Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

-

фосфатдегидрогеназа NaVK'-АТРаза (1)

Ацетилхолиновый рецептор

Мембраны холин

ергического

рецептора

(Torpedo

marmorata) Саркоплазматиче- Са2 * -АТРаза

ский ретикулум

(кролик)

Е. coli

(внутренняя

мембрана) Пурпурная

мембрана

(Halobacterium

halobium)

Бактериородопсин

3—4 ФХ 10% ФЭ 20% ФС 8,5% СМ 8,5% Ганглиозиды 26% Холестерол 27% 1 ФХ 41% ФЭ 39% ФС 13%

Следы холестерола 0,75 ФХ 25% ФЭ 22% ФС J0% CM 17% Холестерол 25% ФХ 50,4% ФЭ 35,5% ФС 8,4% ФИ 0,5% СМ 5,7% Холестерол 0,7—0,5 ФХ 24% ФЭ 23% ФС 9,6% Холестерол 40%

0,66—0,7 ФХ 66% ФЭ 12,6% ФИ 8,1% Холестерол 10% 0,4 ФЭ 74% ФГ 19% К Л 3%

0,2 Фосфатидилглицеро-фосфат 52% Гликолипиды 30% Нейтральные липиды 6%

11 Основные белки этих мембран хорошо изучены и будут рассмотрены в других разделах этой книги. Используемые сокращения: ФХ - фосфатидилхолин, ФЭ - фосфатидилэтаноламин, ФС - фосфатидилсерин, СМ - сфингомиелин, ФИ - фосфатидилинозитол, ФГ - фосфатидил-глицерол, КЛ — кардиолипин. По данным работы (3301.

Введение: структура и состав биологических мембран 35

тельно варьирует — от 20% (по массе сухого вещества) белка в миелине до 80% в митохондриях. В табл. 1.3 и 1.4 обобщены данные по составу ряда мембран. Плотность мембран прямо пропорциональна содержанию в них белка. Судя по данным изопикнического центрифугирования, чем выше содержание белка в мембране, тем больше ее плотность.

Белковый состав мембраны зависит в какой-то степени от метода ее выделения. Некоторые белки непрочно связаны с мембраной и легко удаляются при промывании ее растворами с высокой или, напротив, с низкой ионной силой, щелочными растворами или растворами, содержащими хелатирующие агенты типа ЭДТА. Бывают и случаи, когда трудно сказать, является ли белок мембранным или цитоплазматическим, случайно связавшимся с мембраной в ходе ее выделения.

1.5.1. МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ

Наиболее поражает в мембранных липидах их огромное разнообразие. Причины этого пока не ясны, хотя становится все более очевидно, что, по-видимому, связано это с тем разнообразием функций, которые липиды выполняют в мембранах (разд. 1.5.2). Но, конечно, главная функция мембранных липидов состоит в том, что они формируют бислойный матрикс, с которым взаимодействуют белки. Основные классы липидов представлены на рис. 1.8; их краткое описание дано ниже.

Гл и церофосфо л и п и д ы

Это наиболее распространенные липиды. Одна из гидроксильных групп глицерола связана с полярной группировкой, содержащей фосфат, а две другие — с гидрофобными остатками. Номенклатура гли-церидов основана на системе стереоспецифической нумерации (ял-система). Если глицерол изобразить в проекции Фишера, так что центральная группа будет расположена слева, то атомы углерода будут нумероваться так, как показано на рис. 1.9. В этом случае в название глицерофосфолипида вводят приставку sn для обозначения положения заместителя (например, зл-З-положение). В литературе встречается несколько систем стереохимических обозначений: sn, D/L и R/S. На рис. 1.9 представлена стереохимия атома С-2 в этих трех системах [604]. Природные фосфолипиды, как правило, имеют /?(или 0)-конфигурацию.

У большинства фосфоглицеридов фосфатная группа находится в ял-3-положении глицерола; она обычно связана с какой-либо из групп (холиновой, этаноламиновой, jwuo-инозитольной, сериновой и глице-рольной), представленных на рис. 1.10.

