Структурная биохимия - Учебное пособие - Е. А. Бессолицына 2015

Сфинголипиды

Большое число липидов может быть объединено в одну группу благодаря наличию в их структуре длинноцепочечного алифатического основания — сфингозина или дигидросфингозина. Такие липиды называются сфинголипидами. Хотя сфингозины являются наиболее распространенными среди природных сфинголипидов, встречаются также сфинголипиды, содержащие C16-, C17- и С19-сфингозины. Для двойной связи в сфингозинах характерна транс-конфигурация, а расположение заместителей у асимметрических атомов углерода С-2 или С-3 соответствует D-конфигурации. Сфингозин образует связь с жирной кислотой, но в отличие от глицерин содержащих липидов, в данном случае карбоксильная группа жирной кислоты взаимодействует не со спиртовой, а с аминогруппой сфингозина, в результате образуется не эфирная, а амидная связь. Сфинголипиды по модификации молекулы сфингозина делятся на сфигомиелины и гликосфинголипиды.

Сфингомиелины

Сфингомиелины в больших количествах встречаются в нервной ткани. При гидролизе сфингомиелинов образуются жирная кислота, фосфорная кислота, холин и сложный аминоспирт сфингозин. Сфингомиелины могут рассматриваться как фосфохолиновые производные церамидов и являются одной из наиболее важных групп фосфолипидов. Сфингомиелины являются амфифилами, как и фосфолипиды. Температура плавления опреляется структурой жирных кислот, входящих в состав сфингомиелинов. Впервые сфингомиелины были обнаружены в нервной ткани, однако они входят в состав липидов крови, а также встречаются во многих других тканях. Кроме обычных сфингозинов, рассмотренных выше, сфингомиелин из мозга содержит полиненасыщенные сфингозины, называемые дегидросфингозинами. Сфингомиелины являются основными липидами, входящими в мембраны швановских клеток, которые образуют многослойную миелиновую оболочку, которая обеспечивает изоляцию нервных волокон, миелиновая оболочка позволяет увеличить скорость проведения сигнала.

Гликолипиды широко представлены в тканях, особенно в нервной ткани, в частности в ткани мозга. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности. Главной формой гликолипидов в животных тканях являются гликосфинголипиды. Они содержат церамид, а также один или несколько остатков сахаров. Гликосфинголипиды накапливаются в аномально больших количествах при некоторых заболеваниях, связанных с нарушениями липидного обмена. Гликосфинголипиды подразделяются на три основных класса: цереброзиды, церамидолигосахариды и ганглиозиды.

Рисунок 49. Структура сфинголипидов. А-сфингозин; Б-глюкозереброзид; В-сфингомиелин

Цереброзиды.

Двумя простейшими соединениями этой группы являются галактозилцерамид и глюкозилцерамид. В данном соденинениях к сфингозину присоединен только однин остаток моносахарида. Галактозилцерамид — главный гликосфинголипид мозга и других нервных тканей, но в небольших количествах он встречается и во многих других тканях. В его состав обычно входят различные С14-жирные кислоты. Галактозилцерамид может превращаться в сульфогалактозилцерамид, который в больших количествах содержится в миелине. Простые гликосфинголипиды в тканях, отличных от нервной, представлены главным образом глюкозилцерамидом; в небольших количествах он имеется и в ткани мозга.

Церамидолигосахариды.

В состав молекул сфинголипидов этой группы входят гетероолигосахариды, связанные гликозидной связью с церамидом. Для обозначения этих соединений используются названия церамиддисахарид, церамидтрисахарид и т. д. Более сложными гликосфинголипидами являются ганглиозиды, образующиеся из глюкозилцерамида.

Ганглиозиды.

Эти сфинголипиды являются церамидолигосахаридами, содержащими помимо других сахаров, по крайней мере, один остаток сиаловой кислоты. Все ганглиозиды благодаря наличию карбоксильной группы в остатке N-ацетилнейраминовой кислоты являются кислыми соединениями. Как следует из названия этих соединений, ганглиозиды были впервые выделены из серого вещества мозга, однако они широко распространены и в других тканях. В тканях человека доминирующей сиаловой кислотой является нейраминовая кислота (NeuAc).

