Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / ИПАТОВА ФОСФОГЛИФ про печень

.pdf
Скачиваний:
37
Добавлен:
19.06.2017
Размер:
3.4 Mб
Скачать

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФОСФОЛИПИДАХ

1.1. Химическое строение и свойства

Все биомембраны, включая плазматическую мембрану и внутренние мембраны эукариотических клеток, представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул. Содержание других компонентов составляет, как правило, менее 5%. Липиды представляют собой обширный класс неполярных природных соединений, различающихся между собой химической структурой. К ним относят жирные кислоты, нейтральные глицериды, фосфолипиды, сфинголипиды, воска и т.д. В клетке и организме липидам присущи три основные функции: (1) это важнейшие структурные компоненты клеточных мембран; (2) важнейшие биоэффекторы, регулирующие внутриклеточные реакции и межклеточные взаимодействия; (3) форма запаса метаболического топлива.

Фосфолипиды (ФЛ) представляют собой основной класс мембранных липидов, содержание которых варьирует от 40 до 90% общего количества липидов. В состав ФЛ входят длинноцепочечные насыщенные или ненасыщенные жирные кислоты, содержащие от 10-12 до 26-28 атомов углерода. Обязательным признаком ФЛ является наличие фосфатной группы, к которой присоединена специфическая полярная группа. Полярными группами являются азотистые основания (этаноламин или холин), аминокислотный остаток (серин) или углеводный фрагмент (инозит) [1 - 7].

Сопряжение между жирнокислотной и полярной частью

молекулы осуществляется в природе, как правило, через один из двух видов сложных спиртов - глицерина или амино-содержащего спирта сфингозина (СФ). В зависимости от этого различают глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды.

Несмотря на различие структуры отдельных классов ФЛ, все они построены по схожему принципу. В структуре ФЛ выделяют полярную "головку" и два гидрофобных "хвоста" (Рис. 1.1.1). У глицерофосфолипидов гидрофобные хвосты представлены углеводородными радикалами жирных кислот, а полярная головка - остатком фосфата, соединенного сложноэфирной связью с (амино)спиртом.

Именно это сочетание обуславливает основное свойство ФЛ - амфифильность, т.е. сродство к полярной (водной) и к гидрофобной (жировой) средам.

Жирные кислоты (ЖК) являются универсальным компонентом всех типов омыляемых липидов, включая ФЛ. Они во многом определяют свойства ФЛ и особенности их биологического

11

Рис. 1.1.1. Структура молекулы типичного глицерофосфолипида

А - химическая формула; Б - пространственное расположение атомов; В - принятое условное изображение.

функционирования.

В молекуле ФЛ жирные кислоты соединены с глицерином (сфингозином) сложноэфирной связью, в образовании которой участвуют карбоксильные группы жирной кислоты и гидроксильная группа спирта. Существует большое разнообразие остатков жирных кислот, которое определяется длиной углеводородной цепи, количеством и местом расположения в ней двойных связей. Наличие двойной связи - т.е. ненасыщенность - важная характерная черта каждой кислоты, часто определяющая ее

положение в молекуле фосфолипида, его поведение и свойства в клеточной мембране.

Насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные ЖК в различных комбинациях присутствуют в молекулах ФЛ практически каждого природного объекта (биомембран или липопротеинов).

Несмотря на чрезвычайное разнообразие ЖК в природе (их насчитывают более 800 [8]), в составе липидов и ФЛ тканей животных и человека количество встречающихся жирных кислот ограничено 20, а практически - если не считать минорных, доля которых менее 0.1% - определяют 10-12 основных типов жирных кислот. Но даже и этого количества достаточно, чтобы обеспечить

широкое разнообразие молекулярных видов каждого из природных фосфолипидов.

1.1.1. Жирные кислоты.

Основные насыщенные жирные кислоты ФЛ животных

12

организмов - пальмитиновая (С16:0) и стеариновая (С18:0). Реже встречаются, хотя присутствуют в минорных количествах в животных тканях, насыщенные кислоты с более короткой цепью С14:0 (миристиновая) или С8:0 (каприловая), а также с более длинной цепью, например С22:0 (лигноцериновая кислота).