сн,

0 СН |

НО^ ^сн,—о—р — о-

II о

Фосфолипид

Лизофосфолипид

сн, ° сн

,0Х ^CHj-O-Gal

Гликозилдиацил-глицерол

а

Е

Т> о-f° "снг-о—р—о-^_+^, плазмалоген о ^

I о-

СН I ^NH ~~СН,-0-Р-0-

0

-п^- Сфингомиелин

СН, -О- Glc - Gal —GlcNAc -Gal ГангЛиОЗиЗ I I NeuNAc NeuNAc

Ж Стерол

Рис. 1.8. Структурные формулы некоторых классов мембранных липидов [658]. Структуры представлены так, чтобы подчеркнуть амфифильную природу липидов, при этом неполярные группы расположены слева, а полярные головки - справа. Обозначения: Gal - галактоза, Glc - глюкоза, NeuNAc - N-ацетилнейраминовая кислота (сиаловая кислота), GlcNAc — N-ацетилглюкозамин.

Глицеролипиды Сфинголипиды 5 в г д

° I

-СО) — Н Н—С|1)-

? Т I

-сн, н-ст-н снг

Д-о^йл-н—-н-й|2)-о-со-~со-о-сн '; h^ciji-n-co — co-n-ch

* \ < \.' н ) { га

CI3I-h h-C01-h / \ СН, н-С(3)-ОН

о о / \ о с_н Ц

L гп I] н-С

sn L

со

сонн

Рис. 1.9. Стереохимическая номенклатура глицеролипидов и сфинголипидов [604]. Обозначения R/S, D/L и sn приведены для положения С(2).

Введение: структура и состав биологических мембран 37

ФОСФОЛИПИДЫ

СН,-О-Р--Он

Фосфатидная нислота

о -o-cH.-CHj-mcH.i, Фосфатидилхолин

Фосфатидилэтаноламин Фосфатидилсерин

~0—СН, — СН, —nh,

-о—сн,—сн —

I

сог он

-о-сн,-сн-сн,он Фосфа тидилглицерол

но/ Кон

ОН

Фосфа тидилинозитол

ПЛАЗМАЛОГЕНЫ

ch,-o-p--o-ch,-ch,-nich,), Холинплазмалоген

О -О—Сн, -Сн, — nh,

Зтаноламинплазма-логен

СН,-0-

КАРДИОЛИПИН

Рис. 1.10. Структурные формулы мембранных липидов, иллюстрирующие разнообразие полярных головок. При нейтральных рН аминогруппа остатка этаиоламина про-тоиирована.

Длинные углеводородные цепи, находящиеся в положениях sn-] и sn-2, могут присоединяться за счет сложноэфирной и простой эфирной связей. Эти цепи значительно различаются по длине, раз-ветвленности и степени ненасыщенности.

1. 1,2-диацилфосфоглицериды или фосфолипиды. Эти липиды, являющиеся сложными эфирами жирных кислот и глицерола, широко представлены во многих мембранах эукариотических и прокариотических клеток, за исключением архебактерии [1296]. Фосфатидилхолин является основным компонентом мембран животных клеток, а фосфатидилэтаноламин — это нередко основной липид бактериальных мембран. В табл. 1.5 представлен ряд жирных кислот, наиболее часто встречающихся в составе фосфолипидов, а в табл. 1.6 приведен жирнокислотный состав клеточных мембран печени крысы.

38 Глава 1

Таблица 1.5. Некоторые жирные кислоты, обычно встречающиеся в мембранных липидах

Тривиальное название Длина цепн: степень

ненасыщенности

Лаурииовая кислота 12:0

Миристиновая кислота 14:0

Пальмитиновая кислота 16.0

Пальмитолеиновая кислота 16:1 (9-цис)

Стеариновая кислота 18:0

Олеиновая кислота 18:1 {9-цис)

Вакценовая кислота 18:1 (\\-цис)

Линолевая кислота 18:2 (9-цис, 12-иис)

7-Линоленовая кислота 18:3 (6-цис, 9-цис, 12-цис)

а-Линоленовая кислота 18:3 (9-цис, \2-цис, 15-цис)

Арахиновая кислота 20:0

Бегеновая кислота 22:0

Арахидоновая кислота 20:4 (5-цис, %-цис, \\-цис, 14-цис)

Жирные кислоты почти всегда содержат четное число атомов углерода в пределах от 14 до 24. Наиболее распространены кислоты С16, С18 и С20. Степень ненасыщенности может быть разной, но чаще всего встречаются ненасыщенные кислоты 18:1, 18:2, 18:3 и 20:4. Здесь первое число обозначает длину ацильной цепи, а второе указывает на число содержащихся в ней двойных связей. Почти все природные кислоты характеризуются г/ис-конфигурацией двойных связей. Цепь в такой конфигурации имеет излом, что нарушает упаковку липидных молекул в бислое (см. гл. 2). В составе молекул многих фосфолипидов имеется одна насыщенная и одна ненасыщенная цепи. В случае животных клеток ненасыщенные цепи обычно находятся в 5л-2-положении глицерола. Такое же распределение цепей характерно и для фосфолипидов клеток Е. coli (см. рис. 10.16). Двойные связи в полиненасыщенных цепях обычно являются несопряженными. В фосфолипидах некоторых бактериальных мембран обнаружены разветвленные цепи, а также цепи, содержащие циклы (например, циклопропан), и гидроксильные группы в /3-положении. На рис. 1.11 показана структура некоторых из этих кислот [1262].

