posobia2 / Лекции по биоорганической химии (2011 г

под действием водного раствора перманганата калия с образованием диольных фрагментов по месту двойных связей, окисление в жестких условиях приводит к разрыву двойных связей и образованию карбоновых кислот с меньшим числом атомов углерода.

Фосфолипиды представляют собой, также как и жиры, сложные эфиры глицерина. В отличие от триацилглицеринов, третья спиртовая группа глицерина связана не с карбоновой кислотой, а с фосфорной. Другая особенность фосфолипидов состоит в том, что остаток фосфорной кислоты связан сложноэфирной связью с аминоспиртом. Фосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, которая образуется в результате этерификации двух ОН групп глицерина жирными карбоновыми кислотами, а третья ОН группа глицерина этерифицируется фосфорной кислотой.

В зависимости от того, какой аминоспирт образует сложный эфир с фосфатидной кислотой, различают фосфатидилколамины (коламинкефалины), фосфатидилсерины (серинкефалины), фосфатидилхолины (лецитины).

101

В условиях организма третья гидроксильная группа фосфорной кислоты ионизирована, как и другие ионогенные группы.

Фосфолипиды являются бифильными веществами, так как содержат в своей структуре неполярные углеводородные радикалы карбоновых кислот (гидрофобная часть) и полярный ионизированный фрагмент, образованный аминоспиртом и фосфорной кислотой (гидрофильная часть), который в формулах выделен жирным шрифтом. Благодаря бифильности, фосфолипиды частично растворимы в воде и способны транспортироваться кровью из печени в органы и ткани, где формируют структуру клеточных мембран.

102

Как сложные эфиры, фосфолипиды подвергаются гидролизу в кислой или щелочной средах:

Сфинголипиды, – как представители сложных липидов, - представляют собой многокомпонентные соединения. Они являются сложными эфиры двухатомного аминоспирта сфингозина с высшими насыщенными и ненасыщенными кислотами и фосфорной кислотой, которая, в свою очередь, образует также сложноэфирную связь с аминоспиртом.

В нервных тканях обнаружены производные сфингозина – сфингомиелины. При гидролизе сфингомиелины образуют одну молекулу жирной кислоты, одну молекулу сфингозина, одну молекулу азотистого основания (чаще это холин) и молекулу фосфорной кислоты. Именно поэтому сфингомиелины относятся к классу фосфолипидов.

103

Сфингомиелины являются наиболее распространенными сфинголипидами. Они в основном находятся в мембранах животных и растительных клеток. Особенно богата ими нервная ткань; сфингомиелины обнаружены также в ткани почек, печени и других органов.

Гликолипиды – многокомпонентные соединения, являющиеся производными сфингозина, не содержащими фосфорной кислоты и холина, но содержащие в своем составе углеводный фрагмент. Аминогруппа сфингозина ацилирована высшей жирной кислотой, а гидроксильная группа у первого атома углерода сфингозина связана с остатком углевода (моносахарида или олигосахарида).

Гликолипиды играют существенную роль в функционировании биологических мембран. Они содержатся преимущественно в ткани мозга, но имеются также в кровяных клетках и других тканях. Известны три основные группы гликолипидов: цереброзиды, ганглиозиды и сульфатиды. В состав цереброзидов входят гексоза (обычно D- галактоза), которая связана гликозидной связью со сфингозином. Кроме того, в состав цереброзида входит жирная кислота, имеющая 24 углеродных атома. Сульфатиды отличаются от цереброзидов тем, что содержат в молекуле остаток серной кислоты, т.е. представляют собой

104

цереброзид, в котором у третьего углеродного атома гексозы образуется сложноэфирная связь с серной кислотой. В мозге млекопитающих сульфатиды, как и цереброзиды, находятся в белом веществе. Однако их содержание в мозге намного ниже, чем цереброзидов. Ганглиозиды в структурном отношении сходны с цереброзидами с той лишь разницей, что вместо одного остатка галактозы они содержат сложный олигосахарид. В отличие от цереброзидов и сульфатидов, ганглиозиды находятся преимущественно в сером веществе мозга и сосредоточены в плазматических мембранах нервных и глиальных клеток.

Фосфолипиды, являясь бифильными веществами, выступают как эмульгаторы на границе раздела фаз. Как и мыла, молекулы фосфолипидов в контакте с водой стремятся расположиться так, чтобы неполярные углеводородные цепи находились в контакте только с другими аналогичными цепями. Таким образом формируется двойной слой толщиной в две молекулы. Такие липидные бислои, содержащие включения мембранных белков, составляют основу клеточных мембран.

Гидрофобные участки мембранных белков размещаются во внутренней полости мембраны, а ионизированные остатки аминокислот находятся на ее поверхности. Вода может проходить через такой двойной слой, а большие полярные молекулы и ионы не проходят.