Ганглиозиды в больших количествах находятся в нервной ткани. Они, по-видимому, выполняют рецепторные и другие функции. Простейшим ганглиозидом, встречающимся в тканях, является GM3; он содержит церамид, одну молекулу глюкозы, одну молекулу галактозы и одну молекулу NeuAc. В данном — сокращении G означает ганглиозид (ganglioside), M — моносиаловое соединение (содержащее одну молекулу сиаловой кислоты), а индекс 3—условный номер, присвоенный на основе положения при хроматографическом разделении. GM1 представляет значительный биологический интерес, поскольку известно, что в эпителии кишечника человека он является рецептором холерного токсина. Другие ганглиозиды содержат от одной до пяти молекул сиаловой кислоты: их называют ди-, трисиалоганглиозиды и т. д.

Гликолипиды являются амфифилами, причем большими, чем сфингомиелины, так как содержат углеводный компонент. Температура плавления также определяется структурой жирной кислоты.

Все гликолипиды входят в состав мембран прежде всего цитоплазматической. Расположение их в мембране таково, что углеводный компонент направлен в окружающую среду, формируя гликокаликс. Гликокаликс образует поверхность уникальную для каждого вида клеток, выполняя сигнальную и рецепторную функцию.

Церамиддисахарид, называемый лактозилцерамидом или цитолипином Н, при определенных условиях обладает иммунологической активностью.

Впервые ганглиозиды были обнаружены в ганглиях, откуда и произошло их название. Наиболее богат ганглиозидами мозг, особенно его серое вещество. Позднее они были обнаружены и в других тканях (почка, селезенка, печень, легкие и т. д.). Несмотря на многочисленные исследования, биологическое значение ганглиозидов до настоящего времени установлено далеко не полностью. Однако известно, что ганглиозиды локализуются преимущественно в плазматических мембранах и, видимо, в значительной степени определяют контактное торможение, адгезию и электрофоретическую подвижность клеток.

Исследованиями, проведенными в последние годы, показано, что ганглиозиды специфично связывают токсины ботулизма, столбняка, холеры, дифтерийной палочки, а также стрихнин, бруцин, тебаин, вероятно, серотонин и, возможно, играют определенную роль в их рецепции.

Общее название воска относится к сложным эфирам длинноцепочечных насыщенных или ненасыщенных жирных кислот (с числом углеродных атомов от 14 до 36) и длинноцепочечных спиртов (с числом углеродных атомов от 16 до 22) (Рисунок 50). Так, спермацет, получаемый из головного масла кашалотов, состоит главным образом из цетилпальмитата, а пчелиный воск очень богат мирицилпальмитатом.

Рисунок 50. Структурная формула восков. R-радикал жирной кислоты; R¹-радикал высшего спирта

Воска являются гидрофобными соединениями также, как и триацилглицеролы. Температура их плавления зависит не только от структуры жирной кислоты, входящей в состав воска, но и от структуры высшего спирта. Чем больше длина его углеводородного радикала, тем выше температура плавления. Двойные связи в составе радикала уменьшают температуру плавления.

У позвоночных секретируемые кожными железами воска выполняют функцию защитного покрытия, смазывающего и смягчающего кожу и предохраняющего ее от воды. Восковым секретом покрыты также волосы, шерсть и мех. У птиц, особенно водоплавающих, выделяемые копчиковой железой воска придают перьевому покрову водоотталкивающие свойства.

Листья многих растений покрыты защитным слоем воска. Блеск листьев многих тропических растений, а также падуба, рододендронов и сумаха обусловлен отражением света от воскового покрытия.

Воска вырабатываются и используются в очень больших количествах морскими организмами, особенно планктонными, у которых они служат основной формой накопления высококалорийного клеточного топлива. Поскольку киты, сельди, лососевые и многие другие виды морских животных питаются главным образом планктоном, содержащиеся в нем воска играют важную роль в морских пищевых цепях в качестве основного источника липидов.

