Лекция «ЛИПИДЫ и клеточные мембраны»

Лекция «ЛИПИДЫ и клеточные мембраны» Автор: доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии, к. м. н. Т. В. Жаворонок

ЛИПИДЫ – СОЕДИНЕНИЯ, ЭКСТРАГИРУЕМЫЕ ИЗ ТКАНЕЙ ОРГАНИЧЕСКИМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ - растворимы в ацетоне, хлороформе, этаноле… - нерастворимы в воде - вещества самой различной химической природы, Поэтому липиды имеют широкий спектр биологических функций

Биологическая роль липидов n Энергетическая: 1 г жира = 39 к. Дж. Самые энергоемкие. Энергия окисления жиров используется во время работы и обеспечивает восстановительные процессы во время отдыха n Теплоизоляционная (особенно у полярных животных, растений) n Защитная (амортизационная) - предохраняют внутренние органы от механических повреждений и фиксируют их n Строительная - структурный компонент мембран; особенно богата ими нервная ткань n Гормональная - выполняют регуляторную функцию: основа стероидных гормонов n Регуляторная – производные липидов являются эффективными регуляторами метаболических процессов в норме и при патологии (простагландины, лейкотриены, тромбоксаны, регуляторные липиды мембран) n Витаминная – линолевая и линоленовая жирные кислоты входят в состав витамина F, витамин Д – производное холестерина n Жиры – растворители многих неполярных соединений, увеличивают их доступность в метаболизме

Весь жир делят на 2 группы: резервный и протоплазматический Резервный жир адипоциты жировой (адипозной) ткани выполняют функцию депо, большую их часть заполняет липидная капля. локализация: подкожно-жировая клетчатка, брыжейка, сальник, капсула почек и других внутренних органов. состав: меняется в зависимости от характера питания, функционального состояния, физической активности. В норме 10 -15% от веса тела, при ожирении - 30% и более. Протоплазматический жир локализация: плазматические мембраны, (особенно много в мембранах нервных клеток), основа гормонов стероидной природы. состав: процентное содержание и соотношение между разными фракциями липидов очень устойчиво, постоянно, жестко регулируется и не изменяется даже при голодании.

Классификация жиров

1. Глицерины (нейтральный жир) - сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот n в зависимости от количества высших жирных кислот: моно-, ди-, три-глицерины n в зависимости от того одинаковые или разные жирные кислоты: простые и смешанные глицерины

Жирные кислоты - длинноцепочечные органические кислоты, содержат одну полярную карбоксильную группу и углеводородный радикал, в состав которого входит от 3 до 24 атомов углерода За счет длинного углеводородного радикала большинство жирных кислот нерастворимы в воде

Жирные кислоты: - насыщенные (не содержат двойных связей) - ненасыщенные (содержат двойные связи) n и те и другие жирные кислоты ПРЯМОЦЕПОЧЕЧНЫЕ n и те и другие жирные кислоты чаще всего состоят из четного числа атомов углерода, но не всегда n Все ненасыщенные связи в природных кислотах имеют конфигурацию “цис”

Насыщенные жирные кислоты (твердые) n Масляная С 3 Н 7 СООН n Пальмитиновая С 15 Н 31 СООН n Стеариновая С 17 Н 35 СООН Ненасыщенные (жидкие) n Олеиновая С 17 Н 33 СООН СН 3 -(СН 2)7 -СН=СН-(СН 2)7 -СООН n Линолевая С 17 Н 31 СООН СН 3 -(СН 2)4 -СН=СН-СН 2 -СН=СН-(СН 2)7 -СООН n Линоленовая С 17 Н 29 СООН СН 3 -СН 2 -СН=СН-СН 2 -СН=СН-(СН 2)7 -СООН Природные жиры: оливковое, кукурузное, хлопковое, подсолнечное, сливочное масло содержат ЖК разной длины и степени насыщенности. n Чем больше двойных связей – тем более жидкий жир (оливковое масло - триолеин), чем меньше двойных связей – тем более твердый (говяжье сало - тристеарин)

Особое значение для организма имеют полиненасыщенные жирные кислоты: линолевая и линоленовая (витамин F). В организме они не синтезируются При их отсутствии в пище возникает нарушение обмена холестерола, дерматит и другие патологии

2. Воска сложные эфиры высших многоатомных спиртов и высших жирных кислот с примесью свободных жирных кислот, спиртов, насыщенных углеводородов, ароматических и красящих веществ Функция – защита кожи, перьев, плодов. У позвоночных секретируются кожными железами, смягчают и смазывают кожу, образуют защитную смазку на перьях и шерсти, играют роль гидроизоляции. У растений покрывают листья, стебли, плоды, семена

