюю стадию превращения арахидонат-иона в простагландины и тромбоксаны (рис. 10-18, см. также рис. 21-15).

Лейкотриены, впервые найденные в лейкоцитах, содержат три сопряженные двойные связи. Это мощные биологически активные сигнальные вещества. Например, лейкотриен производное лейкотриена А₄, вызывает сокращение мышцы, выстилающей дыхательные пути к легкому. Избыточная продукция лейкотриенов вызывает астматические спазмы, поэтому синтез лейкотриенов является одной из мишеней действия антиастматических средств, таких как преднизон. Сильное сокращение гладких мышц легких, которое происходит при анафилактическом шоке, у больных аллергией (сверхчувствительных к пчелиным укусам, пенициллину или другим веществам) может иметь смертельный исход. ■

Стероидные гормоны передают сигналы между тканями

Стероиды — это окисленные производные стеринов; они имеют стериновое ядро, но в них отсутствует алкильная цепочка, связанная с кольцом D холестерина, поэтому они более полярны, чем холестерин. Стероидные гормоны переносятся кровотоком (на белках-переносчиках) от места их образования к тканям-мишеням, где они проникают в клетки, связываются с высокоспецифическими рецепторными белками в ядре и инициируют изменения в экспрессии генов и метаболизме. Поскольку гормоны имеют очень высокое сродство к своим рецепторам, малых концентраций гормонов (наномолярных или меньше) достаточно, чтобы вызвать ответные реакции в тканях- мишенях. Главную группу стероидных гормонов составляют мужские и женские половые гормоны, и гормоны кортизол и альдостерон, производимые корой надпочечников (рис. 10-19). Преднизон и преднизолон являются стероидными лекарственными препаратами с сильным противовоспалительным действием, которое отчасти связано с ингибированием высвобождения арахидонат-иона фосфолипазой А₂ (рис. 10-18) и проистекающим отсюда ингибированием синтеза лейкотриенов, простагландинов и тромбоксанов. Они широко применяются в медицине, в том числе для лечения астмы и ревматоидного артрита. ■

Сосудистые растения содержат похожее на стероиды вещество брассинолид (рис. 10-19) — мощный регулятор роста, увеличивающий скорость удлинения стебля и влияющий на ориентацию микрофибрил целлюлозы в клеточной стенке в процессе роста.

Рис. 10-19. Стероиды — производные холестерина. Тестостерон, мужской половой гормон, вырабатывается в яичках. Эстрадиол, один из женских половых гормонов, вырабатывается в яичниках и плаценте. Кортизол и альдостерон — гормоны, синтезирующиеся в коре надпочечников; они регулируют метаболизм глюкозы и выведение солей. Преднизолон и преднизон — синтетические стероиды, применяемые как противовоспалительные лекарственные средства. Брассинолид — регулятор роста, обнаруженный в сосудистых растениях.

Сосудистые растения используют тысячи летучих сигнальных веществ

Растения синтезируют буквально тысячи различных липофильных веществ, летучих соединений, которые служат для привлечения опылителей, зашиты от травоядных животных, привлечения организмов, защищающих растения от травоядных животных или служащих средствами связи с другими растениями. Жасмонат, происходящий от жирной кислоты 18:3(∆^9,12,15) в мембранных липидах, химически сходен с эйкозаноидами животных тканей; он служит мощным сигнальным веществом, активиру-

ащим защиту растения в ответ на нанесенное насекомыми повреждение. Метиловый эфир жасмоната обладает характерным ароматом жасминового масла, которое широко используется в парфюмерии. Многие из летучих соединений, синтезируемых растениями, являются производными жирных кислот или соединений, образующихся в результате конденсации пятиуглеродных изопреновых звеньев. Среди этих соединений можно назвать гераниол (характерный запах герани), β-пинен (сосна), лимонен (лайм), ментол, карвон (см. рис. 1-23, а).

