senchuk_v_v_biohimiya_kurs_lekcii

В большинстве глицерофосфолипидов R1 представляет собой остаток какой-либо насыщенной жирной кислоты, R2 — полиненасыщенной кислоты. Радикалы остатков жирных кислот формируют два длинных гидрофобных «хвоста», а остатки фосфорной кислоты и полярного радикала R3 — гидрофильную «головку», несущую заряд при физиологических значениях рН среды. Холин, ìèî-инозитол и другие полярные соединения присутствуют в клетках и в свободном состоянии. Холин, например, является донором метильных групп и относится к незаменимым пищевым факторам для человека, а его производное, ацетилхолин, является медиатором парасимпатической нервной системы. Ìèî-инозитол и ряд его изомеров широко представлены в растениях в виде фитиновой кислоты (гексафосфата инозитола) и фитина (магниево-кальциевой соли фитиновой кислоты). Эти соединения также являются важными пищевыми факторами для человека. Особые биохимические функции глицерофосфолипидов реализуются в реакциях гидролиза фосфолипазой А, которая освобождает полиненасыщенные жирные кислоты для реакций биосинтеза биологически активных эйкозаноидов. При участии другого фермента — фосфолипазы С, активность которого регулируется гормонами и другими внеклеточными регуляторами, происходит гидролиз фосфорилированных производных фосфатидилинозитов на диацилглицеролы и инозитолфосфаты (на-

пример, 1,4,5-инозитолтрифосфорная кислота, IP3). Эти соединения являются мощными внутриклеточными регуляторами разнообразных биохимиче- ских реакций. Тем самым фосфатидилинозитолы принимают непосредственное участие в регуляции биохимии и физиологии клеток.

Фосфатидилглицерины — это важнейшие структурные фосфолипиды хлоропластов растений, составляют

около 50 % липидов листьев.

Лизофосфолипиды — это производные фосфолипидов, которые образуются в реакции ограниченного гидролиза фосфолипазой А. Небольшие коли- чества лизофосфолипидов образуются в норме в организме. Под действием фос-

122

фолипазы А ядов змей и пчел происходит мощный выброс лизофосфолипидов. Лизофосфолипиды обладают чрезвычайно высокой поверхностной активностью, вызывают разрушение (гемолиз) эритроцитов, участвуют в регуляции функциональной активности лимфоцитов.

Ê полифосфолипидам относят кардиолипин — обязательный компонент мембраны бактерий, внутренней мембраны митохондрий и хлоропластов. Кардиолипин содержит три остатка глицерина, соединенные друг с другом фосфодиэфирными связями, причем ОН-группы крайних остатков глицерина этерифицированы жирными кислотами (радикалы

R1, R2, R3, R4).

Плазмалогены (фосфатидали) отличаются от других глицерофосфолипидов тем, что у них вместо остатка жирной кислоты при Ñ-1 присутствует остаток ,-ненасыщенного спирта (радикал R1), соединенного простой эфирной связью с глицерином. Группа R3 — остатки холина, серина или этаноламина. Следовательно, существуют фосфатидальхолины, фосфатидальсерины и фосфатидальэтаноламины. Плазмалогены почти исключи-

тельно представлены в значительных количествах только в клетках животных, достигая 25 % всех фосфолипидов у многих бес-

позвоночных.

Диольные фосфолипиды — это эфирные соединения этиленгликоля и жирных кислот. Относительно редки у большинства животных, составляя не более 1,5 % от всех глицеролипидов. Этиленгликоль весьма токсичен для человека. Однако у иглокожих и морских моллюсков содержание диольных фосфолипидов

123

может достигать 50 % всех фосфолипидов, выполняя роль энергетического резерва и даже антифриза.

СФИНГОФОСФОЛИПИДЫ

Сфингофосфолипиды построены на основе мононенасыщенного двухатомного аминоспирта сфингозина. По существу, сфингофосфолипиды — это фосфохолиновые производные церамидов. Сфингомиелины амфифильны и составляют значительную часть биомембран как в структурном, так и в функциональном отношении, в особенности в нервных клетках.

