7 семестр / Липиды и мембраны-лекция

59

правилом Марковникова и дает двухатомный спирт терпин, который используется в медицине при лечении бронхита.

Ментол содержится в эфирном масле перечной мяты. Он обладает антисептическим и успокаивающим действием. Структура ментола содержит три хиральных атома углерода, ей соответствует 8 стереоизомеров. Природный ментол существует в конформации кресла, где все три заместителя занимают экваториальное положение.

Бициклические монотерпены

Содержат два цикла и одну двойную связь. Основу их углеродного скелета составляют углеводороды каран, пинан и камфан, которые могут быть построены из ментана путем замыкания еще одного цикла за счет образования мостика изопропильной группой при замыкании ее в орто-,

ментан

каран

пинан

камфан

метаили пара-положения ментанового цикла.

Бициклический монотерпен ряда пинана -пинен – основная составная часть скипидара. Наиболее важным терпеноидом ряда камфана является камфора, которая используется как стимулятор сердечной деятельности. Структуры -пинена и камфоры содержат два хиральных атома углерода и должны иметь 4 стереоизомера. Однако из-за жесткости структур возможно существование только двух энантиомерных форм.

			CH	CH	CH		CH
							3
			3	3
					3		CH
				CH
			O				3
	*	O		3
*				*			*	O
			*
							*
	*
*			H				H
−пинен	камфора		(+)-камфора			(-)-камфора

Сесквитерпены и терпеноиды

Сесквитерпены – это тримеры изопрена, имеют состав С15Н24. Как и монотерпены, эти вещества находятся в эфирных маслах растений.

CH2OH

фарнезол

60

Например, ациклический терпеновый спирт фарнезол – душистый компонент ландыша.

Дитерпены и терпеноиды

Дитерпены – это тетраизопреноиды, содержат в молекуле 20 атомов углерода. Важную биологическую роль играют дитерпеновые спирты: фитол

	CH2OH	CH2OH
фитол		витамин А

– спирт, в виде сложного эфира входящий в состав хлорофилла, и витамин А (ретинол).

Тетраизопреноидные			фрагменты						содержат		молекулы
жирорастворимых витаминов Е и К1.
	CH				CH
	3	CH
CH	O				3
		3
3
		(CH CH CH			CH	) CH				витамин Е
		2	2	2		3	3
HO
	CH
	3
	O
	CH
	3	CH				CH
			3			3
	CH CH C		(CH CH CH			CH	)	CH		витамин К	1
	2		2	2	2		3	3
	O

Тритерпены и терпеноиды

Содержат шесть изопреновых фрагментов. Наиболее важным тритерпеном является сквален С30Н50, выделенный из печени акулы. Сквален является биологическим предшественником стероидов (промежуточный продукт в биосинтезе холестерина).

61

сквален

Тетратерпены и терпеноиды

Содержат восемь изопреновых фрагментов. Тетратерпены широко распространены в природе. Наиболее важными из них являются растительные пигменты – каротиноиды. Их молекулы содержат длинную систему сопряженных двойных связей и поэтому окрашены. -Каротин – растительный пигмент желто-красного цвета, в большом количестве содержащийся в моркови, томатах и сливочном масле. Все каротины – предшественники витаминов группы А. Молекула -каротина состоит из двух одинаковых частей и in vivo превращается в две молекулы витамина А.

		CH OH
	2	2
-каротин		витамин А

Стероиды

Стероиды – природные биологически активные соединения, основу структуры которых составляет углеводород стеран. Как и терпены стероиды

				12			13	17
			11
	1		9	C		*		D	16
		10				*			стеран
	A *		*		8		14	15
			B *
		*			7
	4	5	6

относятся к изопреноидам и связаны с ними общими путями биосинтеза. Большинство стероидов имеют метильные группы в положениях 10 и

13, а также заместитель в положении 17, содержащий до 10 атомов С. В зависимости от величины заместителя в положении 17 различают три основные группы стероидов: стерины, желчные кислоты и стероидные гормоны.