Интересна функция воска — спермацета,, выделяемого из китов. Спермацет заполняет специальную полость в черепе кита. Локализация спермацета является основной проблемой при определении функций этого воска. С одной стороны предполагается, что эта полость и спермацет в ней снижают вес черепа кита, обеспечивая большую плавучесть, с другой стороны положение полости, заполненной спермацетом, позволяет предположить, что данная полость и вещество, ее заполняющее, участвуют в эхолокации.

Также у насекомых воска входят в состав экзоскелета и обеспечивают его функционирование и уменьшение испарения. Кроме того насекомые используют воска в качестве строительного материала, например пчелы, которые полностью строят свои соты из воска.

В живой природе существует множество соединений, структура углеродного скелета которых сходна с изопреном (2-метилбутан-диеном) (Рисунок 51). У многих из этих соединений число углеродных атомов кратно пяти, так что структуру каждого из них можно разбить на ряд фрагментов, сходных с изопреном. Соединения этого класса называются терпенами [turpentine (англ.) — скипидар]. В зависимости от количества изопреновых звеньев терпены делятся на дитерпеноиды и политерпеноиды. В зависимости от наличия циклов на линейные и содержащие цикл.

Функции терпеноидов очень многообразны.

Эфирные масла, такие, как цитраль, пинен, гераниол, камфора являются дитерпеноидами. Эти соединения являются дитерпенойдами линейными или циклическими.

К линиейным политерпеноидам растений относятся смоляные кислоты, каучук и другие составляющие млечного сока и смол, также к ним относится фитол — который встраиваясь в мембрану хлоропласта закрепяет в ней хлорофилл.

К растительным терпеноидам, содержащим цикл, растений прежде всего относятся каронтиноиды дополнительные пигменты фотосинтеза высших растений.

Рисунок 51. Структурные формулы некоторых терпеноидов. А-ментол, Б-гераниол, В-цитраль, Г-витамин А (ретинол), Д-витамин Е (токоферол)

Животные не синтезируют дитерпеноиды. У насекомых линейные политерпеноиды являются гормонами, половыми и регулирующими развитие. Также линейные политерпенойды насекомых являются сигнальными молекулами для особей другого пола — феромонами. Политерпеноиды, содержащие цикл, у млекопитающих являются витаминами. К ним относятся убихинон (или витамин Q) — компонент дыхательной цепи митохондрий Антигеморрагический фактор — витамин К, а также кофермент Q, функционирующий как переносчик электронов. Существует несколько природных токоферолов. Витамин Е выполняет, по крайней мере, две метаболические функции. Во-первых, он служит наиболее сильнодействующим природным жирорастворимым антиоксидантом и, во-вторых, выполняет специфическую, хотя и не до конца понятную, роль в метаболизме селена. Витамин А участвует в окислительно-восстановительных процессах, регуляции синтеза белков, способствует нормальному обмену веществ, функции клеточных и субклеточных мембран, играет важную роль в формировании костей и зубов, а также жировых отложений; необходим для роста новых клеток, замедляет процесс старения.

Издавна известно благотворное влияние витамина А на зрение: еще в древности вареная печень — один из основных источников витамина А — использовалась как средство от ночной слепоты. Он имеет огромное значение для фоторецепции, обеспечивает нормальную деятельность зрительного анализатора, участвует в синтезе зрительного пигмента сетчатки и восприятии глазом света.

Витамин А необходим для нормального функционирования иммунной системы и является неотъемлемой частью процесса борьбы с инфекцией. Применение ретинола повышает барьерную функцию слизистых оболочек, увеличивает фагоцитарную активность лейкоцитов и других факторов неспецифического иммунитета. Витамин А защищает от простуд, гриппа и инфекций дыхательных путей, пищеварительного тракта, мочевых путей. Наличие в крови витамина А является одним из главных факторов, ответственных за то, что дети в более развитых странах гораздо легче переносят такие инфекционные заболевания как корь, ветряная оспа, тогда как в странах с низким уровнем жизни намного выше смертность от этих «безобидных» вирусных инфекций. Обеспеченность витамином А продлевает жизнь даже больным СПИДом.

