Глава 1. Хим состав и строение биологических мембран
1.1 Липиды биологических мембран
Липиды - это молекулы, которые содержат углеводороды и составляют строительные блоки структуры и функции живых клеток. Примеры липидов включают жиры, масла, воски, некоторые витамины (такие как A, D, E и K), гормоны и большую часть клеточной мембраны, которая не состоит из белка.
Липиды не растворяются в воде, поскольку они неполярны, но, таким образом, растворимы в неполярных растворителях, таких как хлороформ. Сегодня известно огромное количество соединений, нерастворимых в неполярных растворителях или, наоборот, полностью растворимых в воде, которые считаются липидами. В современной органической химии определение термина липиды основано на биосинтетическом родстве этих соединений - жирные кислоты и их производные относятся к липидам [15, с. Жирные кислоты являются основой фосфолипидов, из которых образуются плазматические мембраны и состоят из углеводородной цепи и карбоксильной группы COOH. (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Схемы некоторых С18 жирных кислот:
а – стеариновая; б – олеиновая; в – линолевая; г – ?-линоленовая
Жирные кислоты можно определить по их длине. В клетках жирные кислоты предпочтительно имеют четное число атомов углерода. У растений и животных большинство молекул жирных кислот имеют от 16 до 18 атомов углерода [6, с.460]
Жирные кислоты обозначают Cx: y, где x - количество атомов углерода в цепи, y - количество двойных связей. Жирные кислоты, которые не имеют двойных связей C = C, называются насыщенными, если имеется хотя бы одна двойная связь,
их называют ненасыщенными. Основные биологические жирные кислоты приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Основные биологические жирные кислоты
Хотя в органической химии жирные кислоты и их производные классифицируются как липиды, в биохимии и других областях биологии гидрофобные или амфифильные вещества другой химической природы также классифицируются как липиды.
Липиды в первую очередь включают продукты взаимодействия жирных кислот со спиртами (простые липиды). аминоспирты и другие
соединения (сложные липиды), простагландины и изопреноидные липиды (например, каротиноиды, хлорофилл, витамины E и K).
Триацилглицерины - это простые липиды, которые представляют собой сложные эфиры глицерина трехатомного спирта и трех жирных кислот (рис. 2). Они бывают разных типов в зависимости от природы трех остатков жирных кислот, присоединенных к гидроксильным группам глицерина.
Рисунок 2 – Схемы биологических три- и диглицеридов:
а – триацилглицерол; б – диацилглицерол
Типичная мембрана состоит из фосфоглицеридов, сфинголипидов и стероидов. Эти три класса липидных молекул являются амфифильными и имеют полярную (гидрофильную) головку и гидрофобный (углеводородный) конец.
Гидрофобный эффект и силы Ван-дер-Ваальса стимулируют процесс самосборки бислоя липидных молекул, так что углеводородные остатки скрываются внутри мембраны, а гидрофобные головки погружаются в окружающую водную среду (рис. 3).
Рисунок 3 – Схема фосфолипидного бислоя
Но хотя все мембранные липиды похожи по своей амфифильности, разные классы различаются по химической структуре, содержанию и мембранным функциям [19, с. 490-505].
Фосфоглицериды - это самый распространенный класс липидов на большинстве мембран: они представляют собой производные глицерин-3-фосфата (рис. 4).
Рисунок 4 – Структура фосфоглицеридов
Типичная молекула фосфоглицерина состоит из двух цепей жирных кислот, присоединенных к гидроксильным группам глицерин-3-фосфата. и полярная головка, присоединенная к фосфатной группе.
Два остатка жирных кислот могут различаться по количеству звеньев в углеводородной цепи и по количеству ненасыщенных C-C и ненасыщенных связей C = C (Таблица 1).
Фосфоглицериды классифицируются в соответствии со свойствами их полярных головок. В фосфатидилхолинах, наиболее распространенных фосфолипидах в плазматических мембранах клеток, полярная голова состоит из положительно заряженного спиртового холина, присоединенного к отрицательно заряженному фосфату.