105

Таким образом, мембраны сохраняют концентрационные различия между различными частями клетки или между клеткой и ее водным окружением. Тонкие различия в физических свойствах клеточных мембран контролируются степенью ненасыщенности остатков жирных кислот в молекулах фосфолипидов. Мембраны, состоящие из ненасыщенных фосфолипидов, являются более мягкими (низкие температуры плавления) и позволяют молекулам проходить через них быстрее, чем через аналогичные мембраны, построенные из сложных эфиров насыщенных кислот. Чтобы полярные вещества и ионы могли пройти через внутреннюю полость мембраны, необходимо участие в этом процессе мембранных белков.

Наряду с процессами нормальной жизнедеятельности в клетке происходят процессы, связанные с нарушением тех или иных функций отдельных ее частей. Одним из процессов «мембранной патологии» является повреждение клеточных мембран, возникающее при воздействии ионизирующих излучений, авитаминозах, отравлениях.

Основной причиной повреждения клеточных мембран является пероксидное (перекисное) окисление липидов, инициируемое свободными радикалами. Свободные радикалы в организме образуются при окислении ионов Fe2+ кислородом или гидропероксидами:

Fe2+ + O2 + H+ Fe3+ + H-O-O + Fe2+ + R-O-O-H Fe3+ + HO + R-O

Свободные радикалы возникают и в результате воздействия на клетку ионизирующих излучений. В такой сложной среде, как живая материя, молекулы, являющиеся наиболее распространенными, больше других подвергаются воздействию ионизирующих излучений. При

106

облучении живой материи, на 70-90% состоящей из воды, большая часть энергии излучения будет поглощаться молекулами воды. Рентгеновские лучи, -излучение, нейтроны сами по себе не вызывают ионизации. Ионизация производится почти исключительно быстрыми заряженными частицами. Рентгеновские лучи, -излучение, нейтроны называются «ионизирующими» потому, что при прохождении через вещество они вызывают образование быстрых заряженных частиц. Таким образом, особенности воздействия этих излучений связаны с их вторичным действием. В результате действия ионизирующего излучения в воде появляются первичные продукты радиолиза воды – возбужденные молекулы воды, электроны и катион-радикалы Н2О+ :

Н2О Н2Ó+ + е- Н2О Н2О*

Возбужденные молекулы воды дезактивируются соседними молекулами, однако часть из них распадается на атомы водорода и гидроксильный радикал, или на атом кислорода и молекулу водорода.

превращаются в частицы радикального характера – гидратированные

Н2О + е- е- Н2О или Н2О- Н2О+ + Н2О Н3О+ + ОН

Гидратированные электроны и катион-радикалы воды являются неустойчивыми частицами и далее подвергаются диссоциации с образованием свободного радикала и иона:

107

е- Н2О или H2О- Н + ОН- Н2Ó+ Н+ + ОН

Образовавшиеся продукты могут реагировать друг с другом или с

результате рекомбинации: НÓ2 + НÓ2 Н2О2 + О2.

В результате протекания указанных реакций в результате радиолиза воды образуются е- Н2О, ОН, Н , О, Н2О2, Н3О+ и ОН-. Радиационно-химический выход О весьма низок, вследствие чего его образованием при радиолизе воды можно пренебречь. Гидратированный электрон, радикалы Н и ОН называют свободнорадикальными продуктами радиолиза воды, а Н2, О2, Н2О2 – молекулярными продуктами.

Гидроксильный радикал является эффективным окислителем, в реакциях с насыщенными органическими соединениями он реагирует, как правило, отщепляя атом водорода, с ненасыщенными – может присоединяться по двойной связи. В реакциях с ионами металлов переменной валентности гидроксильный радикал выступает как окислитель: Fe2+ + ОН Fe3+ + :ОН- ; Сr2+ + ОН Cr3+ + :ОН-

Процесс пероксидного окисления липидов можно разделить на три этапа:

I-й этап – инициирование. На этом этапе образуются свободные радикалы, которые атакуют атомы Н метиленовых групп СН2,

108

находящихся в -положении по отношению к двойной связи. В результате образуются свободные радикалы аллильного типа, стабилизированные р, -сопряжением.

II-й этап – рост цепи. На этом этапе происходит взаимодействие аллильных радикалов с молекулами кислорода. В результате такого взаимодействия образуются пероксидные радикалы, которые, взаимодействуя с водой или другими водородсодержащими соединениями (RH), отщепляют от них атомы Н. При этом пероксидные радикалы превращаются в неустойчивые гидропероксиды, а из воды или водородсодержащих молекул образуются свободные радикалы (НО или R ). Образующиеся радикалы (НО или R ) далее участвуют в реакциях образования аллильных радикалов, т.е поддерживают первый этап реакции – инициирование.

III-й этап – разрыв связей углерод-углерод, находящихся в - положении по отношению к двойной связи гидропероксидов, в результате чего образуются енолы и альдегиды, которые окисляются далее до соответствующих кислот.

Молекулу фосфолипида, содержащую остаток непредельной кислоты (в данном случае олеиновой), представим как сложный эфир следующим образом: