17. Фазовая сегрегация липидов.
Микрогетерогенность бислоя и образование в нем кластеров молекул липидов способствует проявлению такого явления, как разделение (сегрегация) фаз в мембране. Латеральное разделение липидных молекул в плоскости бислоя — важная особенность мембраны. Особая сегрегирующая роль в мембране принадлежит холестерину. При низких концентрациях его в мембране происходит латеральное разделение фосфолипид-холестериновых комплексов и свободных молекул фосфолипидов. При этом холестерин взаимодействует в первую очередь с теми молекулами фосфолипидов, которые имеют низкую температуру фазового перехода.
Необходимо отметить, что кроме сегрегирующего холестерин проявляет и другое важное влияние на структуру и физические свойства липидного бислоя. Встраивание холестерина в фосфолипидный бислой вызывает как нарушение квазикристаллической упаковки цепей, так и уменьшение подвижности цепей. Эти эффекты холестерина называют, соответственно, “разжижающим” и “конденсирующим”. При температуре, превышающей точку фазового перехода фосфолипида, холестерин уменьшает подвижность углеводородных цепей. При добавлении холестерина площадь молекулы лецитина уменьшается с 0,96 до 0,56 нм2. Вот почему высокое содержание холестерина характерно для миелина и плазматических мембран, тогда как внутриклеточные мембраны содержат его в небольших количествах. В плотных миелиновых мембранах фосфолипиды и холестерин содержатся в отношении 1:1, а в менее плотных митохондриальных мембранах это отношение равно 3:1 или 8:1.
Этот уплотняющий эффект холестерина максимален в районе центрального участка жирнокислотных радикалов и ослабевает в направлении концевых метальных групп. При температуре ниже точки фазового перехода фосфолипидов холестерин разжижает углеводородную область бислоя.
Фазовые переходы липидов при постоянной температуре могут быть вызваны изменениями заряда полярных групп липидов, возникающими при изменениях рН, ионной силы, концентрации ионов.
18. Липидный полиморфизм.
Фосфолипиды подразделяются на 2 группы: глицерофосфолипиды (производные фосфатидной кислоты – фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит) и сфингофосфолипиды (производные церамида, сфингомиелины). Глицерофосфолипиды представляют собой производные фосфатидной кислоты, к гидроксилу фосфорной кислоты которой сложноэфирной связью присоединен радикал Х (рис. 4., табл. 1), где R1 и R2 – ацильные остатки жирных кислот, содержащих от 12 до 18 атомов углерода (как правило, четное количество).
В названия фосфолипидов, потерявших одну издвух ацильных цепей, вводится приставка «лизо». Лизофосфолипиды обнаруживаются в мембранах в небольших количествах – появление этих веществ приводит к нарушению структуры бислоя и лизису клеток.
Видно, что основными липидами мембран животных клеток являются глицерофосфолипиды: фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин. Структура фосфатидилхолина представлена на рис 5.
Наиболее часто встречающиеся фосфолипиды построены по единому плану, их молекулы стерически хорошо соответствуют друг другу. В то же время, огромное разнообразие фосфолипидов обеспечивается различием жирных кислот, которые входят в состав их молекул.
Существует несколько групп фосфолипидов, отличающихся от
приведенных в таблице 1 по своему строению: 1) плазмалогены, 2) диольные фосфолипиды и 3) дифосфатидилглицериды.
В молекуле плазмалогена первый углерод глицерина (С1) вместо ацильной группы присоединяет альдегид (рис. 4). Радикал Х в плазмалогенах мышц представлен холином, в плазмалогенах мозга –серином или этаноламином.
Диольные фосфолипиды характеризуются тем, что вместо глицерина в составе их молекул содержатся двухатомные спирты: этиленгликоль или пропандиол; это одноцепочечные липиды.
В отношении клеточных мембран они обладают более сильной разрушающей способностью, чем лизолецитин. В малых дозах они не повреждают мембрану, а лишь изменяют ее свойства, например, повышают проницаемость для небольших молекул и ионов. В больших дозах они вызывают гемолиз эритроцитов, снижают рецепцию ацетилхолина, модифицируют иммунные реакции.
Биологическое действие диольных фосфолипидов основано на их способности модифицировать структуру мембраны. Дифосфатидилглицериды – наиболее широко распространенным представителем этой группы фосфолипидов является кардиолипин – непременный компонент митохондриальных мембран, выделенный первоначально из сердечной мышцы.
Сфинголипиды, которые можно представить как производные церамида (жирнокислотного эфира ненасыщенного аминоспирта сфингозина) и монофосфорных эфиров спиртов. В случае наиболее распро- страненного сфинголипида – сфингомиелина таким эфиром является фосфорилхолин. Сфингомиелин содержится в больших количествах в белом веществе мозга, в миелиновых оболочках нервных стволов. Жирные кислоты, входящие в его состав, – длинноцепочечные и содержат мало двойных связей.
Гликолипиды клеточных мембран - гликозильные производные церамида, представлены цереброзидами, сульфатидами и ганглиозидами (рис. 8). В гликолипидах гидрофобная часть представлена церамидом. Гидрофильная группа – углеводный остаток, присоединенный гликозидной связью к гидроксильной группе у первого углеродного атома церамида (рис.9).
В зависимости от длины и строения углеводной части различают цереброзиды, содержащие моно- или олиго-сахаридный остаток, и ганглиозиды, к ОН-группе которых присоединен сложный, разветвленный олигосахарид, N-ацетилнейраминовую кислоту.
Гликолипиды в большом количестве присутствуют в мембранах миелина. Природной функцией мембранных ганглиозидов является участие
в дифференцировке нейрональной ткани, ганглиозиды других клеток - лимфоцитов, определяют видоспецифичность и регулируют межклеточные контакты.
Стероиды – спирты со стерановым скелетом, к которым относятся как немембранные липиды (из них наиболее важны гормоны), так и компоненты мембран. В перечень мембранных компонентов стероидного ряда входят холестерин, ситостерин, тетрахименин. В тканях животных распространен холестерин. Холестерин и его эфиры – непременные составляющие плазматических мембран клеток животных. При этом холестерин легче встраивается в мембрану, чем его эфиры.
Молекула холестерина не содержит длинных прямых цепочек, а состоит из четырех колец; крайнее шестичленное кольцо соединено с полярной гидроксильной группой (ОН), а наиболее отдаленное от него пятичленное кольцо – с разветвленной углеводородной цепочкой из восьми атомов углерода.
Таким образом, молекулы холестерина, как и другие липидные молекулы, имеют полярную голову и вытянутую в длину неполярную часть. Поэтому они хорошо встраиваются в бислойные липидные структуры, образующие клеточные мембраны (рис. 10). При образовании эфиров холестерина (через гидроксильную группу) связь молекулы с бислоем ослабляется, что облегчает его вытеснение из мембраны.
Особенно много холестерола содержится в наружных мембранах. Например, в плазматической мембране клеток печени холестерин составляет около 30% всех мембранных липидов.