7 семестр / Липиды и мембраны-лекция
.pdf59
правилом Марковникова и дает двухатомный спирт терпин, который используется в медицине при лечении бронхита.
Ментол содержится в эфирном масле перечной мяты. Он обладает антисептическим и успокаивающим действием. Структура ментола содержит три хиральных атома углерода, ей соответствует 8 стереоизомеров. Природный ментол существует в конформации кресла, где все три заместителя занимают экваториальное положение.
Бициклические монотерпены
Содержат два цикла и одну двойную связь. Основу их углеродного скелета составляют углеводороды каран, пинан и камфан, которые могут быть построены из ментана путем замыкания еще одного цикла за счет образования мостика изопропильной группой при замыкании ее в орто-,
ментан |
каран |
пинан |
камфан |
метаили пара-положения ментанового цикла.
Бициклический монотерпен ряда пинана -пинен – основная составная часть скипидара. Наиболее важным терпеноидом ряда камфана является камфора, которая используется как стимулятор сердечной деятельности. Структуры -пинена и камфоры содержат два хиральных атома углерода и должны иметь 4 стереоизомера. Однако из-за жесткости структур возможно существование только двух энантиомерных форм.
|
|
|
CH |
CH |
CH |
|
CH |
|
|
|
|
|
3 |
|
|||
|
|
|
3 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
CH |
|
||
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
3 |
|
|
|
* |
O |
3 |
|
|
|
|
|
* |
|
* |
|
|
* |
O |
||
|
|
* |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
H |
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
−пинен |
камфора |
(+)-камфора |
|
(-)-камфора |
|
Сесквитерпены и терпеноиды
Сесквитерпены – это тримеры изопрена, имеют состав С15Н24. Как и монотерпены, эти вещества находятся в эфирных маслах растений.
CH2OH
фарнезол
60
Например, ациклический терпеновый спирт фарнезол – душистый компонент ландыша.
Дитерпены и терпеноиды
Дитерпены – это тетраизопреноиды, содержат в молекуле 20 атомов углерода. Важную биологическую роль играют дитерпеновые спирты: фитол
|
CH2OH |
CH2OH |
|
|
|
фитол |
|
витамин А |
– спирт, в виде сложного эфира входящий в состав хлорофилла, и витамин А (ретинол).
Тетраизопреноидные |
фрагменты |
|
|
содержат |
молекулы |
||||||
жирорастворимых витаминов Е и К1. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
CH |
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
O |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(CH CH CH |
CH |
) CH |
|
|
витамин Е |
|
|||
|
|
2 |
2 |
2 |
|
3 |
3 |
|
|
|
|
HO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
CH |
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
3 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
CH CH C |
(CH CH CH |
CH |
) |
CH |
|
витамин К |
1 |
|||
|
2 |
|
2 |
2 |
2 |
|
3 |
3 |
|
||
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тритерпены и терпеноиды
Содержат шесть изопреновых фрагментов. Наиболее важным тритерпеном является сквален С30Н50, выделенный из печени акулы. Сквален является биологическим предшественником стероидов (промежуточный продукт в биосинтезе холестерина).
61
сквален
Тетратерпены и терпеноиды
Содержат восемь изопреновых фрагментов. Тетратерпены широко распространены в природе. Наиболее важными из них являются растительные пигменты – каротиноиды. Их молекулы содержат длинную систему сопряженных двойных связей и поэтому окрашены. -Каротин – растительный пигмент желто-красного цвета, в большом количестве содержащийся в моркови, томатах и сливочном масле. Все каротины – предшественники витаминов группы А. Молекула -каротина состоит из двух одинаковых частей и in vivo превращается в две молекулы витамина А.
|
|
CH OH |
|
2 |
2 |
|
|
|
-каротин |
|
витамин А |
Стероиды
Стероиды – природные биологически активные соединения, основу структуры которых составляет углеводород стеран. Как и терпены стероиды
|
|
|
12 |
|
13 |
17 |
|
||
|
|
11 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
|
9 |
C |
* |
D |
16 |
|||
10 |
* |
стеран |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
A * |
* |
|
8 |
14 |
15 |
|
|||
B * |
|
|
|
|
|
||||
|
* |
|
|
7 |
|
|
|
|
|
4 |
5 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
относятся к изопреноидам и связаны с ними общими путями биосинтеза. Большинство стероидов имеют метильные группы в положениях 10 и
13, а также заместитель в положении 17, содержащий до 10 атомов С. В зависимости от величины заместителя в положении 17 различают три основные группы стероидов: стерины, желчные кислоты и стероидные гормоны.
