Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

дридов высших жирных кислот на комплекс sn-глицеро-З-фосфохолина с хлоридом кадмия

СН2ОН

СН20-

-Р—0,СНг)2г.(СНз)з

о-

CH2OCOR *В2 RCOO-C-H О

СНгО-

Р-0(СН2)гЫ(СК,). I

СГ

Кадми ый комплекс sn-тлицаро— 3-фосфохолина

R=(CH,)|.CH,

Для перехода от фосфатидилхолинов, содержащих остатки одинаковых жирных кислот, к фосфатидилхолинам смешанного типа используется деацилирование их с помощью фосфолипазы Аа и последующее ацилирование образующегося при этом лизофос-

544 фатидилхолина ангидридами жирных кислот с использованием

диметиламинопиридина или пирролидинопиридина в качестве Липиды катализаторов

CHjOCOR CH2OCOR

Фосфолипаза А

RCOO-C—Н О ——-- НО—С-Н О --

1 Т in

СНгО—р—0(CHJ2N(CH,)3 СНгО—р—0,CH2)2N(CH:i).,

О О-

К COIC .

CH20COR R'COO—с—н 9

Лиэофосфатиди люпин

СН20—р—0(СН2)2К(СНз)э r=(ch ),.СН

О R,=(CHj),CH=CH(CH»),CH,

Синтез различных фосфолипидов может быть осуществлен и путем реакции трансфосфатидилирования, т. е. действия фосфолипазы D, с помощью которой проводится обмен, например, остатка холина, связанного с диацилглицерофосфатом, на другой спирт, имеющий первичную гидроксильную группу.

CHjOCOR R'COO—С—Н О

I

CH2O р -0(СН ) N(CH ) ¦ О

Фосфатндилхолин

Фосфолипаз* D

НС кснонсн.он

фосф

NH СН СН Сн

Фосфолипаза D

СООН

I

HOCH.-CHNH.

Фосфолипаза D

CH2OCOR

I

R'COO—С-Н о

сн2о р ОН

он

Фосфатидовая кислота

CH..OCOR CH.Oh

R'COO—С—Н

о сне

II I

СНгО р—О—СН_.

Фосфатидилглицерин CH/OCOR

R'COO-C-H с

СН20 р—0(CH)NH,

I

О

Фосфатндилэтаноламин CH2OCOR

R'COO-С— Н С

СН2О р OCHjCHNH,

I I

О' соон

Фосфатидилсерин

Фосфолипиды различного типа могут быть получены и непосред- 545

ственно из фосфатидовой кислоты путем ее этерификации соот- -

ветствующим аминоспиртом в присутствии подходящих конденси- Химический рующих агентов. В частности, фосфатидовые кислоты могуть быть синтез липидов

превращены в фосфатидилхолины взаимодействием с тозилатом или ацетатом холина в присутствии трихлорацетонитрила или 2,4,6-тринзопропилбензолсульфохлорида. Присоединение этанол-амина к фосфатидовой кислоте осуществляется действием тритил-аминоэтанола и триизопропилбензолсульфохлорида или о-нитрофе-ннлсульфенилэтаноламина в присутствии дициклогексилкарбоди-имида. Фосфатидилсерины могут быть получены из фосфатидовой кислоты конденсацией с тритилсерииом с использованием триизо-пропилбензолсульфохлорида.

CHOCOR I

R'COO—С-Н О

CHjO Р—ОН ОН

Фосфа идо й кисло»

HOCHjCH N(CH,),X-

CCI.CN или

2,4. *-|(СН ,)гСН1 X.H.SCCI

НОСН.СН NHy

2.4.«-l(CHj)jCH],C,H1SO..CI С.Ни—N=C=N—C„Hi,

СООН

I

HOCH..CHNHc(G,H.),

2.4.6-|(CH.),CH],C.,H.SO CI

X = n-CH ,CKH. SO или AcO У =о410,С,Н,5илк(СпН.)С

CHjOCOR I

R'COO—С-Н О

CH,0 P-0,CH.)-.N(CH,).