Ретинол необходим для поддержания и восстановления эпителиальных тканей, из которых состоят кожа и слизистые покровы. Не зря практически во всех современных косметических средствах содержатся ретиноиды — его синтетические аналоги. Действительно, витамин А применяется при лечении практически всех заболеваний кожи (акне, прыщи, псориаз и т. д.). При повреждениях кожи (раны, солнечные ожоги) витамин А ускоряет процессы заживления, а также стимулирует синтез коллагена, улучшает качество вновь образующейся ткани и снижает опасность инфекций.

Ввиду своей тесной связи со слизистыми оболочками и эпителиальными клетками витамин А благотворно влияет на функционирование легких, а также является стоящим дополнением при лечении некоторых болезней желудочно-кишечного тракта (язвы, колиты).

Ретинол необходим для нормального эмбрионального развития, питания зародыша и уменьшения риска таких осложнений беременности, как малый вес новорожденного.

Витамин А принимает участие в синтезе стероидных гормонов (включая прогестерон), сперматогенезе, является антагонистом тироксина — гормона щитовидной железы.

Как витамин А, так и b-каротин, будучи мощными антиоксидантами, являются средствами профилактики и лечения раковых заболеваний, в частности, препятствуя повторному появлению опухоли после операций.

«И витамин А, и b-каротин защищают мембраны клеток мозг от разрушительного действия свободных радикалов, при этом b-каротин нейтрализует самые опасные виды свободных радикалов: радикалы полиненасыщенных кислот и радикалы кислорода.»

Антиоксидантное действие b-каротина играет важную роль в предотвращении заболеваний сердца и артерий, он обладает защитным действием у больных стенокардией, а также повышает содержание в крови «полезного» холестерина (ЛПВП).

Лютеин и зеаксентин — главные каротиноиды, защищающие наши глаза: они способствуют предупреждению катаракты, а также снижают риск дегенерации желтого пятна (важнейшего органа зрения), которая в каждом третье м случае является причиной слепоты.

Еще один каротиноид — ликопин (содержится в остовном в помидорах) защищает от атеросклероза, предотвращая окисление и накопление на стенках артерий холестерина низкой плотности. Кроме того, это самый «сильный» каротиноид в отношении защиты от рака, особенно рака молочной железы, эндометрия и простаты.

Стероиды часто обнаруживаются в ассоциации с другими липидами. Их можно отделить от триацилглицеридов путем омыления (стероиды попадают в «неомыляемую» фракцию). Наиболее широко распространенными стероидами являются стеролы, т. е. стероидные спирты. Остальная часть молекулы, относительно жестка и гидрофобна. Все стероиды содержат однотипное циклическое ядро, сходное с молекулой фенантрена (кольца А, В и С), с которым соединено циклопентановое кольцо (D). Стероиды резко гидрофобны и нерастворимы в гидрофильных растворителях и в воде.

Рисунок 52. Структурные формулы некоторых стероидов. А-холестерин, Б-кортизол, В-тестостерон, Г-эстрадиол

Холестерол является одним из главных компонентов плазматической мембраны и липопротеинов плазмы; часто находится в форме эфиров жирных кислот и служит исходным соединением для синтеза всех стероидов, функционирующих в организме. Холестерол находится в животных, но не в растительных жирах.

Холестерол синтезируется в организме человека, но он не окисляется до углекислого газа и воды.

Эргостерол содержится в растениях и дрожжах, он важен тем, что является предшественником витамина D. После облучения ультрафиолетовым светом он приобретает противорахитное действие (при раскрытии кольца В), эргостерина, который, как и ряд других растительных стеринов, имеет 8 углеродных атомов и одну двойную связь в боковой цепи. Ультрафиолетовое облучение обоих этих соединений вызывает разрыв кольца В, что приводит к образованию продуктов, обладающих активностью витамина D.

Другое производное холестерина — желчные кислоты, обеспечивающие эмульгацию жиров при их переваривании. Также с желчными кислотами коньюгируют чужеродные вещества для их из организма.

Также к стероидам относятся гормоны млекопитающих. Андрогены, или мужские половые гормоны. Примером может служить тестостерон, синтезируемый в семенниках. Эстрогены — женские половые гормоны. Эстроген, секретируемый яичниками, представляет собой эстрадиол. Также к стероидам относятся гормоны коры надпочечников: глюкокортикоиды (основной кортизол) участвующие в регуляции энергетического обмена и концентрации глюкозы в крови при длительном стрессе, и минералокортикоиды (основной альдостерон), регулирующие концентрацию ионов в организме, альдостерон контролирует концентрацию Na⁺стимулируя его реабсорбцию в почечных канальцах.