Незамещенный стеран содержит 6 хиральных атомов углерода в местах сочленения циклов и должен иметь 64 стереоизомера. Введение заместителей к любому атому углерода стерана также делает его хиральным. Однако возможное число стереоизомеров ограничено из-за жесткости структуры.
Стереохимическая конфигурация стерана определяется типом сочленения колец А, B, C и D. При транс-сочленении заместители у узловых атомов углерода (С5 и С10; С8 и С9; С13 и С14) находятся по разные стороны цикла, при цис-сочленении – по одну сторону. Теоретически возможно 8 различных комбинаций сочленения 4-х колец стерана. Однако в
62
природных стероида сочленение колец В/С и С/D, как правило, транс, а колец A/В - цис или транс.
Расположение заместителей в кольце стерана над или под плоскостью кольца обозначается буквами и соответственно. Тип сочленения колец В/С и С/D неизменен и поэтому не указывается. Тип сочленения колец A/В указывается по ориентации заместителя в положении 5: 5 -стероид имеет транс-сочленение, а 5 -стероид цис-сочленение колецА/В. Таким образом различают два стереохимических ряда стероидов: 5 -стероиды и5 - стероиды.
Для изображения стероидов используют конформационные формулы или плоское изображение. В последнем случае заместители изображают либо
|
|
10 |
|
|
|
13 |
|
|
|
C |
D |
|
|
|
9 |
|
|
C |
D |
|
|
|
|
||
A |
|
|
|
|
8 |
|
A |
B |
|
|||
|
|
|
B |
|
14 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 -стероид (А/В - транс; В/С - транс; С/ D - транс) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
13 |
|
|
|
C |
D |
|
|
10 |
9 |
|
C |
|
D |
|
|
|
|
|
|
A |
B |
8 |
|
|
A |
B |
|
|
||||
|
|
|
14 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 -стероид (А/В - цис; |
В/С - транс; С/ D - транс) |
|
|
|||||
над плоскостью ( -конфигурация), |
либо под плоскостью ( -конфигурация) |
|||||||||||
чертежа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стерины
Стерины – природные спирты ряда стероидов, основа углеродного
|
|
|
18 |
21 |
|
22 |
23 |
26 |
|
|
|
12 CH3 |
|
20 |
|
||
|
19 |
11 |
13 |
17 |
24 25 |
27 |
||
|
CH3 |
16 |
|
|
||||
1 |
9 |
|
|
|
|
|||
|
10 |
|
|
14 |
|
|
|
холестан |
2 |
|
|
8 |
15 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
3 |
|
5 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4 |
|
6 |
|
|
|
|
|
скелета которых - углеводород холестан.
Все стерины содержат группу ОН в положении 3 и являются, таким образом, вторичными спиртами. Стерины присутствуют во всех тканях животных и растений. Они являются промежуточными продуктами в биосинтезе желчных кислот и стероидных гормонов. Примерами стероидов животного происхождения являются холестанол и холестерин. По номенклатуре ИЮПАК названия стероидов строятся в соответствии с
63
правилами заместительной номенклатуры. При этом за родоначальную структуру берется соответствующий насыщенный углеводород, в случае стеринов это холестан.
|
CH |
|
CH |
|
3 |
|
3 |
|
CH |
|
CH |
|
3 |
|
3 |
3 |
5 |
3 |
5 |
HO |
|
HO |
|
5−холестанол -3 |
|
холестерин |
|
|
|
|
(холестен -5-ол-3 ) |
Холестерин является наиболее распространенным стерином животных и человека. Он присутствует во всех животных липидах, крови и желчи. Мозг содержит 7% холестерина в расчете на сухую массу. Нарушение обмена холестерина приводит к его отложению на стенках артерий и атеросклерозу, а также к образованию желчных камней.
Желчные кислоты
Желчные кислоты – это гидроксикарбоновые кислоты ряда стероидов. Основа строения желчных кислот – углеводород холан.
|
|
|
|
18 |
21 |
|
22 |
|
|
OH |
|
|
|
|
|
|
|
|
23 |
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|
12 |
CH |
|
20 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
24 |
|
|
|
19 |
11 |
|
13 |
17 |
24 |
|
CH |
12 |
COOH |
||
|
CH |
|
16 |
|
|
|
|
|||||
1 |
9 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|||
10 |
3 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
||
2 |
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|||
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
3 |
5 |
7 |
|
|
|||||
3 |
|
5 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
||
4 |
|
6 |
|
|
|
|
HO |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
холан |
|
|
|
|
холевая кислота |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
(3, 7 , 12 −тригидрокси-24-карбокси-5 |
−холан) |
Желчные кислоты образуются в печени из холестерина. Натриевые и калиевые соли желчных кислот являются поверхностно-активными веществами. Эмульгируя жиры, они способствуют их всасывание и перевариванию.