Незамещенный стеран содержит 6 хиральных атомов углерода в местах сочленения циклов и должен иметь 64 стереоизомера. Введение заместителей к любому атому углерода стерана также делает его хиральным. Однако возможное число стереоизомеров ограничено из-за жесткости структуры.

Стереохимическая конфигурация стерана определяется типом сочленения колец А, B, C и D. При транс-сочленении заместители у узловых атомов углерода (С5 и С10; С8 и С9; С13 и С14) находятся по разные стороны цикла, при цис-сочленении – по одну сторону. Теоретически возможно 8 различных комбинаций сочленения 4-х колец стерана. Однако в

62

природных стероида сочленение колец В/С и С/D, как правило, транс, а колец A/В - цис или транс.

Расположение заместителей в кольце стерана над или под плоскостью кольца обозначается буквами и соответственно. Тип сочленения колец В/С и С/D неизменен и поэтому не указывается. Тип сочленения колец A/В указывается по ориентации заместителя в положении 5: 5 -стероид имеет транс-сочленение, а 5 -стероид цис-сочленение колецА/В. Таким образом различают два стереохимических ряда стероидов: 5 -стероиды и5 - стероиды.

Для изображения стероидов используют конформационные формулы или плоское изображение. В последнем случае заместители изображают либо

10

13

C

D

9

C

D

A

8

A

B

B

14

5

5 -стероид (А/В - транс; В/С - транс; С/ D - транс)

13

C

D

10

9

C

D

A

B

8

A

B

14

5

5 -стероид (А/В - цис;

В/С - транс; С/ D - транс)

над плоскостью ( -конфигурация),

либо под плоскостью ( -конфигурация)

чертежа.

Стерины

Стерины – природные спирты ряда стероидов, основа углеродного

			18	21		22	23	26
			12 CH3			20
	19	11	13	17		24 25		27
	CH3					16
1			9
	10			14				холестан
2			8		15
3		5	7
4		6

скелета которых - углеводород холестан.

Все стерины содержат группу ОН в положении 3 и являются, таким образом, вторичными спиртами. Стерины присутствуют во всех тканях животных и растений. Они являются промежуточными продуктами в биосинтезе желчных кислот и стероидных гормонов. Примерами стероидов животного происхождения являются холестанол и холестерин. По номенклатуре ИЮПАК названия стероидов строятся в соответствии с

63

правилами заместительной номенклатуры. При этом за родоначальную структуру берется соответствующий насыщенный углеводород, в случае стеринов это холестан.

	CH		CH
	3		3
	CH		CH
	3		3
3	5	3	5
HO		HO
5−холестанол -3			холестерин
			(холестен -5-ол-3 )

Холестерин является наиболее распространенным стерином животных и человека. Он присутствует во всех животных липидах, крови и желчи. Мозг содержит 7% холестерина в расчете на сухую массу. Нарушение обмена холестерина приводит к его отложению на стенках артерий и атеросклерозу, а также к образованию желчных камней.

Желчные кислоты

Желчные кислоты – это гидроксикарбоновые кислоты ряда стероидов. Основа строения желчных кислот – углеводород холан.

				18	21		22			OH
							23			CH
			12	CH			20			3
					3						24
	19	11		13	17		24		CH	12	COOH
	CH						16
1			9						3
	10	3								1
					14
2						15
			8
								3	5	7
3		5	7
										OH
4		6						HO
		холан						холевая кислота
								(3, 7 , 12 −тригидрокси-24-карбокси-5				−холан)

Желчные кислоты образуются в печени из холестерина. Натриевые и калиевые соли желчных кислот являются поверхностно-активными веществами. Эмульгируя жиры, они способствуют их всасывание и перевариванию.

Стероидные гормоны

Стероидные гормоны – физиологически активные вещества ряда стероидов, вырабатываемые железами внутренней секретиции.