Все животные клетки способны синтезировать de novo насыщенные ЖК, преимущественно пальмитиновую, а также стеариновую, бегеновую (С20:0) и лигноцериновую кислоты.

Из мононенасыщенных, называемых моноеновыми, жирных кислот в ФЛ присутствует главным образом олеиновая кислота (С18:1), а также - значительно в меньшем количестве - пальмитолеиновая (С16:1).

Более половины жирных кислот ФЛ содержат две и более двойные связи (диеновые ЖК и полиеновые ЖК, называемые также полиненасыщенными жирными кислотами - ПНЖК).

Учитывая различия физико-химических свойств и биологического действия ПНЖК, их разделяют на семейства, исходя из положения двойной связи в цепи жирной кислоты относительно конечного атома углерода (ω- или n-).

Âприроде распространены два основных семейства ПНЖК, которые образуются из линолевой и альфа-линоленовой кислот: n-6 и n-3.

Âпроцессах метаболизма в клетке в молекулу ЖК могут быть введены дополнительные двойные связи. Эту реакцию катализируют ферменты десатуразы. При действии других ферментов, элонгаз, длина углеводородного скелета может быть увеличена на 2 атома углерода. Таким образом, при действии

элонгаз и десатураз ЖК могут стать длиннее и приобрести большее число двойных связей. Растительные клетки имеют в цитозоле такие десатуразы, которые позволяют им синтезировать ПНЖК семейства n-3 и n-6, имеющие в углеводородной цепи две и более двойных связи. Десатуразы животных клеток могут образовывать двойные связи, удаленные от карбоксильной группы не далее 9 атома углерода. Поэтому в организме человека n-3 и n-6 ПНЖК,

содержащие двойные связи дистальнее 9 атома, не могут образовываться: n-6 линолевая С18:2 (∆9,12), n-3 линоленовая С18:3 (∆9,12,15). Поскольку эти кислоты необходимы для нормального функционирования организма, они должны поступать с пищей, поэтому ПНЖК n-6 и n-3 называют эссенциальными жирными кислотами.

Линолевая кислота, 18:2(n-6) - самый распространенный компонент растительных липидов и всех коммерческих масел, производимых из семян. Хотя весь линолеат, присутствующий в животных тканях, поступает только с пищей, в большинстве

13

классов липидов млекопитающих он составляет - вместе с образующейся из него арахидоновой кислотой - 15-25%. В кардиолипине клеток сердца эта цифра может достигать 75% от общего количества ЖК. Линолевая кислота также является важнейшим компонентом ФЛ рыб, хотя у последних преобладают жирные кислоты семейства n-3.

Aрахидоновая кислота, 20:4(n-6) - важнейший метаболит линолевой кислоты в животных тканях. Это наиболее часто встречающийся полиненасыщенный компонент ФЛ, а в одном из классов ФЛ - фосфатидилинозите - она составляет более 40% от всех ЖК. Многие биологически активные соединения, включая простагландины (ряда PG2), тромбоксаны, лейкотриены и липоксины, являются производными арахидоновой кислоты.

Альфа-ëиноленовая кислота, 18:3(n-3) - основной компонент листьев и особенно фотосинтезирующей системы водорослей и высших растений. Содержание линоленовой кислоты в льняном масле составляет в среднем 65% от общего количества ЖК, и поэтому это масло очень чувствительно к окислению. Соевое и рапсовые масла содержат только до 7% линолената, поэтому они более устойчивы к окислению.

В клетках животных альфа-линоленовая кислота является минорным компонентом. Остальные n-3 ЖК синтезируются в растительных и животных клетках из альфа-линоленовой кислоты в ходе последовательного удлинения (элонгации) и десатурации. Все жирные кислоты n-3 ряда являются эссенциальными, так как их источник, альфа-линоленовая кислота, поступает в организм

только с пищей.

Сохранение постоянного уровня ненасыщенности жирных кислот фосфолипидов биомембран необходимо в первую очередь для поддержания определенных ее физических свойств, таких, как проницаемость, жидкостность и т.д.