Фосфатидилколин

ch^ocor r'coo—(t-h о

ch.o—P— 0(ch,)^nh,

о

Фосфатмдилэтанолвмин

CH ОС OR

I

r'coo—c^h о

CHjO

P—ochxhnh, I I о cooh

Фосфатидилсерин

Сфинголипиды синтезируются, как правило, из З-О-бензоилце-рамидов, которые получаются из соответствующих оксазолинов или церамндов. Использование церамидов в качестве исходных соединений имеет свои преимущества, поскольку синтез нужного сфингозинового основания может быть осуществлен любым способом. Церамиды при ро ной D эритро конфигурации можно получать из доступных природных источников путем омыления фракций сфи н голи п идо в.

В качестве примера можно привести синтез сфингомиелина: сначала проводится фосфорилирование исходных З-О-бензонлцера-мидов р'-хлорэтилдихлорфосфатом и затем обработка выделенных диэфиров фосфорной кислоты с помощью три метилами на.

546 J> - NHCO(CH2)i,,CHj Cljp'

Липиды OfCHjhCI

CH.,(CH2),2CH=.CHCHCHCH2OH--—

З-О-оенюмлцврамнд

OBz

CH,(CHi)i6CONH о CH,(CHl.),6CONH о

I N(CH ) СЩСН2),2СН -CHCHCHCH>0—P.—0(CHj)2Cl -— CH,(CH2)i2CH=CHCHCHCH20—P—OJCHaJsNJCHjJj

OBz он • он o~

Сф ин гомме л нн

При получении гликосфинголипидов в качестве исходных соединений также используются З-О-бензоилцерамиды, которые вводятся в реакцию с ацетобромсахарами Специфической особенностью реакции гликозилирования в этом ряду является стерео-направленное образование р* аномеров в присутствии цианида ртути. На схеме приведен синтез N-ацил-1 - (^-D-галактозил) -4-сфингени-нов после проведения гликозилирования исходного З-О-бензоилцерамида образуется защищенный цереброзид, ацетильные и бензо-ильные группировки в котором удаляются в один прием метилатом натрия в метаноле

сн ОАс

NHCO(CH2)22CH3 j- г Вг

СНз(СН2)|2СН=СНСНСНСН«ОН — °*с

HglCN)s

OBz

OBi CHjOAc I

AcO l_o OCH2CHCHCH=CH(CH2)i2CHa /ОАс N I

NHCO(CH2)22CH3

OAc

СНОМ ¦ CH,OH

OH

CH-OH

HO J—о ОСН2СНСНСН=СН(СН2),2СНз

OH \ I

NHCO(CH2)22CH3

OH

В настоящее время методы химического синтеза позволяют получать нейтральные гликосфинголипиды довольно сложного строения, содержащие несколько сахарных остатков. Однако химический синтез гаиглиозидов до сих пор представляет собой трудную задачу в связи со сложностью введения в молекулу остатков сиатю-вой кислоты.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Основные принципы построения мембранных липидных структур

Модельные мембраны

Молекулярная организация биологических мембран

Биогенез мембран

Транспорт через мембраны

Характеристика отдельных биологических мембранных систем

548 Каждая живая клетка окружена мембраной, которая обеспечива-

ет внутри клетки необходимый «микроклимат», играет активную

Биологические мембраны роль в поддержании ее жизнедеятельности, контролирует пото-

ки веществ и ионов в клетку и из нее. Клеточная мембрана — сложная высокоорганизованная двумерная система, состоящая главным образом из липидов и белков.

Мембраны—важнейшая составная часть и клеточных компонентов — ядра, митохондрий, хлоропластов, лизосом и т. п. Как видно на рисунке 278, клетка (животная) весьма насыщена мембранными структурами, образующими, в сущности, разветвленную, четко организованную сеть. Отсюда понятна ключевая роль клеточных мембран в процессах биологической регуляции.

Исторический очерк. В 1665 г. изобретатель микроскопа англичанин Роберт Гук, изучая строение тонких срезов коркового дерева, назвал увиденные им замкнутые ячейки клетками (cell lae) Двенадцать лет спустя голландский ученый, основатель научной микроскопии А. Левенгук описал общие черты строения клеток бактерий, сперматозоидов и эритроцитов. Однако прошло более 150 лет, прежде чем немецкий анатом Т. Шванн сформулировал в 1839 г. клеточную теорию.