По химическому строению и биологическому действию различают гормоны коры надпочечников (кортикостероиды), мужские половые гормоны (андрогены) и женские половые гормоны (гестагены и эстрогены). Каждому типу стероидных гормонов соответствует углеводород, который составляет основу их углеродного скелета. Для кортикостероидов и гестагенов это – прегнан, андрогенов – андростан, эстрогенов – эстран.

64

	C H
CH	2	5	CH	CH
3			3	3
CH			CH
3			3
прегнан			андростан	эстран

На рисунке приведены примеры некоторых стероидных гормонов, вырабатываемые разными железами внутренней секреции.

		CH OH
		|	2
	CH	C=O		CH	OH	CH	OH
						3
HO	3
				3
CH				CH
3
				3
	H			H		H
O				O		HO
кортикостерон				тестостерон		эстрадиол

Кортикостерон – гормон коры надпочечников, регулирует углеводный обмен, действует как антагонист инсулина, повышая содержание сахара в крови. Тестостерон – мужской половой гормон, стимулирует развитие вторичных половых признаков. Эстрадиол – женский половой гормон, контролирует менструальный цикл.

Липидные мембраны

Жидко-мозаичное строение мембран

Молекулы фосфолипидов дифильны. Они содержат полярную гидрофильную «голову» и неполярный гидрофобный «хвост». В водной среде они способны образовывать сферические мицеллы – липосомы, которые можно рассматривать как модель клеточных мембран.

Фосфолипиды – основные структурные компоненты клеточных мембран. Клеточные мембраны рассматриваются как липидные бислои. В таком бислое углеводородные радикалы фосфолипидов за счет гидрофобных взаимодействий находятся внутри, а полярные группы липидов располагаются на внешней поверхности бислоя.

65

o

o o o

o

o

o

o

o o o o o o

o

o o o o

o o o o o

o

o

o

o o o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o o o o o o oo o o o o

o o

o o

oo

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

- фосфолипиды

o

o

- белки

Строение липосомы

Строение клеточной мембраны

Важную роль в стабилизации липидных мембран играет холестерол. Примерно половина молекул липидов – молекулы холестерола. Полярная гидроксильная группа холестерола (полярная «головка») взаимодействует с полярными группами фосфолипидов, а жесткий гидрофобный углеводородный радикал – с верней частью углеводородных радикалов жирных кислот. Молекулы холестерола, в отличие от фосфолипидов, могут переходить из одного монослоя в другой, тем самым обеспечивая упругость мембран. Кроме того, холестерол придает мембранам определенную жесткость и уменьшает проницаемость мембран для заряженных молекул.

Мембраны – вязкие, но пластичные структуры. Согласно жидкостномозаичной модели в жидкий липидный бислой встроены молекулы белков, гликолипидов и гликопротеинов. Эти молекулы составляют 50% по массе всех компонентов мембран.

Мембранные белки, гликопротеины и гликолипиды, связанные с мембранными липидами ковалентно или пронизывающие липидные бислои насквозь, называют интегральными; молекулярные комплексы, связанные с поверхностью мембран, - периферическими.

Функции мембранных гликолипидов, гликопротеинов, белков

Белки-переносчики гидрофильных молекул или ионов через мембрану.

Ферменты, взаимодействующие с жирорастворимыми веществами.

Рецепторы на поверхности клеток (гликолипиды и гликопротеины).

Свойства цитоплазматических мембран клеток

Мембраны – жидкие вязкие текучие структуры.

Мембраны обеспечивают гидрофобный барьер для гидрофильных веществ.

Мембраны ассиметричны, т.е. монослои различаются фосфолипидным

составом, распределением холестерола и белков.

Основываясь на свойствам мембран была предложена жидко-мозаичная модель строения мембран.