Основные представители восков n Спермацет – эфир цетилового спирта (СН 3(СН 2)14 СН 2 ОН) и пальмитиновой кислоты СН 3(СН 2)14 СООН. Добывают из головы кашалота, где он находится в фиброзном мешке в углублении костей черепа. Звукопровод при эхолокации. Используют в парфюмерии для изготовления кремов, мазей, губных помад и т. д. n Ланолин – смазочное вещество шерсти овец, используют в парфюмерии n Прополис. Пчелиный воск содержит мирицилпальмитат – сложный эфир пальмитиновой кислоты C 15 H 31 COOH и мирицилового спирта C 29 H 59 CH 2 OH. Этот продукт пчеловодства используют в фармацевтической промышленности

Сложные жиры: 1. Липопротеины Комплексные соединения с белками n Входят в состав клеточных мембран n Являются транспортной формой липидов в крови: липидная капля окружена апобелками (надмолекулярные комплексы). Представители: ЛПВП, ЛПНП, ЛПОНП, хиломикроны и другие

2. Фосфолипиды n - это сложные эфиры различных многоатомных и аминоспиртов с жирными кислотами и фосфорной кислотой n основные компоненты мембран клетки, встречаются в плазме крови n функции: рецепторная, барьерная, транспортная. Никогда не запасаются в больших количествах А) ФОСФОГЛИЦЕРИНЫ (ГЛИЦЕРОФОСФОЛИПИДЫ) наиболее хорошо изучены. Содержат остатки глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты, аминоспиртов: коламина, холина, серина и др. Основной промежуточный продукт - фосфатидная кислота

Х= -СH 2 -CH 2 -N(+)(СН 3)3 - фосфатидилхолины Х= -СН 2 -NH 2 - фосфатидилэтаноламины Х= -СН 2 -СН(NH 2)COOH - фосфатидилсерины Х= -СН 2 -СН(ОН)-СН 2 -ОН - фосфатидилглицерины Х= сахар - фосфатидил сахара (иначе – гликолипиды)

Х= циклический шестиатомный спирт инозит Называют фосфатидилинозиты или инозитолфосфатиды

дифосфатидилглицерин

Б)Липиды, не содержащие глицерин вместо глицерина содержится (сфингофосфатидов)

ацилирование сфингозина – по аминогруппе

Сфингомиелин содержит сфингозин в виде церамида, соединенного с остатком холина через фосфорную кислоту (подобно глицерофосфолипидам)

3. Гликолипиды n ГЛИКОСФИНГОЛИПИДЫ отличаются от фосфолипидов: - нет остатка фосфорной кислоты - есть моносахарид или его производное В нервной ткани формируют белое и серое вещество В зависимости от длины и строения углеводной части: n Цереброзиды - моно или олигосахаридные остатки (чаще глюкозы или галактозы), связанные гликозидной связью с третьим гидроксилом сфингозина (без участия фосфорной кислоты) n Ганглиозиды - длинные цепочки из молекул углеводов (сложный разветвленный олигосахарид, в его составе N-ацетил-нейраминовая или сиаловая кислоты)

ОБЩИЕ СВОЙСТВА глико- и фосфолипидов n амфотерность - способность к диссоциации по кислотному и щелочному типам n образование биполярных ионов n благодаря этому глико- и фосфолипиды легко образуют разнообразные комплексы с белками n белок-липидные комплексы составляют основу клеточных мембран

4. Стероиды - высокомолекулярные полициклические спирты ( неомыляемы и не способны к гидролизу)

Эфиры с жирными кислотами – стерины Роль холестерола: его производные образуют биологически активные вещества, желчные кислоты, витамины группы Д, стероидные гормоны. Основная часть холестерола (70 -80%) образуется в печени из жирных кислот (главным образом насыщенных) и уксусной кислоты (продукт распада углеводов). Часть холестерола поступает с пищей.

СОСТАВ И СТРОЕНИЕ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН Строение n Способность некоторых липидов к "самосборке" в двойные слои имеет решающую роль в построении клеточной мембраны. n Это надмолекулярная структура, в ее основе – липиды. n Ансамбли белковых и липидных молекул, удерживаются с помощью нековалентных взаимодействий.

n a Неполярный "хвост" из остатков карбоновых кислот. Двойная связь в середине цепи в цис-конфигурации, поэтому "ножка" как бы изогнутая n b Если фосфолипиды размешать в водной среде, то образуются мицеллы – форма усвоения липидов в организме n c клеточные мембраны состоят из бислоя липидов

Х Л и и л п о о м п и р к о р т о е н и ы н ы

Липиды клеточных мембран Фосфолипиды n Фосфатидилхолин (ФХ) n Фосфатидилэтаноламин (ФЭА) n Фосфатидилсерин (ФС) n Дифосфатидилглицерол (кардиолипин) ДФГ n Сфингомиелин (СФМ) Гликолипиды n Сфинголипиды n Ганглиозиды n Цереброзиды Стероиды n Холестерол

Фосфолипиды мембран

Холестерол в мембране

Бислой формируют фосфолипиды (глицеро-, сфинголипиды), гликолипиды, стероиды (холестерол в свободном виде – неэтерифицирован)