Таким образом, эссенциальные линолевая и линоленовая кислоты не синтезируются в тканях животных и должны обязательно поступать с пищей. Они абсолютно необходимы организму для роста, репродукции и нормального функционирования. В экспериментах с новорожденными животными с дефицитом эссенциальных ПНЖК показана задержка роста, нарушение целостности мембран и гибель клеток почек и печени, развитие дерматитов и, как результат, гибель организма в целом.

Дефицит эссенциальных ЖК проявляется у новорожденных детей или у взрослых, находящихся на парентеральном питании, а также при некоторых генетических нарушениях. Абсолютные

14

потребности организма животных и человека в эссенциальных ЖК семейства n-3 и n-6 зависят от ряда факторов, включая вид и пол. Как правило, потребность составляет до 1-2% от всех поступивших с пищей жирных кислот для линолеата и несколько меньше для линолената. Животным и человеку линолеат и линоленат необходимы для синтеза важнейших длинноцепочечных метаболитов.

Функции арахидоновой, эйкозапентаеновой и докозагексаеновой кислот, определяющие их незаменимость для организма, еще до конца не изучены. Они придают определенные свойства мембранным ФЛ. Кроме того, эти ПНЖК являются предшественниками эйкозаноидов, включая простагландины (PG1, PG2 и PG3 ряда), тромбоксаны, лейкотриены и липоксины [9 - 11].

Общий план построения мембран, определенный набор в мембране ФЛ и интегральных белков, генетически закрепленный и принятый естественным отбором, сохранились в процессе эволюции [12]. Однако постоянным является только общий принцип построения мембраны, в то время как состав ФЛ и их жирных кислот в мембранах отдельных видов животных существенно отличается. До сих пор не вполне ясно, зачем природе понадобилось такое разнообразие липидных структур. Однако тот факт, что в одной мембране могут сосуществовать более сотни разнородных по структуре липидных соединений, соотношения которых специфичны для каждого типа мембран, показывает, что они должны принимать участие во многих

процессах, протекающих в клетке. Уникальные функции в клеточных процессах некоторых индивидуальных видов ФЛ начинают выявляться только в последние годы.

1.1.2.Глицерофосфолипиды.

Âмолекулах природных глицерофосфолипидов ограничен набор полярных групп (головок). В зависимости от характера этих групп различают основные классы: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит, фосфатидил-глицерин. (Рис. 1.1.2)

Фосфатидилхолин (ФХ, тривиальное название - лецитин) - фосфолипид, наиболее широко распространенный во всех живых клетках (Рис. 1.1.2.1). Его содержание достигает в среднем 50% от общего количества фосфолипидов. ФХ является основным "строительным блоком" мембран клеток и субклеточных органелл. Содержание этого фосфолипида выше во внешнем монослое плазматической мембраны, чем во внутреннем. ФХ также

15

Рис. 1.1.2. Химическое строение глицерофосфалипидов

16

относится к основным фосфолипидам, циркулирующим в крови, где он является интегральным компонентом липопротеинов, особенно высокой плотности. Содержание ФХ в липопротеинах выше, чем в мембранах клеток и достигает 70 - 75% всех ФЛ. С другой стороны, ФХ редко обнаруживается в бактериальных мембранах, главным образом у грам-отрицательных видов. ФХ доминирует во многих тканях организма человека и составляет от 30 до 45% всех фосфолипидов. Так, высокое содержание ФХ обнаружено в тканях легких (46,5%), печени (43,6%) и селезенке (41,2%) [13].

При физиологических значениях рН молекула ФХ не несет суммарного заряда и является цвиттерионом. В тканях животных ФХ присутствует главным образом в диацильной форме (рис. 1.1.2.), причем, как правило, R' представлена насыщенной ЖК, а R''- ненасыщенной).