В других фосфоглицеридах молекулы, присоединенные к фосфату, либо содержащие гидроксильные группы, либо подобные холину, заряжены положительно.
Чаще всего используются этаноламин, серин и инозит (рис. 5). Фосфолипиды соответствуют:
• фосфатидилэтаноламин (phosphatidylethanolamine, РЕ):
• фосфатидилсерин (phasphatldylserlne, PS):
• фосфатидилинозитол (phosphattdyllnositol, PI).
Полярные головки фосфоглицеридов с отрицательно заряженной фосфатной группой и положительно заряженными группами или гидроксильными группами интенсивно взаимодействуют с полярными молекулами воды.
Плазмалогены составляют около 20% фосфоглицеридов в организме человека, многие из которых находятся в клетках мозга и сердца. Возможно повышение химической стабильности эфирной связи в
плазмогены или небольшие различия в их пространственной структуре по сравнению с другими фосфоглицеридами имеют некоторое физиологическое значение, которое еще не определено.
Сфинголипиды. Второй класс мембранных липидов - сфинголипиды. Все эти соединения являются производными сфингозина (рис. 5 (b)), длинноцепочечного аминоспирта жирных кислот и содержат другой конец жирной кислоты, который присоединен к аминогруппе сфингозина (рис. 6). Производные сфингозина N-ацил жирных кислот называются церамидами (рис. 5 (c)).
Рисунок 5 – Структура липидов: а – плазмалоген; б – сфингозин; в – церамид; R – жирнокислотные хвосты; Х – полярная головка
В сфингомиелине (SM), наиболее распространенном сфинголипиде, фосфохолин присоединен к гидроксильной группе сфингозина (рис. 6). Следовательно, структура сфингомиелина аналогична структуре фосфатидилхолина, и сфингомиелин также можно отнести к фосфолипидам.
Другой тип сфинголипидов - это гликолипиды, в которых либо моносахарид, либо разветвленный олигосахарид действует как полярная головка. Например, глюкозилцереброзид (GlcCer), простейший гликосфинголипид, содержит связанный сфингозин моносахарид глюкозу. В сложных гликосфинголипидах, называемых ганглиозидами, один или два разветвленных олигосахарида, содержащие остатки N-ацетилнейраминовой кислоты (сиаловой кислоты), присоединены к сфингозину.
Гликолипиды составляют 2-10% от общего количества липидов в плазматической мембране. Большинство из них находится в тканях нервной системы.
Рисунок 6 – Структура сфинголипидов
Стероиды Холестерин и производные eгo образуют третий класс мембранных липидов - стероиды. В основе стероидов лежит углеводородная структура, состоящая из четырех циклов.
Холестерин - главный стероидный компонент клеток животных - имеет гидроксильную группу в конце одного из циклов. (Рисунок 7).
В частности, много холестерина содержится в плазматических мембранах клеток млекопитающих, но полностью отсутствует в большинстве прокариотических клеток. В растениях до 30-50% липидов представляют собой стероиды, специфичные для растительных клеток.
При нейтральном pH заряженные фосфоглицериды (например, фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин) не заряжаются, в то время как другие (например, фосфатидилинозитол и фосфатидилсерин) не заряжаются отрицательно. Тем не менее полярные головки всех фосфолипидов ориентированы с образованием липидного бислоя [17, c. 224].
Рисунок 7 – Холестерол: а – структурная формула; б – ванн-дер-ваальсовая модель молекулы
Сфингомиелины имеют структуру, аналогичную фосфоглицеридам, и объединены в смешанный бислой. Холестерин и другие стероиды слишком гидрофобны, чтобы образовывать отдельную двухслойную структуру, но при смешивании с фосфолипидами они включаются в двухслойные мембраны.[21,c.312].
Мембранные белки - это наномашины, которые позволяют мембранам отправлять и получать сообщения, а также передавать молекулы в клетки и компартменты и из них. Без мембранных белков фосфолипидная мембрана была бы непроницаемым барьером, и клетки не могли бы общаться со своими соседями, переносить питательные вещества или продукты жизнедеятельности из клетки или реагировать на внешние раздражители. Как одноклеточным, так и многоклеточным организмам необходимы мембранные белки для жизни. Мембранные белки, присутствующие в конкретной мембране, определяют, какие вещества будут проницаемыми и какие сигнальные молекулы они могут распознать.
Белки называются мембранными белками, если они интегрированы в фосфолипидный бислой или расположены на поверхности этого бислоя. Это мембранные белки, которые определяют удельную активность конкретной мембраны или участка данной мембраны.
В зависимости от типа клеток и положения мембраны в клетке плотность белков в мембране и их состав могут значительно различаться. Например, внутренняя митохондриальная мембрана состоит на 78% из белков, а миелиновая мембрана - только на 18%. Именно высокое содержание фосфолипидов в миелиновой мембране обеспечивает электрическую изоляцию нервных клеток от окружающей среды.
Важность мембранных белков подчеркивается тем фактом, что около трети дрожжевых генов кодируют именно мембранные белки. А у многоклеточных организмов наблюдается еще большее относительное преобладание количества мембранных белков, поскольку они также необходимы для обеспечения межклеточных контактов. [3, c. 424].
Липидный бислой представляет собой уникальную двумерную гидрофобную среду для мембранных белков. Некоторые белки погружены в этот слой. Другие белки прикреплены к одной из внешних сторон - экзоплазматической или цитозольной - мембране.
Эти домены мембранных белков, расположенные на экзоплазматической стороне, обычно связываются с другими молекулами, такими как внеклеточные сигнальные белки, нони и небольшие метаболиты (например, глюкоза, жирные кислоты), или связываются с молекулами адгезии других клеток или внеклеточных структур. .
Домены плазматической мембраны (трансмембранные), особенно те, которые образуют каналы и поры, способствуют перемещению молекул внутрь и из клетки.
И те домены, которые расположены на цитозольной стороне мембраны, имеют широкий спектр функций, от «закрепления» цитоскелета до запуска внутриклеточных сигнальных систем.
Во многих случаях как функцию новых мембранных белков, так и топологию пространственного расположения их полипептидных цепей можно предсказать на основании их гомологичного сходства с другими хорошо изученными белками.
В зависимости от характера межмембранного взаимодействия мембранные белки можно отнести к одному из трех типов белков. (Рисунок 8):
1) интегральные (трансмембранные) белки:
2) белки, присоединённые к липидам (липид-связанные):
3) периферические белки.
Интегральные мембранные белки, также называемые трансмембранными белками, пересекают мембрану и состоят из трех цитозольных, трансмембранных и экзоплазматических частей [13, с. 303].
Цитозольный и экзоплазматический домены имеют гидрофильную поверхность, которая взаимодействует с водной средой на цитозольной и экзоплазматической сторонах мембраны. Домены Egi похожи на другие водорастворимые белки по аминокислотному составу и пространственной структуре.
Напротив, трансмембранная часть белковой молекулы содержит большое количество гидрофобных аминокислот на поверхности, которые взаимодействуют с внутренней углеводородной частью фосфолипидного бислоя.
Рисунок 8 – Три типа мембранных белков
Во всех известных в настоящее время интегральных белках трансмембранный домен содержит одну или несколько ?-спиралей или несколько ?-структур.
Кроме того, большинство трансмембранных белков гликозилировано сложными и разветвленными олигос-1-харидами, которые присоединены к одной или нескольким аминокислотам белка. Во всех случаях эти углеводные цепи расположены на экзоплазматической стороне.