Белки клеточных мембран n Белков в мембране ≈ 30 -70% n Соотношение липид/белок: ≈50%-50% во внешней мембране митохондрий, ≈24%-76% во внутренней мембране митохондрий Виды белков : n интегральные пронизывают бислой липидов насквозь n периферические прикреплены к мембране и частично в нее погружены, "заякорены" связями с гидрофильной поверхностью мембраны (чаще с белками)

функции - Структурные белки - Мембраносвязанные ферменты - Рецепторные белки

Углеводы клеточных мембран n в связанном виде, в основном – с белками n Углеводный компонент – основа гликокаликса на поверхности мембран

Гликофорин в мембране эритроцита

Роль углеводного компонента: - контактные взаимодействия с соседними клетками, - защитные функции, - участие в построении рецепторов (функция узнавания и передачи сигнала) МЕЖКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС МИОКАРДА: сеть коллагена и много углеводных компонентов

Разнообразие мембран n ядерная мембрана: внешняя (через её поры м. РНК выходит в цитозоль, а регуляторные белки входят из цитозоля в ядро) и внутренняя (содержит белки дезинтеграции мембраны при митозе) n мембрана ЭПР: много складок и изгибов. Гладкий ЭПР (процессы детоксикации) и шероховатый ЭПР (связаны рибосомы, на которых идет синтез секретируемых белков) n митохондриальная мембрана: наружная (в ней много белков поринов, образующих поры) и внутренняя (много белков-переносчиков протонов и ẽ - цитохромы и другие) n лизосомальная мембрана: защищает клетки от активных ферментов лизосом, имеет транспортные белки. Белки лизосомальных мембран гликозилированы, что защищает их от действия протеаз

Основные функции и свойства мембран функции n Структурная n Транспортная n Рецепторная n Метаболическая n Энергопродуцирующая свойства n Замкнутость n Асимметричность n Динамичность n Избирательная проницаемость

Механизмы транспорта веществ через мембрану 1. Диффузия 1. Простая 2. Облегченная 2. Активный транспорт 3. Специфические механизмы транспорта

1. Диффузия (перенос простых веществ) пассивная диффузия – перенос молекул по градиентам (концентрационному или электрохимическому) n Простая – происходит без участия мембранных белков n Облегчённая – протекает с участием специфических мембранных белков- переносчиков

Облегченная диффузия: 1) транслоказы (пермеазы) n Унипорт: 1 молекула по градиенту – глюкоза в эритроциты; РИСУНОК n Симпорт: 2 молекулы разных субстратов в одном направлении по градиенту; n Антипорт: 2 молекулы разных субстратов в разны направлениях по градиенту – в лёгких НСО 3–→в плазму, а Сl–→в эритроцит – в тканях Сl–→в плазму, а НСО 3–→в эритроцит

Переносчик глюкозы в мембране эритроцита

2) каналообразующие белки Интегральные белки. Образуют гидрофильные поры из радикалов аминокислот – электродиффузионное движение n Неселективные каналы пропускают молекулы только по размеру – (порин во внешней мембране митохондрий) n Селективные каналы переносят определённые молекулы Открытие/закрытие каналов регулируется: – изменением конформации каналообразующих белков специфическими регуляторами – электрохимическим потенциалом РИСУНОК Трансмембранные каналы

2. Активный транспорт n Используется внешняя энергия n Идет против градиента концентрации с участием транспортных АТФаз (ионных насосов) n Na/K-АТФаза (в клетке [К+] в 10 р больше, чем [Na+], а [Na+] в 10 р ниже, чем в плазме) n Н/К-АТФаза (слизистая желудка) n Са-АТФаза (костная ткань, мышцы)

Нарушения транспорта ионов n Миотоническая мышечная дистрофия отсутствие расслабления мышц после сокращения сопровождается катарактой, облысением, костными нарушениями, поражением скелетных и сердечной мышц, центральной нервной системы

3. Специфический транспорт крупные макромолекулы: белки, нуклеиновые кислоты n в клетку - разные виды эндоцитоза: – пиноцитоз (растворимые вещества: рinein – пить ). рецепторопосредованный пиноцитоз – молекулы поглощаются после взаимодействия с рецепторами к этой молекуле на поверхности клетки (для ЛПНП → рецепторы в клетках печени). – фагоцитоз (нерастворимые частицы: phagein – поедать). РИСУНОК Инвагинация мембраны замыкается вокруг субстрата с помощью клатринов, фагосома отрывается, затем в клетке может слиться с лизосомой. n из клетки - экзоцитоз может быть с затратой материала самой мембраны

n рисунок

Использование в терапии n АНТИБИОТИКИ грамицидин А - создает в клеточных мембранах бактерий поры, проницаемые для ряда ионов n ЛИПОСОМЫ используются как носители лекарств а) для направленного транспорта лекарств – липосомы с встроенными тканеспецифичными антителами (протеолипосомы) б) получение оральных вакцин (одна сразу против нескольких штаммов бактерий) – в липосомы включают антигены и белки слияния гемагглютинины, которые увеличивают адгезию на поверхности клеток Такие липосомы быстро поглощаются и запускают систему иммунитета