Ряд липидов образует комплексы со специфическими белками; эти комплексы называют липопротеинами. В плазме крови имеются три основных класса липопротеинов плазмы, причем содержание липидов в них может составлять от 50 до 90%. Молекулы липидов и полипептидов в липопротеинах прочно связаны друг с другом, хотя и не образуют ковалентных связей. Липопротеины плазмы содержат полярные липиды и триацилглицеролы, а также холестерол, которые спрятаны внутри под оболочкой, образованной водорастворимыми, гидрофильными участками полипептидных цепей и полярными головами молекул фосфоглицеридов. Наличие внешней гидрофильной оболочки в липопротеидах делает эти богатые липидами структуры растворимыми в воде и хорошо приспособленными для транспорта липидов из тонкого кишечника в жировые депо и в различные ткани. Классификация липопротеидов плазмы крови основана на величине их плотности, которая в свою очередь зависит от содержания липидов. Чем выше содержание липидов, тем ниже плотность липопротеидов и тем больше скорость, с которой они движутся вверх, т. е. всплывают, во время центрифугирования плазмы крови при очень высоких скоростях вращения ротора.

Липопротеины низкой плотности содержат много липидов, а следовательно более гидрофобны, чем липопротеины большей плотности, именно поэтому они мало растворимы в плазме крови, и легко выпадают в осадок на стенках сосудов. Разрастание этих осадков приводит в уменьшению просвета сосудов, увеличению артериального давления, и как следствие увеличение риска инфарктов и инсультов. Таким образом, увеличение содержания в плазме крови липопротеинов низкой плотности является симптомом увеличения риска гипертонии, инфарктов и инсультов. Кроме липопротеидов трех классов, в плазме крови содержатся также хиломикроны (особенно после приема жирной пищи). Хиломикроны представляют собой капельки, состоящие практически из чистых триацилглицеролов, окруженных очень тонким слоем белков. По размеру они значительно больше липопротеидов. Хиломикроны переносят триацилглицеролы из тонкого кишечника, где они всасываются во время пищеварения, в жировые депо. Многочисленные факты позволяют предположить, что высокое содержание в плазме липопротеидов низкой плотности (ЛПНП) при низком содержании липопротеидов высокой плотности (ЛПВП) является важным фактором возникновения атеросклероза — заболевания, протекающего с образованием обильных отложений холестерола и его эфиров.

Термин «мембрана» используется вот уже более 100 лет для обозначения клеточной границы, служащей, с одной стороны, барьером между содержимым клетки и внешней средой, а с другой — полупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые из растворенных в ней веществ. В 1851 г. немецкий физиолог X. фон Мол описал плазмолиз клеток растений, предположив, что клеточные стенки функционируют как мембраны. В 1855 г. ботаник К. фон Негели наблюдал различия в проникновении пигментов в поврежденные и неповрежденные растительные клетки и исследовал клеточную границу, которой он дал название плазматическая мембрана. Он предположил, что клеточная граница ответственна за осмотические свойства клеток. В 1877 г. немецкий ботаник В. Пфеффер опубликовал свой труд «Исследование осмоса», где постулировал существование клеточных мембран, основываясь на сходстве между клетками и осмометрами, имеющими искусственные полупроницаемые мембраны.

В 80-х годах прошлого столетия датский ботаник X. де Фриз продолжил осмометрические исследования растительных клеток, предположив, что неповрежденный слой протоплазмы между плазмалеммой и тонопластом функционирует как мембрана. Его исследования послужили фундаментом при создании физико-химических теорий осмотического давления и электролитической диссоциации голландцем Я. Вант-Гоффом и шведским ученым С. Аррениусом. В 1890 г. немецкий физико-химик и философ В. Оствальд обратил внимание на возможную роль мембран в биоэлектрических процессах.