Ðèñ. 30. Строение сфингофосфолипидов

Липиды, и в частности фосфолипиды, в отличие от нуклеотидов, аминокислот и моносахаридов не образуют в живых объектах ковалентных биополимеров. Вместе с тем амфифильность фосфолипидов лежит в основе их способности образовывать нековалентные полимеры — липопротеины, хиломикроны,

124

одно- и двухслойные биологические мембраны. Биомембраны

представляют собой особые белково-липидные комплексы в виде пленок толщиной 5—10 нм (см. рис. 28). Обычно соотношение между липидами и белками [липид]/[белок] = 1:1 — 1:2, изредка доходя до 1:3 в очень жесткой внутренней мембране митохондрий. Напротив, в мембране миелинового волокна содержание липидов в 4 раза превышает содержание белков. Молекулы поверхностных белков могут находиться на поверхности бислоя, а молекулы интегральных белков погружены в гидрофобную часть бислоя и полностью его пронизывают. Общее число индивидуальных соединений в составе биомембран превышает 200! И все они удерживаются вместе за счет нековалентных, в основном гидрофобных, взаимодействий. Главными липидами мембран млекопитающих являются фосфолипиды (40—90 %), гликолипиды и холестерол. До 10 % сухого вещества биомембран составляют углеводные компоненты гликопептидов и гликопротеинов. Причем гликолипиды и гликопротеины почти всегда локализованы на внешней поверхности мембраны, и следовательно, углеводные компоненты экспонированы наружу клетки. К минорным соединениям биомембран относятся плазмалогены, каротиноиды, токоферолы, убихиноны, долихолы, порфирины, ионы кальция и магния и др. Минорные компоненты в значительной степени определяют видоспецифичность и тип биомембран. Биомембраны клеток животных, растений, бактерий и других живых организмов существенно отличаются друг от друга по биохимическому составу. Более простым является состав мембран бактерий. Также далеко не одинаков состав различных внутриклеточных мембран, что свидетельствует об их структурно-функци- ональной неоднородности и о функциональных особенностях тех или иных биомолекул. Асимметричное распределение основных и минорных соединений в каждом из слоев (внешний и внутренний) биомембран строго контролируется и поддерживается специальными биохимическими механизмами, включая специальные внутриклеточные белки-переносчики липидов. Архитектура биомембран, обратимые перемещения белковых комплексов в биомембранах в значительной степени контролируются подмембранными компонентами цитоскелета. Во всех клетках постоянно происходит биохимическое обновление компонентов биомембран.

125

ГЛИКОЛИПИДЫ

Гликолипиды — ковалентные соединения липидных и углеводных фрагментов, широко распространены у животных, в растениях, грибах, водорослях, бактериях. Встречается несколько типов гликолипидов. Гликозилдиглицериды состоят из остатка глицерина, ацетилированного в положения 1 и 2 высшими жирными кислотами, а по положению 3 связанного гликозидной связью обычно с дисахаридом D-галактозы. Гликозилдиглицери-

ды входят в состав мембран хлоропластов растений. Гликосфинголипиды — это гликозилированные производ-

ные церамидов. Церамиды построены из остатка сфингозина, N-ацетилированного остатком высшей жирной кислоты, особенно распространены в растениях. Существует два основных типа гликосфинголипидов — цереброзиды è ганглиозиды, которые устроены по единому плану. Сфингозин связан по ОН-группе гликозидной связью с остатком углевода, а по азоту аминогруп-

пы связан амидной связью с остатком жирной кислоты. Цереброзиды — это гликосфинголипиды, в состав которых

входят остатки D-галактозы и необычных жирных кислот (нер-

воновой, лигноцериновой и цереброновой).

Ганглиозиды отличаются от цереброзидов более сложной структурой углеводного компонента в виде олигосахарида, содержащего остатки D-глюкозы, D-галактозы, N-ацетил-нейра- миновой кислоты, N-ацетил-глюкозамина и др. Цереброзиды и ганглиозиды входят в состав плазматических мембран, участвуют в формировании межклеточных контактов, в рецепции внеклеточных регуляторов, некоторых вирусов и бактерий.

Цереброзиды

Ганглиозиды

Сфингозин

O

Гексоза

Сфингозин

O

Олигосахарид

O

N

H

O

N

H

R

R

Полипренилфосфатсахара — это соединения углеводного компонента с фрагментом полипренола (обычно долихола) через остатки фосфорной или пирофосфорной кислоты. Полипренилфосфатсахара используются как промежуточные соединения при переносе моно- и олигосахаридов в реакциях биосинтеза полисахаридов, гликопротеинов, липополисахаридов.

126

Гликолипиды микроорганизмов разнообразны по структуре и часто представлены в виде дисахаридов D-глюкозамина, которые подвергаются этерификации по ОН-группам остатками гидроксипроизводных жирных кислот.