Стероидные гормоны
Стероидные гормоны – физиологически активные вещества ряда стероидов, вырабатываемые железами внутренней секретиции.
По химическому строению и биологическому действию различают гормоны коры надпочечников (кортикостероиды), мужские половые гормоны (андрогены) и женские половые гормоны (гестагены и эстрогены). Каждому типу стероидных гормонов соответствует углеводород, который составляет основу их углеродного скелета. Для кортикостероидов и гестагенов это – прегнан, андрогенов – андростан, эстрогенов – эстран.
64
|
C H |
|
|
|
CH |
2 |
5 |
CH |
CH |
|
|
|||
3 |
|
|
3 |
3 |
CH |
|
|
CH |
|
3 |
|
|
3 |
|
прегнан |
|
|
андростан |
эстран |
На рисунке приведены примеры некоторых стероидных гормонов, вырабатываемые разными железами внутренней секреции.
|
|
CH OH |
|
|
|
|
|
|
|
| |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
C=O |
CH |
OH |
CH |
OH |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
3 |
|
||
HO |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
CH |
|
|
|
CH |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
H |
|
|
H |
|
H |
|
O |
|
|
|
O |
|
HO |
|
|
|
|
|
|
|
||
кортикостерон |
|
|
тестостерон |
|
эстрадиол |
|
Кортикостерон – гормон коры надпочечников, регулирует углеводный обмен, действует как антагонист инсулина, повышая содержание сахара в крови. Тестостерон – мужской половой гормон, стимулирует развитие вторичных половых признаков. Эстрадиол – женский половой гормон, контролирует менструальный цикл.
Липидные мембраны
Жидко-мозаичное строение мембран
Молекулы фосфолипидов дифильны. Они содержат полярную гидрофильную «голову» и неполярный гидрофобный «хвост». В водной среде они способны образовывать сферические мицеллы – липосомы, которые можно рассматривать как модель клеточных мембран.
Фосфолипиды – основные структурные компоненты клеточных мембран. Клеточные мембраны рассматриваются как липидные бислои. В таком бислое углеводородные радикалы фосфолипидов за счет гидрофобных взаимодействий находятся внутри, а полярные группы липидов располагаются на внешней поверхности бислоя.
65
|
|
o |
o o o |
o |
o |
o |
|
|
|
|
|
|
|||
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
o o o o o o |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
|
o o o o |
o o o o o |
||||
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
|||||
o |
|
|
|
|
o o o |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
o |
o |
|
|
|
o |
|
|
|
|
|||
o |
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
o |
|
|
o |
|
|
o |
|
|
o |
|
|
|
|
||
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
||||
o |
|
|
|
o |
|
|
o |
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
|
o |
|
|
|
o o o o o o oo o o o o |
o o |
o o |
||||
|
|
|
|
|
oo |
o |
|
|
|
|
|||||
o |
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
o |
o |
o |
|
|
|
|||
|
o |
|
|
|
|
o |
|
|
- фосфолипиды |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
o |
o |
|
|
|
|
|
- белки |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Строение липосомы |
|
Строение клеточной мембраны |
|
Важную роль в стабилизации липидных мембран играет холестерол. Примерно половина молекул липидов – молекулы холестерола. Полярная гидроксильная группа холестерола (полярная «головка») взаимодействует с полярными группами фосфолипидов, а жесткий гидрофобный углеводородный радикал – с верней частью углеводородных радикалов жирных кислот. Молекулы холестерола, в отличие от фосфолипидов, могут переходить из одного монослоя в другой, тем самым обеспечивая упругость мембран. Кроме того, холестерол придает мембранам определенную жесткость и уменьшает проницаемость мембран для заряженных молекул.
Мембраны – вязкие, но пластичные структуры. Согласно жидкостномозаичной модели в жидкий липидный бислой встроены молекулы белков, гликолипидов и гликопротеинов. Эти молекулы составляют 50% по массе всех компонентов мембран.
Мембранные белки, гликопротеины и гликолипиды, связанные с мембранными липидами ковалентно или пронизывающие липидные бислои насквозь, называют интегральными; молекулярные комплексы, связанные с поверхностью мембран, - периферическими.
Функции мембранных гликолипидов, гликопротеинов, белков
Белки-переносчики гидрофильных молекул или ионов через мембрану.