Рис. 278. Схема строения клетки.

Термин «мембрана» используется вот уже более 100 лет для 549

обозначения клеточной границы, служащей, с одной стороны, барье-------——

ром между содержимым клетки и внешней средой, а с другой — по- Основные принципы

лупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и построении мембранных

некоторые из растворенных в ней веществ. В 1851 г. немецкий фи- липидных структур

зиолог X. фон Моль описал плазмолиз клеток растений, предположив, что клеточные стенки функционируют как мембраны. В 1855 г. ботаник К. фон Негели наблюдал различия в проникновении пигментов в поврежденные н неповрежденные растительные клетки и исследовал клеточную границу, которой он дал название плазматическая мембрана. Он предположил, что клеточная граница ответственна за осмотические свойства клеток. В 1877 г. немецкий ботаник В. Пфеффер опубликовал свой труд «Исследование осмоса», где постулировал существование клеточных мембран, основываясь на сходстве между клетками и осмометрами, имеющими искусственные полупроницаемые мембраны. В 80-х годах прошлого столетия датский ботаник X. де Фриз продолжил ос мо метрические исследования растительных клеток, предположив, что неповрежденный слой протоплазмы между плазмалеммой и тонопластом функционирует как мембрана. Его исследования послужили фундаментом при создании физико-химических теорий осмотического давления н электролитической диссоциации голландцем Я. Вант-Гоффом и шведским ученым С. Аррениусом. В 1890 г. немецкий физикохимик и философ В. Оствальд обратил внимание на возможную роль мембран в биоэлектрических процессах. Между 1895 и 1902 годами Э. Овертон измерил проницаемость клеточной мембраны для большого числа соединений и наглядно показал зависимость между растворимостью этих соединений в липидах и способностью их проникать через мембраны. Он предположил, что мембрана имеет ли пидную природу и содержит холестерин и другие липиды. Современные представления о строении мембран как подвижных липопротеи-новых ансамблей были сформулированы в начале 70-х годов нашего столетня.

Быстрое развитие биоорганической химии мембран н, прежде всего, широкое исследование структуры мембранных белков и липидов во многом обусловили прогресс в познании важнейших функций биомембран, таких, как транспорт различных метаболитов, генерация энергии, взаимодействие клеток и их деление, передача нервного возбуждения, рецепция сигналов внешней среды и т. п.

Основные принципы построения мембранных липидных структур

Основу мембран клетки составляет липидный матрикс, образуемый высокоорганизованными ансамблями липидов. Большинство же функций мембран связано с белками, встроенными в липидную фазу или локализованными на ее поверхности. Кроме того, в состав многих мембран могут входить углеводы, а также соединения другой природы (каротиноиды, порфирины и т. п.).

550

Биологические мембраны

Монослои

Монослои липидных молекул формируются на границе раздела между водой и воздухом или водой и маслом. Обычно нх получают, помещая на поверхность воды каплю раствора липидов в летучем растворителе. После испарения растворителя образуется пленка толщиной в один слой молекул, в котором полярные (гидрофильные) группировки молекул направлены в сторону воды, а углеводородные цепи (гидрофобные группы) —в сторону воздуха (рис. 270).

При отсутствии ограничений пленка липнда на границе раздела вода—воздух стремится занять максимально возможную площадь и представляет систему, аналогичную так называемому «двумерному» газу (рис. 279, а). В этом состоянии монослоя молекулы липнда свободно перемещаются вдоль поверхности воды, практически не взаимодействуя друг с другом. При постепенном сжатии монослоя, приводящем к увеличению плотности упаковки, молекулы начинают взаимодействовать между собой, и на поверхности воды образуется сплошная пленка липида, отвечающая жид кора стянутому состоянию монослоя, другими словами, состоянию «двумерной жидкости» (рис. 279, б). При дальнейшем увеличении сжатия молекулы будут стремиться к максимально плотной упаковке. При этом они упорядочивают свою ориентацию в монослое так, что их полярные головки обращаются в сторону водной фазы, а углеводородные цепи выступают в воздух в виде своеобразного «частокола» (рис. 279, в). Такая плотно упакованная пленка, в которой углеводородные цепи липидных молекул сохраняют определенную подвижность, называется конденсированным монослоем. Если давление увеличивать и дальше, образуется твердый, практически несжимаемый конденсированный монослой, в котором площадь, приходящаяся на одну молекулу, минимальна. Когда же давление превысит некоторую предельную величину, называемую давлением коллапса, произойдет разрушение пленки, при котором монослон молекул надвигаются один на другой.

Изменения состояния монослоя по мере сжатия могут быть обнаружены путем измерения зависимости между поверхностным давлением п] и площадью (А), приходящейся на одну молекулу липида. Типичная диаграмма зависимости поверхностное давление — площадь представлена на рисунке 280. Как видно из этой диаграммы, на кривых наблюдаются точки перегиба, которые соответствуют переходу монослоя из одного состояния в другое. Экстраполяция кривых сжатия к нулевому давлению позволяет рис чи а ь площадь, занимаемую молекулами различных липидов на границе разделе фат

В водных растворах и на границе раздела вода — воздух липиды, в силу их специфической природы, образуют за счет невалентных взаимодействий гигантские агрегаты, которые в известном смысле можно считать липидными «биополимерами». Это в существенной степени объясняет тот факт, что липиды, наряду с белками, нуклеиновыми кислотами и углеводами, обычно рассматриваются в разделах, посвященных биологическим макромолекулам и им отводится заслуженное место в «большой четверке» биополимеров.

Среди ассоциатов, образующихся при самосборке липидов, наиболее известны мо но молекулярные липидные пленки (монослои), мицеллы и бимолекулярные липидные слои (бислой).

Изотермы площадь — давление могут быть измерены с помощью 551

специального устройства, называемого пленочными весами Лэнгмю- -

ра, как показано на схеме, приведенной на рисунке 281. В этом ус- Основные принципы

тройстве монослой ограничивают с одной стороны подвижным построения мембранных

барьером (?), с помощью которого можно увеличивать илн умень- липидных структур

шать площадь пленки. С другой стороны монослоя находится легкий плавающий барьер А, связанный с прибором, измеряющим усилия, которые воздействуют на поплавок прн сжатии пленки. Поверхностное давление определяется как разность между поверхностным натяжением чистой воды (о и поверхностным натяжением в присутствии монослоя (о):

п = Оо — о

552 Другой способ измерения поверхностного давления, известный

- как метод Внльгельми, основан на взвешнваннн тонкой пластинки

Биологические мембраны и-3 инертного материала, приведенной в соприкосновение с поверх

ностью монослоя.

Рис. 280. Общий вид диаграммы зависимости поверхностного давления от площади, приходящейся на молекулу

Важную информацию о свойствах монослоя несет поверхностный потенциал, заансящнй от природы и взаимного расположения полярных групп на границе раздела фаз. Зная величину скачка потенциала ( W), можно вычислить величины дипольных моментов и получить данные об ориентации поверхностно-активных молекул на поверхности монослоя, а также определить характер их взанмо действия с липидами н структуру образующихся прн этом комплексов. Измерения поверхностной вязкости также могут быть полезны для характеристики реологических свойств мембранных компонентов, особенно прн изучении процессов, сопровождающихся изменениями фазового состояния монослоя. И наконец, путем измерения поверхностной радиоактивности монослоя можно изучать процессы адсорбции меченых мембранных агентов на границе раздела воз-

Рис. 281. Схема измерения поверхностного давления по методу Лэн. мюра

Воздух

ттш

Чистая поверхность

I

..................................

дух—вода. Конструкция комплексной установки, позволяющей для 553

одного н того же монослоя измерять поверхностное давление, -"-¦-

поверхностный потенциал и поверхностную радиоактивность, пока- Основные принципы

зана на рисунке 282. построения мембранных

липидных структур

Липидные монослои издавна рассматривались исследователями как простейшие модели биологических мембран. Физико-химические параметры подобных монослоев интенсивно исследовались уже в начале XX в.. т. е. гораздо

страница 72
< 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 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.11.2017)