Между 1895 и 1902 годами Э. Овертон измерил проницаемость клеточной мембраны для большого числа соединений и наглядно показал зависимость между растворимостью этих соединений в липидах и способностью их проникать через мембраны. Он предположил, что мембрана имеет липидную природу и содержит холестерин и другие липиды. Современные представления о строении мембран как подвижных липопротеиновых ансамблей были сформулированы в начале 70-х годов нашего столетия. Быстрое развитие биоорганической химии мембран и, прежде всего, широкое исследование структуры мембранных белков и липидов во многом обусловили прогресс в познании важнейших функций биомембран, таких, как транспорт различных метаболитов, генерация энергии, взаимодействие клеток и их деление, передача нервного возбуждения, рецепция сигналов внешней среды и т. п.

Рисунок 53. Структура А-мицеллы, Б-монослоя, В-бислоя. Водная среда обозначена серым цветом.

Как и мыла, полярные липиды обладают амфипатическими свойствами. При взбалтывании в воде или водных растворах полярные липиды спонтанно формируют мицеллы (Рисунок 53), в которых углеводородные хвосты липидов спрятаны от воды, а электрически заряженные гидрофильные головы располагаются на поверхности частицы, взаимодействуя с водным окружением. Такие мицеллы могут состоять из тысяч липидных молекул. Полярные липиды способны также растекаться по поверхности водных растворов, образуя слой толщиной в одну молекулу — монослой (Рисунок 53). В таких системах углеводородные хвосты обращены к воздушной среде и избегают, таким образом, контакта с водой, а гидрофильные головы погружены в полярную водную фазу. На поверхности раздела двух водных фаз полярные липиды легко и самопроизвольно формируют очень тонкие бислои (Рисунок 53). В таких структурах углеводородные хвосты липидных молекул направлены внутрь от обращенных к каждой из фаз поверхностей и образуют внутренний непрерывный углеводородный слой, а располагающиеся снаружи гидрофильные головы оказываются погруженными в водный раствор. В зависимости от природы содержащихся в них жирных кислот фосфолипидные бислои имеют толщину от 6 до 7 нм, они лишены жесткости, находятся в жидком состоянии и легко могут изгибаться. В лабораторных условиях такие бислои нетрудно получить путем сильного встряхивания водных суспензий фосфолипидов; при этом образуются липосомы — замкнутые пузырьки, окруженные непрерывным бислоем. Фосфолипидные бислои можно получить также на маленьких отверстиях перегородок, разделяющих два водных раствора. Липидные бислои и липосомы служат предметом интенсивных исследований, так как оказалось, что по своим свойствам они очень сходны с природными мембранами. Например, и полярные липидные бислои, и природные мембраны обладают высоким электрическим сопротивлением, вследствие чего и те и другие непроницаемы для катионов или анионов, но легко пропускают молекулы воды.

Еще одно важное свойство липидного бислоя — это кооперативностъ его структуры. Цельность бислоя обеспечивается множеством усиливающих друг друга нековалентных взаимодействий. Фосфолипиды и гликолипиды образуют в воде конгломераты (кластеры), в которых контакт углеводородных цепей с водой сведен до минимума. Эту ситуацию можно сравнить с овцами, сбившимися в тесную кучу в холодную погоду, чтобы снизить потерю тепла. Образованию кластеров способствуют также ван-дер-ваальсовы взаимодействия между соседними углеводородными цепями. Все эти взаимодействия обеспечивают связи между молекулами называются гидрофобными связями. Гидрофобные связи — это результат взаимодействия углеводородных остатков. Гидрофобные участки молекулы не могут взаимодействовать с водой и поэтому устраняются от водной среды, взаимодействуя только друг с другом. Эти связи достаточно слабые. Эти энергетические факторы приводят к трем биологически важным последствиям:

1) липидные бислои имеют тенденцию к увеличению своей поверхности, чем больше площадь, тем больше молекул участвующих в образовании связей, следовательно структура становится более устойчивой из-за увеличения количества связей;

2) липидные бислои стремятся замкнуться на себя так, чтобы на концах не оставалось доступных для контакта с водой углеводородных цепей; в результате замыкания возникает отграниченное пространство (компартмент);

3) липидные слои способны самозапечатываться (самосшиваться), поскольку любая дырка в бислое энергетически невыгодна.