66

Жирнокислотный состав бактерий. Клеточные стенки бактерий

Все липиды бактерий производные глицерина содержат один или несколько остатков жирных кислот, состав которых своеобразен. Полиненасыщенные жирные кислоты у бактерий отсутствуют. Исключение составляют цианобактерии, у разных видов которых найдены полиненасыщенные жирные кислоты типа С16:2, С18:2, С18:3, С18:4. Помимо обычных жирных кислот, то есть обнаруживаемых и в клетках эукариот, в составе мембранных липидов бактерий находят и кислоты, не встречающиеся, как правило, в мембранах эукариот. Набор жирных кислот в мембранных липидах также чрезвычайно видоспецифичен. У некоторых грамположительных бактерий С15-жирная кислота с разветвленной цепью может составлять до 90 % всех жирных кислот липидов. Главная функция липидов поддержание механической стабильности мембраны и придание ей гидрофобных свойств.

Особый состав липидов обнаружен в мембранах архей. У них не найдены типичные для бактерий эфиры глицерина и жирных кислот, но присутствуют эфиры глицерина и высокомолекулярных С20, С40спиртов, а также нейтральные изопреноидные С20, С30углеводороды.

Бактерии можно разделить на два класса в зависимости от способности окрашиваться по методу, разработанному датским бактериологом Грамом в 1884 г. В процессе отмывки, которая следует за процедурой окрашивания, грамположительные бактерии удерживают фиолетовый краситель, а грамотрицательные теряют его. Это явление обусловлено фундаментальными различиями в структуре клеточных стенок двух указанных классов бактерий. Грамположительные бактерии обладают однослойной электроноплотной нелипидной клеточной стенкой толщиной 20-80 нм. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка двухслойная. Первый слой – очень тонкая (1 нм) нелипидная мембрана – окружен вторым: липидной мембраной толщиной 7,5 нм.

67

Рис. Клеточные стенки грамотрицательных и грамположительных бактерий (рисунок из Э.Рис, М.Стернберг «Введеие в молекулярную биологию»,М. - Мир, 2002, с. 109)

Клеточная стенка – это жесткая структура, которая служит для поддержания структуры клетки и предотвращает ее лизис из-за осмотического шока. При обработке бактерий гидролитическим ферментом (лизоцимом) клеточная стенка может «раствориться». В случае грамположительных бактерий после такой обработки остаются клетки, чувствительные к осмотическому шоку, имеющие только плазматическую мембрану и называемые протопластами. У грамотрицательных бактерий

68
вторая, наружная мембрана сохраняется	и образующиеся клетки,

называемые сферопластами, несколько менее чувствительны к осмотическому шоку. Материал клеточных стенок, который теряется в обоих случаях, известен как пептидогликан (см. лекцию по полисахаридам).

Пептидогликан – это сложный матрикс, содержащий полисахаридные цепи, связаные друг с другом поперечными сщивками из коротких пептидных цепей. Полисахарид – это (1 4)-цепь из чередующихся моносахаридов N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты. У грамположительых бактерий эти цепи образуют трехмерный волокнистый матрикс, имеющий до 40 слоев, а у грамотрицательных – слой только один. Таким образом толщина пептидогликанового матрикса может составлять от 1 до 80 нм. Полисахаридные цепи связаны между собой пептидными цепочками. Поперечные сшивки содержат два типа структур: тетрапептидные элементы и пептидные мостики которые соединяют полисахаридные цепи через тетрапептидный элемент. Тетрапептид представляет собой чередующуюся цепь L- и D- аминокислот. Это способствует большей устойчивости его к протеолитическому расщеплению. Пептидный мостик – пентапептидная цепочка, состоящая из аминокислот с небольшимибоковыми радикалами.

Рис. Строение пептидогликана клеточных стенок бактерий (из А.Ленинджер «Основы биохимии» в 3-х т., М. – Мир, 1985, т.1, с.317)

Механизм действия некоторых антибиотиков состоит в их «вмешательстве» в сборку клеточной стенки (пеницилин).