Витамины А и D — предшественники гормонов

■ В первой трети XX в. главной целью исследований в области физиологической химии была идентификация витаминов — соединений, которые необходимы для здоровья человека и других позвоночных, но не могут синтезироваться этими животными и, следовательно, должны быть получены с пищей. В ранних исследованиях в области питания были выявлены два главных класса таких соединений: растворимые в неполярных органических растворителях жирорастворимые витамины и водорастворимые витамины, которые можно экстрагировать из продуктов питания водными растворителями. Среди жирорастворимых витаминов — витамины А, D, Е и К. Все они изопреноидные соединения, синтезирующиеся путем многократной конденсации изопреновых единиц. Витамины й и А выполняют роль предшественников гормонов.

Витамин D₃, или холекальциферол, обычно образуется в коже из 7-дегидрохолестерина в фотохимической реакции, запускаемой ультрафиолетовой (УФ) составляющей солнечного света (рис. 10-20, а). Витамин D₃ сам по себе не обладает биологической активностью, но превращается ферментами печени и почек в 1,25- дигидроксихолекальциферол, гормон, который регулирует всасывание кальция в кишечнике и уровень кальция в почках и костях. Недостаток витамина D вызывает неправильное формирование скелета и рахит, при котором прием витамина D приводит к быстрому исцелению (рис. 10-20, б). Витамин D₂ (эргокальциферол) производится фармакологическими компаниями при УФ- облучении эргостерина дрожжей. Витамин D₂ по структуре аналогичен D₃, отличается только боковая цепь в D-кольце стерина. Оба соединения оказывают одинаковые биологические эффекты, и D₂ обычно добавляют в молоко и масло в качестве пищевой добавки. Подобно стероидным гормонам продукт метаболизма витамина D 1,25-дигидроксихолекальциферол регулирует экспрессию генов, взаимодействуя с белками- рецепторами в ядре (см. разд. 28.3).

Рис. 10-20. Образование и метаболизм витамина D₃. а) Холекальциферол (витамин D₃) вырабатывается в коже при УФ-облучении 7-дегидрохолестерина, приводящем к разрушению связи (показана розовым цветом). В печени к С-25 добавляется гидроксильная группа (розовый цвет); в почке второе гидроксилирование по С-1 (розовый цвет) дает активный гормон 1,25-дигидроксихолекальциферол. Этот гормон регулирует метаболизм Са²⁺ в почках, кишечнике и скелете. б) Поступающий с пищей витамин Б предотвращает рахит — болезнь, когда-то распространенную в местах с холодным климатом, где тяжелая толстая одежда не пропускает УФ-компонент солнечного света, необходимый для производства витамина D₃ в коже. Здесь представлен фрагмент фрески «О пользе биохимических исследований», выполненной Джоном Стюартом Карри в 1943 г. на одной из стен в здании биохимического факультета университета Висконсин-Мэдисон, США. Люди и животные, изображенные слева, демонстрируют результат недостаточного питания (обратите внимание на кривые ноги рахитичного мальчика). Справа изображены люди и животные, ставшие здоровыми благодаря результатам научных исследований, включая использование витамина D для предотвращения и лечения рахита.

Витамин А (ретинол) в разнообразных формах функционирует как зрительный пигмент глаза позвоночных (рис. 10-21). Действуя через рецепторные белки в клеточном ядре, производное витамина А ретиноевая кислота регулирует экспрессию генов при развитии эпителиальной ткани, в том числе кожи. Ретиноевая кислота является активной частью в лекарстве третиноине (Retin-А), применяемом при лечении угревой сыпи и морщинистой кожи. Еще одно производное витамина А, ретиналь, — пигмент, который инициирует ответ клеток палочек и колбочек сетчатки на действие света, передавая нервный импульс в мозг. Эта роль ретиналя подробно описана в гл.12.

Рис. 10-21. Витамин А_1, его предшественник и производные, а) β-Каротин — предшественник витамина Изопреновые структурные единицы выделены красными пунктирными линиями. Расщепление β-каротина дает две молекулы витамина А1 (ретинола), б) Окисление у С-15 превращает ретинол в альдегид ретиналь (в), а дальнейшее окисление приводит к ретиноевой кислоте (г) — гормону, регулирующему экспрессию генов. Ретиналь соединяется с белком опсином, образуя родопсин (на рисунке не показано), зрительный пигмент. В темноте ретиналь родопсина находится в 11-цис-форме (в). Когда молекула родопсина возбуждается видимым светом, 11-цис-ретиналь подвергается серии фотохимических реакций, которые превращают его полностью в транс-ретиналь (д), что вынуждает всю молекулу родопсина изменить свою форму. Такая трансформация палочек сетчатки позвоночных посылает электрический сигнал в мозг. Это и является основой зрительной трансдукции (передачи сигнала). Эту тему более детально мы обсудим в гл. 12.

Витамин А впервые был выделен из рыбьего жира; печень, яйца, цельное молоко — прекрасные пищевые источники витамина А. У позвоночных β-каротин — пигмент, который придаст моркови, сладкому картофелю и другим желтым овощам их характерный цвет — может ферментативно превращаться в витамин А. Недостаток витамина А приводит к возникновению у человека разнообразных симптомов, включая сухость кожи, глаз и слизистых оболочек; замедление развития и роста, а также «куриную слепоту» — симптом для ранней диагностики дефицита витамина А. ■

Витамины Е и К и липидные хиноны — окислительно-восстановительные кофакторы

Витамин Е — общее назвавание группы близкородственных липидов токоферолов, которые содержат замещенное ароматическое кольцо и длинную изопреноидную боковую цепочку (рис. 10-22, а). Токоферолы гидрофобпы, они ассоциированы с меточными мембранами, липидными отложениями и липопротеинами крови. Токоферолы являются биологическими антиоксидантами. Ароматическое кольцо реагирует с наиболее активными формами кислородных и других свободных радикалов, разрушает их, защищая таким образом ненасыщенные жирные кислоты от окисления и предотвращая окислительное повреждение мембранных липидов, которое может привести к гибели клетки. Токоферолы обнаружены в яйцах и в растительных маслах, а особенно ими богаты зародыши пшеницы. У лабораторных животных, получавших пищу, лишенную витамина Е, наблюдалась чешуйчатость кожи, мышечная слабость, истощение и бесплодие. Дефицит витамина Е у человека наблюдается очень редко; основным симптомом являются коротко живущие эритроциты.

Ароматическое кольцо витамина К (рис. 10-22, б) проходит цикл окисления и восстановления в процессе образования активного протромбина — белка плазмы крови, необходимого для формирования кровяного сгустка. Протромбин — протеолитический фермент, расщепляющий пептидные связи в белке крови фибриногене с превращением последнего в фибрин — нерастворимый фибриллярный белок, удерживающий вместе кровяные сгустки. Хенрик Дам и Эдвард А. Дойси независимо друг от друга обнаружили, что дефицит витамина К замедляет свертывание крови, и это может быть гибельным для организма. Дефицит витамина К встречается у людей в очень редких случаях; эта патология бывает у небольшого числа младенцев, страдающих геморрагической болезнью новорожденных, потенциально смертельным недугом. В США новорожденным всегда вводят 1 мг витамина К. Витамин К₁ (филлохипон) обнаружен в зеленых листьях растений; родственная форма — витамин К₂ (менахинон) — синтезируется бактериями, населяющими кишечник позвоночных.

Варфарин (рис. 10-22, в) — это синтетическое соединение, которое ингибирует образование активного протромбина. Применяется как эффективный яд для крыс — вызывает их гибель в результате внутреннего кровотечения. По иронии судьбы, это мощное средство для уничтожения грызунов в то же время является очень важным антикоагулянтом — лекарством для лечения людей с риском увеличенного свертывания крови, например при хирургических операциях, и больных с коронарным тромбозом. ■

Убихинон (называемый также коэнзимом Q) и пластохинон (рис. 10-22, г, д) — изопреноиды, которые функционируют как липофильные переносчики электронов в окислительно-восстановительных реакциях при синтезе АТР в митохондриях и хлоропластах соответственно. И убихинон, и пластохинон могут принимать один или два электрона и один или два протона (рис. 19-2).

Рис. 10-22. Некоторые другие биологически активные изопреноидные соединения или производные. Изопреновые структурные единицы выделены пунктирными красными линиями. В большинстве тканей млекопитающих убихинон (коэнзим Q) имеет 10 изопреновых единиц. Долихолы животных содержат от 10 до 17 изопреновых единиц (от 85 до 105 атомов углерода), бактериальные долихолы имеют 11, а долихолы растений и грибов — от 14 до 24 единиц.

Долихолы активируют предшественников сахаров для биосинтеза

В процессе сборки комплекса углеводов бактериальной клеточной стенки и в процессе присоединения полисахаридных единиц к некоторым белкам (гликопротеины) и липидам (гликолипиды) у эукариот, присоединяемые сахарные остатки химически активируются при связывании с изопреноидными спиртами — долихолами (рис. 10-22, е). Эти соединения вступают в сильные гидрофобные взаимодействия с мембраной, заякоривая в ней присоединенные сахара, где последние участвуют в реакциях переноса сахаров.

Многие природные пигменты — липиды с сопряженными двойными связями

В углеродной цепи сопряженных диенон одинарные связи чередуются с двойными связями. В такой структуре легко происходит делокализация электронов, поэтому эти соединения переходят в возбужденное состояние под действием электромагнитного излучения с низким уровнем энергии (видимый свет), что делает их видимыми для людей и животных. Каротин (рис. 10-21) имеет желто-оранжевую окраску. Сходные соединения делают оперение птиц ярко оранжевым, красным и желтым (рис. 10-23). Подобно стеролам, стероидам, дол и ходам, витаминам А, Е, D и К, убихинону и пластохинону, эти пигменты синтезируются из пятиуглеродных производных изопрена. Этот путь биосинтеза подробно описан в гл. 21.

Рис. 10-23. Липиды в качестве пигментов в растениях и в птичьем оперении. Соединения с протяженными системами сопряженных связей поглощают свет в видимой области спектра. Именно эти вещества, несколько различающиеся по структуре, являются природными пигментами удивительно ярких и разнообразных цветов. Оперение птиц приобретает красную или желтую окраску, если птицы употребляют в пищу растения, содержащие пигменты каротиноиды, такие как кантаксантин и зеаксантин. Различие окраски самцов и самок у птиц объясняется различиями в усвояемости и метаболизме каротиноидов.

Краткое содержание раздела 10.3 Липиды как сигнальные вещества, кофакторы и пигменты

■ Некоторые типы липидов, хотя и присутствующие в относительно малых количествах, играют решающую роль в качестве кофакторов или сигнальных молекул.

■ Фосфатидилинозит-бисфосфат гидролизуется с образованием двух внутриклеточных мессенджеров, диацилглицерина и инозит- 1,4,5-трисфосфата. Фосфатидилпнозит-3,4,5- трисфосфат «затравка» для образования надмолекулярных белковых комплексов, участвующих в передаче биологических сигналов.

■ Простагландины, тромбоксаны и лейкотриены (эйкозаиоиды), происходящие из арахидоновой кислоты, — чрезвычайно сильные гормоны.

■ Стероидные гормоны, происходящие из стеринов, служат мощными биологическими сигнальными веществами (например, половые гормоны).

■ Витамины D, А, Е и К — жирорастворимые соединения, построенные из изопреновых единиц. Все они играют важнейшую роль в метаболизме или физиологии животных. Витамин D — предшественник гормона, регулирующего обмен кальция. Витамин А поставляет зрительный пигмент глаза позвоночных и является регулятором экспрессии генов в процессе роста эпителиальных клеток. Витамин Е защищает мембранные липиды от окислительного повреждения, и, наконец, витамин К необходим для процесса свертывания крови.

■ Убихиноны и пластохиноны, а также изопреноидные соединения, работают переносчиками электронов в митохондриях и хлоропластах соответственно.

■ Долихолы активируют и заякоривают сахара на клеточных мембранах для использования в синтезе некоторых сложных углеводов, гликолипидов и гликопротеинов.

■ Липиды со структурой сопряженных диенов играют роль пигментов в цветах и фруктах, а также именно они обеспечивают яркую окраску оперения птиц.