Ферменты, взаимодействующие с жирорастворимыми веществами.
Рецепторы на поверхности клеток (гликолипиды и гликопротеины).
Свойства цитоплазматических мембран клеток
Мембраны – жидкие вязкие текучие структуры.
Мембраны обеспечивают гидрофобный барьер для гидрофильных веществ.
Мембраны ассиметричны, т.е. монослои различаются фосфолипидным
составом, распределением холестерола и белков.
Основываясь на свойствам мембран была предложена жидко-мозаичная модель строения мембран.
66
Жирнокислотный состав бактерий. Клеточные стенки бактерий
Все липиды бактерий производные глицерина содержат один или несколько остатков жирных кислот, состав которых своеобразен. Полиненасыщенные жирные кислоты у бактерий отсутствуют. Исключение составляют цианобактерии, у разных видов которых найдены полиненасыщенные жирные кислоты типа С16:2, С18:2, С18:3, С18:4. Помимо обычных жирных кислот, то есть обнаруживаемых и в клетках эукариот, в составе мембранных липидов бактерий находят и кислоты, не встречающиеся, как правило, в мембранах эукариот. Набор жирных кислот в мембранных липидах также чрезвычайно видоспецифичен. У некоторых грамположительных бактерий С15-жирная кислота с разветвленной цепью может составлять до 90 % всех жирных кислот липидов. Главная функция липидов поддержание механической стабильности мембраны и придание ей гидрофобных свойств.
Особый состав липидов обнаружен в мембранах архей. У них не найдены типичные для бактерий эфиры глицерина и жирных кислот, но присутствуют эфиры глицерина и высокомолекулярных С20, С40спиртов, а также нейтральные изопреноидные С20, С30углеводороды.
Бактерии можно разделить на два класса в зависимости от способности окрашиваться по методу, разработанному датским бактериологом Грамом в 1884 г. В процессе отмывки, которая следует за процедурой окрашивания, грамположительные бактерии удерживают фиолетовый краситель, а грамотрицательные теряют его. Это явление обусловлено фундаментальными различиями в структуре клеточных стенок двух указанных классов бактерий. Грамположительные бактерии обладают однослойной электроноплотной нелипидной клеточной стенкой толщиной 20-80 нм. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка двухслойная. Первый слой – очень тонкая (1 нм) нелипидная мембрана – окружен вторым: липидной мембраной толщиной 7,5 нм.
67
Рис. Клеточные стенки грамотрицательных и грамположительных бактерий (рисунок из Э.Рис, М.Стернберг «Введеие в молекулярную биологию»,М. - Мир, 2002, с. 109)
Клеточная стенка – это жесткая структура, которая служит для поддержания структуры клетки и предотвращает ее лизис из-за осмотического шока. При обработке бактерий гидролитическим ферментом (лизоцимом) клеточная стенка может «раствориться». В случае грамположительных бактерий после такой обработки остаются клетки, чувствительные к осмотическому шоку, имеющие только плазматическую мембрану и называемые протопластами. У грамотрицательных бактерий
68 |
|
вторая, наружная мембрана сохраняется |
и образующиеся клетки, |
называемые сферопластами, несколько менее чувствительны к осмотическому шоку. Материал клеточных стенок, который теряется в обоих случаях, известен как пептидогликан (см. лекцию по полисахаридам).
Пептидогликан – это сложный матрикс, содержащий полисахаридные цепи, связаные друг с другом поперечными сщивками из коротких пептидных цепей. Полисахарид – это (1 4)-цепь из чередующихся моносахаридов N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты. У грамположительых бактерий эти цепи образуют трехмерный волокнистый матрикс, имеющий до 40 слоев, а у грамотрицательных – слой только один. Таким образом толщина пептидогликанового матрикса может составлять от 1 до 80 нм. Полисахаридные цепи связаны между собой пептидными цепочками. Поперечные сшивки содержат два типа структур: тетрапептидные элементы и пептидные мостики которые соединяют полисахаридные цепи через тетрапептидный элемент. Тетрапептид представляет собой чередующуюся цепь L- и D- аминокислот. Это способствует большей устойчивости его к протеолитическому расщеплению. Пептидный мостик – пентапептидная цепочка, состоящая из аминокислот с небольшимибоковыми радикалами.
Рис. Строение пептидогликана клеточных стенок бактерий (из А.Ленинджер «Основы биохимии» в 3-х т., М. – Мир, 1985, т.1, с.317)
Механизм действия некоторых антибиотиков состоит в их «вмешательстве» в сборку клеточной стенки (пеницилин).