2. У архебактерий глицерофосфолипиды имеют обращенную сте-реохимическую конфигурацию, при которой фосфорильные группы находятся в sn-\-положении глицерола [1296]. У многих бактерий этого вида гидрофобные компоненты представляют собой не сложные эфиры жирных кислот, а простые изопранильные эфиры глицерола [1296, 719, 1007, 307, 888] (рис. 1.11).

3. Кардиолипины или дифосфатидилглицеролы (рис. 1.10). По сути это димерные формы фосфолипидов. Они содержатся в боль-

? Oi ^

о.

ON — —

чТ чО 00

1 х «

«Ох

¦2 ю о S _ „

I

5 =

ш

_ S

5 5

5 *

а. и

ч S я а,

~ 5: х сл t а 1-

115

•О О

' о* о"

та

s g a

г Я й>

40 Глава I

изо -Разветвленные антеизо -Разветвленные

р - Гидроксилсодержащие

Ци ало про па нсодержащи е ui - Циплогексилсодержащие

Изопранильные [фитанильные) бициклопентанфитан ильные

Рис. 1.11. А. Необычные ацильные и алкильные углеводородные цепи, встречающиеся в мембранных липидах бактерий [1262]. Многие из бактериальных штаммов, содержащих эти липиды (например, термофилы, ацидофилы и галофилы), адаптированы к экстремальным условиям [1262, 307, 888]. Б. Необычно простой тетраэфир, содержащий углеродные цепочки длиной 40 атомов, который пронизывает мембрану клеток Thermoplasma acidophilum [111].

шом количестве во внутренней мембране митохондрий, в мембране хлоропластов и в некоторых бактериальных мембранах, но редко встречаются в других мембранах.

4. Плазмалогены. Это фосфоглицеролипиды, у которых одна из углеводородных цепей представляет собой простой виниловый эфир (рис. 1.9 и 1.10). Этаноламиновые плазмалогены широко представлены в миелине и в саркоплазматическом ретикулуме сердца [554].

Фосфосфинголипиды

Эти липиды имеют такие же полярные головки (например, фос-форилхолин), как и глицерофосфолипиды, но их гидрофобная часть

Введение: структура и состав биологических мембран 41

представлена церамидом. В плазматических мембранах животных клеток широко распространен сфингомиелин (церамид-1-фосфорил-холин) (рис. 1.8). Основными жирнокислотными компонентами в миелине являются кислоты 24:1 и 24:0. В мембранах растительных и бактериальных клеток фосфосфинголипиды встречаются редко. Кроме сфингомиелина известны и другие фосфосфинголипиды, например церамид-1-фосфорилэтаноламин, церамид-1-фосфорилинози-тол и церамид-1-фосфорилглицерол [590].

Гликоглицеролипиды [97]

Это полярные липиды, у которых в 5«-3-положении глицерола находится углевод, присоединенный с помощью гликозидной связи, например галактоза. Гликоглицеролипиды широко представлены в мембранах хлоропластов, они обнаружены также в заметных количествах в сине-зеленых водорослях и бактериях. Моногалактозилдиа-цилглицерол (рис. 1.12) был назван «наиболее распространенным в природе полярным липидом», поскольку на его долю приходится половина всех липидов тилакоидной мембраны хлоропластов [533]. Для мембран грамположительных бактерий характерны гликоглице-

Обычное название С-пруктура

Моногалан то зил (МГДГ) нгсон но1_0о-сн, \ / CHOCOR н0 CH?OCOR2

\ Дигалантозил-диглицерол \ДГДГ) н,СОН -(о — снг НО HOJ-— 0°~Снг у" A CHOCOFT НО СНгОСОРг

Сульфолипид н,с—SO,H НО [О—снг НО 1 СНОСОВ' 1 сносок-'

Рис. 1.12. Структурные формулы типичных гликоглицеролипидов. Обратите внимание, что в сульфолипиде имеется ковалентная связь между атомами С и S. R — углеводородные цепи. Эти липиды содержатся главным образом в листьях растений и водорослях.