Гликолипиды обладают поверхностной активностью. Функции большинства гликолипидов связаны с участием в построении и функционировании биологических мембран.

ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ

Жирные кислоты — это высшие монокарбоновые кислоты, обычно неразветвленные, с четным числом С-атомов, соединения общей формулы R–СООН. Термин «жирные кислоты» появился в связи с тем, что эти соединения впервые получены из жира. Жирные кислоты относятся к универсальным биомолекулам, поскольку присутствуют в составе всех живых объектов. Наиболее разнообразно строение жирных кислот микроорганизмов. Жирные кислоты — это наиболее восстановленные биомолекулы, и не случайно, что основным направлением метаболизма является их окисление и извлечение полезной энергии.

В природе преобладают жирные кислоты с числом С-атомов от 10 до 22, особенно С16- è Ñ18-карбоновые кислоты. Жирные кислоты с короткой цепью (< 8 атомов С) летучи, придают неприятный вкус и запах природным маслам. Большинство жирных кислот — это одноосновные соединения с рК около 4,9, т. е. при физиологических значениях рН среды доминирует анион R–СОО–. С увеличением длины углеродного скелета уменьшается растворимость жирных кислот в воде и растет поверхностная активность. Натриевые и калиевые соли длинноцепочечных жирных кислот (мыла) образуют в воде мицеллы. Содержание свободных жирных кислот в объектах обычно невелико по сравнению со связанными жирными кислотами в составе ацилглицеринов, гликолипидов, фосфолипидов и других соединений. Жирные кислоты подразделяют на несколько групп по числу двойных связей (n): 1) насыщенные (n = 0); 2) мононенасыщенные (n = 1); 3) полиненасыщенные (n = 2 и более). В номенклатуре жирных кислот широко используются тривиальные названия. По ИЮПАК систематическое название жирных кислот производят от названия соответствующего углеводорода, выбирая самую длинную цепь С-атомов с СООН-группой. Первым считают С-атом СООН-группы, С2- è Ñ3-атомы часто обозначают как и , а последний С-атом обозначают как .

127

Насыщенные жирные кислоты — это соединения общей

формулы СН3–(ÑÍ2)n–2–СООН, где n — общее число атомов С. Все С-атомы цепи имеют Sp3-гибридизацию и, следовательно,

тетраэдрическую конфигурацию. Вращение вокруг СSp3-ÑSp3 возможно, и углеродная цепь может принимать разные конформации, чаще всего — зигзагообразную (рис. 31). В природе встреча- ются следующие основные жирные кислоты: уксусная (С2), масляная (С4), капроновая (С6), каприловая (С8), каприновая (С10), лауриновая (С12), миристиновая, или н-тетрадекановая (С14), пальмитиновая, или н-гексадекановая (С16), стеариновая, или н-октадекановая (С18), арахиновая, или н-эйкозановая (С20), бегеновая, или н-докозановая (С22) è äð. (ðèñ. 31). Насыщенные жирные кислоты доминируют в составе твердых нейтральных жиров в основном животного происхождения. Иногда встреча- ются необычные жирные кислоты, например гидроксикислота по С-2 — цереброновая кислота (С22), туберкулостеариновая кислота (С19; 10-метилнонадекановая). Насыщенные жирные кислоты используются в клетках для биосинтеза ненасыщенных жирных кислот и получения ряда более сложных соединений (ацилглицеринов, гликолипидов, фосфолипидов, стеридов и др.). Насыщенные жирные кислоты подвергаются ферментативному-окислению и, следовательно, являются ключевым энергети- ческим субстратом клеток, удовлетворяя около 30 % потребности в энергии для человека. При окислении 1 г пальмитата выделяющаяся энергия запасается в количестве 0,5 моля АТФ, тогда как для 1 г глюкозы эта величина в 2,5 раза меньше.

Ненасыщенные жирные кислоты составляют основу ацилглицеринов жидких растительных масел, фосфолипидов биомембран. Двойные связи резко меняют конформацию молекулы, и у ненасыщенных жирных кислот реализуется менее выгодная термодинамически, но более компактная öèñ-структура двойной связи, что имеет чрезвычайно важное значение для проявления жидкокристаллических свойств биологических мембран. К важнейшим природным ненасыщенным кислотам относятся (см. также рис. 31):

1. Мононенасыщенные:

кротоновая (С4:1);

пальмитоолеиновая (С16:1) öèñ-9-гексадеценовая;

олеиновая (С18:1) öèñ-9-октадеценовая;

эруковая (С22:1);

нервоновая (С24:1).