Ткани большинства животных организмов со сходной метаболической активностью имеют ФХ со сходным жирнокислотным составом. Кроме того, в состав мембран клеток тканей некоторых органов входит ФХ, содержащий высокое количество насыщенных ЖК. Например, известно, что ФХ легких у всех видов животных содержит высокое количество (50% и более) дипальмитоилфосфатидилхолина (ДПФХ). Это обусловлено тем, что ДПФХ - основной компонент легочного сурфактанта, обеспечивает стабильность альвеол, снижая их поверхностное натяжение до очень низкого уровня.

Наряду с важнейшей ролью ФХ как структурного компонента

мембран, установлены его определенные, не менее важные функции в передаче клеточного сигнала, например, в процессе образования фонда диглицеридов из ФХ. Однако, отмечают, что большое количество ФХ в клетке ингибирует его превращение в диглицериды.

Специфическое расщепление ФХ в тканях для образования ряда биоактивных компонентов происходит под действием фосфолипаз, активируемых рядом агонистов.

Лизофосфатидилхолин (лизоФХ) - фосфолипид, в молекуле которого единственный остаток ЖК находится в положении sn-1. Он содержится в небольших количествах в большинстве животных тканей (Рис. 1.1.2.2).

ЛизоФХ образуется при гидролизе ФХ фосфолипазой A2, в ходе циклического процесса деацилирования/реацилирования, контролирующего молекулярный состав всех видов ФЛ в организме. Фосфолипаза A2 расщепляет сложноэфирную связь в молекуле ФХ в положении sn-2 с образованием лизоФХ.

17

Высвобождаемая при этом ненасыщенная жирная кислота, например, арахидоновая, может служить субстратом для синтеза простагландинов и лейкотриенов [1, 11].

В плазме крови у животных значительное количество лизоФХ образуется под действием фермента лецитин-холестерин- ацилтрансферазы (ЛХАТ), секретируемого печенью. Фермент катализирует перенос жирных кислот фосфатидилхолина из положения sn-2 к свободному холестерину (ХС) в плазме с образованием эфиров ХС и лизоФХ [14].

ЛизоФХ, как и другие лизофосфолипиды, в свою очередь является субстратом для ацилтрансфераз. Ацилтрансферазы, воздействуя на лизоФЛ, способны включать в реакцию различные ацильные группы, что в итоге приводит к замене жирнокислотного остатка в исходной молекуле диацильного ФЛ. В большинстве случаев ацильные группы, которые в начальной стадии синтеза перемещаются под действием ацилтрансфераз, отличаются от тех ацильных групп, которые присутствуют в фосфолипиде. Такие замены ацильных групп являются результатом воздействия фосфолипаз А1 è À2. Фосфолипазы С и D расщепляют связи около фосфатной и холиновой групп соответственно (Рис. 1.1.3.).

Рис. 1.1.3. Действие различных фосфолипаз на молекулу фосфолипида.

Существенные количества лизоФХ входят в состав окисленных липопротеинов низкой плотности (ЛНП) и считаются "патологическим" компонентом ЛНП, так как полагают, что именно эти липопротеины являются основными факторами возникновения и развития атеросклероза [15, 16]. В последние 1015 лет были установлены некоторые функции лизоФХ в передаче клеточного сигнала, опосредованного рецептором, сопряженным с G-белками (GPCR) (см. главу 3).

18

Фосфатидилэтаноламин (ФЭ, тривиальное название - кефалин) является вторым по распространению фосфолипидом в липидах животных и растений и, как правило, главным липидным компонентом мембран многих микроорганизмов. Так же как и ФХ, ФЭ является ключевым "строительным блоком" мембранного бислоя. ФЭ представляет собой нейтральный цвиттерионный фосфолипид (Рис.1.1.2.3).

По аналогии с ФХ, ФЭ млекопитающих содержит относительно высокие количества арахидоновой и докозагексаеновой кислот. Однако ФЭ имеет меньшую "полярную головку", чем ФХ, и, в отличие от него, способен образовывать дополнительные водородные связи при помощи концевой аминогруппы.

Фосфатидилсерин (ФС), или 1,2-диацил-sn-глицеро-3-фосфо- L-серин - единственный фосфолипид в животных клетках, который содержит остаток аминокислоты. (Рис. 1.1.2.4).