Связанные с липидами мембранные белки ковалентно связаны с одной или несколькими молекулами липидов. Гидрофобная углеводородная цепь этого липида встроена в один из монослоев мембраны и служит якорем для липид-связанного (заякоренного) белка. Полипептидная мишень самого белка не проникает через фосфолипидный бислой.
Белки периферической мембраны не взаимодействуют с гидрофобным слоем фосфолипидной мембраны. Обычно они
они связываются с мембраной либо напрямую с полярными липидными головками, либо косвенно с интегральными мембранными белками.
Периферические белки расположены на цитоплазматической и цитозольной стороне плазматической мембраны.
В дополнение к этим трем типам белков, которые довольно плотно и окончательно прикреплены к мембране, они обычно связываются с мембраной через периферические (адаптивные) белки, а также белки цитоскелетных волокон с цитозольной стороны (рис. 8)).
Эта ассоциация с цитоскелетом обеспечивает механическую поддержку различных клеточных мембран и распространение информации (передачи сигналов) через мембраны.
Наконец, периферические белки внешней стороны плазматической мембраны и экзоплазматические домены интегральных мембранных белков часто прикрепляются к компонентам внеклеточного матрикса или к клеточным стенкам соседних бактериальных или растительных клеток [10, с. 592].
1.3 Углеводы мембран
Углеводные компоненты биомембран входят в состав гликолипидов, гликопротеинов и мукополисахаридов. В таблице 2 обобщена информация о составе, расположении и функциях вышеуказанных структурных элементов мембран.Таблица 2.
Углеводные компоненты биомембран
Соединения Углеводные
компоненты Другие
компоненты Локализация Функции
Гликолипиды (гликосфинго- липиды) Глюкоза, галактоза, производные аминосахаров глюкозамина и галактозамина,
фукоза, сиаловые
Церамид-N- ацильное производное сфингозина
Плазматическая мембрана, мембрана митохондрий и эндоплазматической сети Участие в межклеточных взаимодействиях, обеспечение антигенных свойств мембран
кислоты
Гликопротеины
4—8 остатков сахаров: глюкоза, галактоза, манноза, производные глюкозамина и галактозамина
Белки (гликозильную связь образуют аспарагиновая и глутаминовая кислоты, серин, треонин)
Плазматические мембраны, мембраны эндоплазматической сети Обеспечение антигенных свойств мембран, участие в иммунологических реакциях; в процессинге — посттрансляционном формировании сложных молекул со специфическими функциями; в стабилизации
белковых молекул
Мукополисаха- риды Гиалуроновая кислота Хондроитин- сульфат Мономер — дисахарид (глюкуроновая кислота+ацетил- глюкозамин) Глюкуроновая
кислота+ацетил- галактозамин
Сульфат
Плазматическая мембрана Участие в формировании поверхностного потенциала, в осуществлении межклеточных
контактов и транспорте
Клеточные мембраны некоторых организмов включают хитин, гомополимер ацетилглюкозамина (у беспозвоночных), муреин или пептидогликан (у бактерий), мономером которого является дисахарид муропептид (ацетилглюкозамин + ацетилмурамовая кислота).
В плазматической мембране количество углеводов невелико по сравнению с белками и липидами и составляет от 2 до 10% от сухой массы мембран. Наблюдается асимметрия в распределении углеводов, а также белков и липидов: они расположены на той стороне мембраны, которая не контактирует с цитозолем. Лектины, белки растительного и животного происхождения, которые специфически связывают сахара, используются в качестве биохимического маркера для изучения локализации и выделения углеводсодержащих локусов плазматической мембраны. Их называют белками, распознающими углеводы, которые отличаются от ферментов и антител и не вызывают химических превращений в распознаваемом лиганде [8, с. 208].
Конканавалин А относится к классу лектинов (фитогемагглютининов), которые способны агглютинировать клетки млекопитающих. Это гликопротеин, состоящий из двух субъединиц (изолектинов) с молекулярной массой 260 кДа; каждый содержит 237 аминокислотных остатков; при pH> 7,0 - тетрамер.