42 Глава 1

ролипиды с большим разнообразием Сахаров. Архебактерий также содержат такие липиды, но, как и в случае глицерофосфолипидов, их стереохимическая конфигурация является обращенной, с локализацией гликозиднои связи в sn-l-положении глицерола [307, 888]. В мембранах животных клеток гликоглицеролипиды встречаются редко.

Гликосфинголипиды [271]

Эти липиды содержат углеводы, присоединенные с помощью гликозиднои связи к концевой гидроксильной группе церамида. Их

А. Структура некоторых гликосфииголипидов

Глнтоцере5розид

Лактозилиерамид

Глобазид

Сулыратид

Галин тоиереброзид

Сег —Glc

Сег —Glc —Gal

Сег—Glc — Gal—Gal—GalNAc

Cer— Gal(3)- OS03

Cer— Gal

Ганглиозиды CM, GM2

GM,

Cer — Glc — Gai — NeuNAc

Cer — Glc—Gal — GalNAc I

NeuNAc

Cer—Glc -

-Gal—GalNAc I

NeuNAc

-Gal

6. Детальная структура ганглиозида GM,

Gal GalNAc

Церанид

Церейрозид

Рис. 1.13. Структура некоторых гликосфииголипидов. А. Сокращенные обозначения ряда структур. Используемые сокращения: Сег — церамид, Glc — глюкоза, Gal — галактоза, NeuNAc — сиаловая или N-ацетилиейрамииовая кислота, GalNAc — N-aue-тилгала'ктозамин. Ганглиозид GM, называют также гематозидом, а ганглиозид GM2 — ганглиозидом Тея—Сакса. Б. Более детальная структура ганглиозида GM,, на которой указаны названия отдельных его элементов.

Введение: структура и состав биологических мембран 43

классифицируют в соответствии с размером углеводной части, которая может быть представлена всего лишь одним моносахаридным остатком, с одной стороны, и очень сложным углеводным полимером — с другой (рис. 1.13). Моногликозилцерамиды обычно называют цереброзидами. Ганглиозиды представляют собой класс анионных гликосфииголипидов, которые содержат один или несколько остатков сиаловой кислоты (N-ацетилнейраминовой кислоты, NeuNAc), связанных с сахарными остатками церамидолигосахарида. Глобозидами называют нейтральные гликосфинголипиды, которые не содержат остатков отрицательно заряженной сиаловой кислоты.

Гликосфинголипиды находятся на наружной поверхности плазматических мембран животных клеток; обычно они являются минорными компонентами, но иногда содержатся в значительных количествах (например, в плазматических мембранах эпителиальных клеток [849]). Моногалактозилцерамид — это один из основных компонентов миелиновой оболочки нервного волокна. В некоторых случаях гликосфинголипиды локализуются не в плазматической мембране, а во внутриклеточных мембранах [1416].

Гликосфинголипиды мембран эритроцитов несут антигены группы крови [494, 320]. В клетках аденокарциномы человека накапливаются необычные фукозилированные гликосфинголипиды, которые можно использовать для обнаружения этих клеток и контроля за развитием опухоли [573].

Стеролы

Эти липиды присутствуют во многих мембранах растений, животных и микробов. По-видимому, самым распространенным из стеролов является холестерол. Его молекула состоит из компактного, жесткого гидрофобного ядра, а полярной головкой является гидроксильная группа. Холестерол содержится в плазматических мембранах животных клеток, в лизосомах, эндосомах [404] и в мембранах аппарата Гольджи. Он составляет около 30% всей массы мембранных липидов во многих плазматических мембранах животных клеток. В высших растениях обнаружены другие стеролы, чаще всего ситостерол и стигмастерол. Растительные стеролы (фитостеролы) часто имеют еще одну боковую цепь в положении С-24 и/или двойную связь в положении С-22 (рис. 1.14). В мембранах дрожжей и дру-

Холестерол р-Ситостерол Стигмастерол

[Рис. 1.14. Структурные формулы стеролов, присутствующих в мембранах эукариотических клеток.

44 Глава 1

гих эукариотических микроорганизмов часто содержится эргостерол [1181]. К классу стеролоподобных липидов относят также гопанои-ды, которые найдены в бактериях и некоторых растениях.

Минорные компоненты

В мембранах присутствуют также и

страница 5
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(27.04.2017)