Хотя ФС широко распространен в природе у животных, растений и в микроорганизмах, он обычно составляет менее 10% от общего количества фосфолипидов. Наивысшее содержание ФЭ обнаружено в тканях мозга. Но в некоторых случаях в плазматической мембране и эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) клеток его количество может достигать 20 % от всех ФЛ.

По химическому строению ФС - анионный фосфолипид с тремя ионизированными группами: фосфатной-, амино- и карбоксильной. Как и другие кислые липиды, он существует в природе в солевой форме.

Фосфатидилинозитол (ФИ) является важнейшим

фосфолипидом живых систем. С одной стороны, ФИ - ключевой компонент мембраны, а с другой - важнейший участник метаболических процессов в клетках растений, животных и некоторых видов бактерий (Рис. 1.1.2.). ФИ является кислым (анионным) фосфолипидом, который содержит фосфатидную кислоту, связанную через фосфатную группу с шестиатомным спиртом инозитом (гексаоксициклогексаном). В мембранах этот фосфолипид локализуется почти полностью на цитозольной стороне бислоя. Он присутствует во всех клетках и тканях животных, но в меньших количествах, чем ФХ, ФЭ и ФС. Больше всего ФИ содержится в тканях мозга, где его уровень может достигать 10% от количества всех ФЛ.

Характерной чертой ФИ, выделенного из тканей животных, является высокое содержание стеариновой и арахидоновой кислот. Поэтому в животных тканях ФИ является основным источником арахидоновой кислоты, необходимой для биосинтеза эйкозаноидов, включая простагландины.

19

Инозитольные фосфолипиды (фосфоинозитиды, включая полифосфоинозитиды), повидимому, играют существенную роль в межфазном связывании белков и в регуляции поведения белков на границах раздела фаз в клетке. Будучи полианионами, фосфоинозитиды обеспечивают эффективные неспецифические электростатические взаимодействия с белками. Эти ФЛ являются особенно эффективными в специфическом связывании с так называемыми "РН" доменами клеточных белков (см. главу 3).

Наиболее существенной реакцией метаболизма ФИ под действием фосфолипаз С является образование диглицеридов. Именно ФИ в животных и растительных клетках является источником диглицеридов - важнейших сигнальных молекул для клеток. Проявления биологической активности различных соединений, образующихся в клетке из фосфоинозитидов, были предметом интенсивного изучения последних двадцати лет. Показаны многочисленные эффекты как диглицеридов, так и отдельных фосфорилированных инозитидов, связанные, в основном, с преобразованием (трансдукцией) клеточных сигналов.

Известно, что ФИ фосфорилируется рядом различных киназ, которые переносят фосфатную группу от АТФ к 4 и 5 положениям инозитного кольца. Терминологически, различные соединения, содержащие инозит, объединены под общим названием "фосфоинозитиды". Известен большой ряд изомеров, но наиболее важными как в количественном, так и в биологическом отношениях являются ФИ-4-фосфат (PIP) и ФИ-4,5-дифосфат (PIP2) (Рис.1.1.2.5Á, Â). Как правило, эти изомеры присутствуют в

тканях только в низких концентрациях, составляя приблизительно 5% от количества ФИ. Установлено, что содержание PIP и PIP2 поддерживается на постоянном уровне на внутренней стороне плазматической мембраны с помощью серии непрерывных и последовательных реакций фосфорилированиядефосфорилирования, катализируемых соответствующими киназами и фосфатазами.

Âцелом, большинство различных фосфоинозитидов включены

âконтроль многих клеточных процессов. Особенно существенным является их участие в передаче сигналов, для перегруппировки актинового цитоскелета и внутриклеточного везикулярного транспорта. Их считают идеальными кандидатами в регуляторы динамических клеточных механизмов.

Фосфатидная кислота (ФК) представляет собой фосфолипид, встречающийся практически во всех живых организмах. Она является важным промежуточным соединением в биосинтезе триглицеридов и большинства основных ФЛ. Молекула ФК несет

20

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.