роизводных этой молекулы, обнаруженных в коре надпочечников, следует отметить 17-оксикортикостерон, называемый кортизолом

мСН2ОН СН2ОН

KcpmnKccmepoH кортмзол (П-оксикортикостерон)

Важными структурными характеристиками этих соединений являются: наличие сопряженных двойных связей у атомов С-3, С-4 и С-5, образующих так называемую структуру ?,?-ненасыщенного кетона; наличие гидроксидной группы в положении 11 и, наконец, состояние окисления углеродных атомов боковой цепи (С-20 и С-21).

3.4.5.6. Андрогены и эстрогены: Сю- и С^-стероиды

Андрогены, или мужские половые гормоны, являются Qg-cre-роидамн и принадлежат к классу стероидов, не имеющих боковой цепи в положении 17. Примером может служить тестостерон, синтезируемый в семенниках.

Эстрогены отличаются от рассмотренных выше стероидов тем, что кольцо А в этом случае является ароматическим. Таким образом, в положении 10 молекулы нет свободной валентности для присутствия метальной группы, а гидроксидная группа в положении 3 является по своей природе скорее фенольной, чем спиртовой. Благодаря этому эстрогены ведут себя как слабые кислоты и могут быть экстрагированы из бензольных растворов водными щелочами. Эстроген, секретируемый яичниками, представляет собой эстрадиол-17р

тестостерон эстрадно л-пр

3. липиды

85

3.4.5.7. Смешанные стероиды

Кроме рассмотренных выше к числу стероидов относится также ряд других интересных соединений. Среди них стимулирующие сердечную деятельность гликозиды, лекарственные препараты которых получают из наперстянки, морского лука и других растений. При гидролизе таких гликозидов образуется сахар и стероидный агликон, например дигитоксигенпн

дигитоисигенин

Отличительной структурной особенностью соединений этой группы является наличие кольца \-лактона в положении 17. Сапогенины — агликоны растительного происхождения — так же как и некоторые токсины жаб, являются стероидами. Соединение, в состав которого входят сапогенин и сахар, называется сапонином. Все сапонины являются поверхностно-активными веществами, а также эффективными лизирующими агентами.

Стероидный гормон насекомых, влияющий на процессы линьки и метаморфоза, называется экдизоном

экдизон

Ароматические соединения, близкие по структуре к стероидам, часто обладают канцерогенной активностью. Метилхолавтреи является сильнодействующим канцерогеном такого рода.

метилхолантлрен

86

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

3.5. Липиды как амфифилы: мицеллы и бислои

Липиды не образуют макромолекул, аналогичных белкам, полисахаридам или нуклеиновым кислотам — полимерам, образованным ковалентно связанными повторяющимися структурными единицами: аминокислотами, моносахаридами и нуклеотидами соответственно. Однако благодаря своей амфифильности липиды способны образовывать высокоорганизованные структуры, соизмеримые с макромолекулами. Вместе с белками такие структуры образуют биологические мембраны, которые окружают все клетки и служат своеобразными перегородками между ними.

Молекулы липидов, как и всех амфифилов, имеют вытянутую-' форму, обусловленную наличием длинных углеводородных цепей,, отходящих от полярных группировок. Такая геометрия молекул становится понятной, если посмотреть на приведенные ниже структурные формулы.

Полярная или ионная группа молекулы липида называется головкой, а неполярная углеводородная цепь — хвостом. Различия во взаимодействии головок и хвостов с водой главным образом и определяют амфифильные свойства липидов. Головка липида является гидрофильной и хорошо растворима в воде. Полярная головка, например фосфатидилхолина, упорядочивает молекулы воды в своем непосредственном окружении в результате образования водородных связей или ион-дипольных взаимодействий между ионизированными группами или полярными атомами и молекулами воды. В спирте или эфире такие взаимодействия очень слабы или вообще отсутствуют. Поэтому фосфатидилхолнн растворим в воде и практически нерастворим в спирте и эфире.

Напротив, простые углеводороды с длиной цепи, соответствующей длине хвостов липидных молекул, являются гидрофобными. В водных средах они не могут окружить себя ориентированными молекулами воды подобно полярной головке и, следовательно,, нерастворимы в воде. Растворимость липидов в воде определяется суммой взаимодействий полярных головок и неполярных хвостов с молекулами воды. Введение в состав полярной головки одной или двух метильных групп не влияет существенно на растворимость, тогда как увеличение длины углеводородных хвостов вызывает заметное снижение растворимости.

Растворимость солей длинноцепочечных жирных кислот (мыл) и сурфактантов (детергентов), таких, как, например додецилсуль-фат натрия, является хорошим примером, демонстрирующим связь особенностей структуры и поведения амфифилов (в том числе сложных липидов) в водных средах. Калиевые и натриевые соли жирных кислот и додецилсульфат натрия до некоторой степени растворимы в воде; соли же двухзарядных и трехзарядных ионов металлов, например Са2+ или Fe3+, совсем нерастворимы. Калие-

3. липиды

S7

/

(

о=

о

=о

О I

,с.

?

-о—р=о о

сн2 сн,

*Nte(CH3)3 сросфатидилхолмн

? не-он

сн,

-N=(CH3)3 сфингомиелин

>

НО

ОН

вые соли более растворимы, чем натриевые, а соли ненасыщенных жирных кислот несколько более растворимы, чем соли насыщенных кислот. Как схематически показано на рис. 3.1, при введении небольшого количества сурфактанта или мыла в водную фазу некоторая его часть переходит в раствор в виде мономеров, тогда как другая часть образует монослой на границе раздела вода — воздух, причем в этом случае полярные головки молекул погружены

88

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

монослой

мицелла

Рис. 3.1. Схематическое изображение структур, образуемых сурфактантами в водной среде. Существует равновесие между молекулами сурфактантов, находящимися в виде мономеров и образующих мицеллы и монослой на границе раздела фаз. Мицеллы имеют форму глобул; на рисунке они изображены в поперечном сечении, что позволяет видеть относительное расположение полярных групп (кружочки) и жирных боковых цепей («хвосты»).

в воду, а углеводородные цепи выносятся из водной фазы. Между молекулами, находящимися в растворе и образующими монослой на границе раздела фаз, существует динамическое равновесие. Поверхностное натяжение воды на такой границе раздела фаз уменьшается, поскольку силы притяжения между молекулами воды ослабевают из-за присутствия углеводородных цепей. Если увеличить количество добавленного в водную фазу сурфактанта, то концентрация растворимых мономеров будет возрастать до определенного предела, называемого критической концентрацией, после чего молекулы сурфактанта начнут ассоциировать друг с другом, образуя мицеллы. Мицеллы являются стабильными коллоидными агрегатами, которые образуются амфифилами при концентрациях, превышающих определенную узкую область концентраций, называемую критической концентрацией мицеллообразова-ния (ККМ). Амфифилы характеризуются различными значениями ККМ.

Движущими силами при образовании мицелл являются гидрофобные взаимодействия, так как неполярные части молекул не могут разорвать водородные связи между молекулами воды и, как следствие, переходят в тесный контакт друг с другом. Таким образом внутренняя зона мицеллы состоит из гидрофобных хвостов, образующих как бы «капельку» жидкого углеводорода. Гидрофобная зона отделена от водной фазы полярными группами молекул, которые покрывают поверхность мицеллы. Эффективность детер-гентного действия сурфактантов определяется в значительной сте-

3. липиды

89

Таблица 3.6

Некоторые свойства обычно употребляемых сурфактаитов

Сурфактант Число молекул в мицелле Мол. масса мицелл ккм. ммоль/л Условия

Додецилсульфат натрия 62 18 000 8,2 Вода

126 36 000 0,52 0,5 ? KaCl

Бромид цетилтриметил- 169 62 000 0,013 ? KJBr

аммония

Тритон-Х-100 НО 90 000 0,24 Вода

пени их способностью переводить в раствор в гидрофобной зоне мицелл липидрастворимые вещества.

В табл. 3.6 приведены некоторые параметры мицелл, образованных анионным сурфактантом додецилсульфатом натрия, кати-онным сурфактантом бромидом цетилтриметиламмония и нейтральным сурфактантом тритоном-Х-100. ККМ, число молекул сурфактанта в мицеллах, а также размер и форма последних зависят как от структуры сурфактанта, так и от состава водной среды.

О

О—S—о-

Na+

додецилсульфагл натрия

и.етилтриметиламмоиийбромид

СН3

+ 1

„N—СН, Вг~

I

СН3

^^0-(СН2-СН2-0)пН ряд тритона X

Амфифильные свойства биологических липидов, таких, как фос-фатиды, гликолипиды и сфинголипиды, являющихся главными липидными компонентами биомембран, имеют ряд существенных отличий от свойств сурфактаитов. Так, если растворить в воде чрезвычайно малое количество фосфатида, то число молекул, присутствующих в виде мономеров, оказывается очень небольшим, а образование мицелл может происходить даже при столь низких концентрациях, как 10~10 моль/л. Например, ККМ для дипальми-

90

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Рис. 3.2. Электронная микрофотография ультратонкого среза набухшей в воде смеси фосфатидов и фосфоинозитпдов мозга. Образец фиксирован осмиевой кислотой и на микрофотографии показано сечение вдоль одной из осей образовавшейся структуры. Толщина отдельного липидного слоя ~ 40 А. \Derrachlan D. С. Prog. Biophys. Mol. Biol., 14, 280 (1964).]

тоилфосфатидил.холина составляет — 5 -10~10 моль/л, а концентрации мономеров, молекул в монослое и мицелл, подобных изображенным на рис. 3.1, чрезвычайно низки. В то же время образующиеся мицеллы имеют, по-видимому, большие молекулярные массы (~2· 106). Если сухой фосфоглицерид поместить в воду и дать ему набухнуть, то будут образовываться главным образом не мн-целлярные, а мультила.меллярные структуры, которые при исследовании с помощью электронного микроскопа выглядят как вытянутые многослойные пласты или заключенные друг в друге везикулы (рис. 3.2). Подобные многослойные образования трудно раз-

3- липиды

91

Рис. 3.3. а — электронная микрофотография уль