128

2. Полиненасыщенные:

линолевая (С18:2) öèñ-9,12-октадекадиеновая;

-линоленовая (С18:3) öèñ-9,12,15-октадекатриеновая;

-линоленовая (С18:3) öèñ-6,9,12-октадекатриеновая;

дигомо- -линоленовая (С20:3) öèñ-8,11,14-эйкозатриеновая;

арахидоновая (С20:4) öèñ-5,8,11,14-эйкозатетраеновая;

тимнодоновая (С20:5) öèñ-5,8,11,14,17-эйкозапентаеновая.

Âбольшинстве случаев природные полиненасыщенные кислоты — это полностью öèñ-изомеры с изолированными двой-

ными связями ( H3C COOH ), тогда как сопряженные двойные связи ( H3C COOH ) обнаруживаются в промежуточных продуктах перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот, которое происходит во всех клетках и во внеклеточных средах. В патобиохимии клеток и организма в целом особое значение принадлежит неферментативным реакциям перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот, которые инициируются свободными радикалами — активными формами кислорода (главным образом, ОН-радикал), алкильными, ароксильными, алкоксильными радикалами органических соединений. Эти радикалы генерируются в разнообразных биохимических реакциях. С увеличением степени ненасыщенности возрастает легкость окисления жирной кислоты. В результате перекисного окисления происходит деструкция жирных кислот

èобразуются конечные продукты — альдегиды (малоновый диальдегид), кетоны (4-гидрокси-2,3-ноненаль), алканы (гептан). Многие продукты перекисного окисления проявляют высокую цитотоксичность и мутагенность, разрушают биомембраны, повреждают белки и нуклеиновые кислоты. С другой стороны, ферментативное окисление ненасыщенных жирных кислот высвобождает значительную биодоступную энергию для клеток. Специфическое ферментативное окисление некоторых полиненасыщенных жирных кислот по липоксигеназному и циклооксигеназному путям ведет к биосинтезу биологически активных эйкозаноидов. Полиненасыщенные жирные кислоты сравнительно легко галогенируются и восстанавливаются по двойным связям.

Биохимические свойства определяются не только наличием двойных связей, но и СООН-группы, которая подвергается амидированию, этерификации и вовлекается в формирование ряда сложноэфирных и пептидных соединений — ацилглицеринов, гликолипидов, фосфолипидов, стеридов и др.

129

Ðèñ. 31. Химическое строение важнейших жирных кислот

130

Линолевая и -линоленовая кислоты не синтезируются в организме млекопитающих, должны ежедневно поступать с растительной и животной пищей в количестве 5—10 г и относятся к так называемым незаменимым полиненасыщенным жирным кислотам (витамин F). Другие ненасыщенные кислоты синтезируются в клетках млекопитающих. Полиненасыщенные жирные кислоты можно разделить на два ряда соединений по принципу биохимического родства:

1)ðÿä -3 объединяет -линоленовую кислоту и ее биохими- ческие производные, включая тимнодоновую;

2)ðÿä -6 включает линолевую кислоту и ее биохимические

производные (-линоленовая, дигомо- -линоленовая и арахидоновая).

Обозначения -3 и -6 показывают расстояние от ближайшей двойной связи до концевого -С-атома.

ЭЙКОЗАНОИДЫ

Эйкозаноиды — биологически активные гидрофобные производные полиненасыщенных жирных кислот, синтезируются клетками животных, в основном обладают функцией местных биорегуляторов. Природные эйкозаноиды представлены в виде нескольких десятков родственных соединений, которые классифицируют на основании особенностей химического строения.

Простагландины (ПГ, PG) — это биологически активные С20-производные гипотетической простановой кислоты. Биохимическими предшественниками эйкозаноидов являются полиненасыщенные жирные кислоты. Открыты в 30-е гг. ХХ в. шведским ученым У. фон Эйлером. Первым научным сообщением о простагландинах следует, по-видимому, считать сведения 1913 г. об изменении артериального давления у собак при введении безбелкового экстракта простаты, который был получен из ткани 20-летнего преступника после его казни. Много позднее, в 60—70-е гг. ХХ в. главным образом усилиями учеников У. фон

131