Липидный фундамент жизни биомолекула
Обновлено: 26.04.2024
Биологические молекулы имеют модульное строение. К числу важных классов биологических молекул относятся белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Множество других молекул в клетке играют роль «энергетической валюты».
Жизнь — таинственная, сложная, загадочная — не что иное как совокупность достаточно крупных молекул и довольно простых химических реакций. Если бы вам понадобилось конструировать крупные молекулы, вы пошли бы по одному из двух путей. Либо, как в кустарном ювелирном деле, вы стали строить каждую молекулу «с нуля», проделывая каждый раз уникальную работу. Либо — этот путь используется в современных строительных технологиях — вы бы изготовили набор простых молекул, из которых можно собирать самые разнообразные молекулы большего размера, сочетая модули тем или иным образом. Оказывается, именно такое модульное строение имеют биологические молекулы. Согласно теории эволюции, таким и должен был быть самой простой путь к крупным молекулам, поскольку в начале эволюционного процесса необходимость в конструировании очень сложных молекул отсутствовала. Со временем же могли добавляться новые модули, расширяя коллекцию крупных разнородных элементов, что вполне соответствует духу эволюции.
Основной структурной единицей белков являются молекулы аминокислот. Чтобы понять, что такое аминокислота, представьте себе совокупность атомов, у которых с одной стороны наружу выступает водород, с другой — соединенные между собой кислород и водород, а посередине расположены разнообразные другие компоненты. Подобно тому как бусины нанизываются на нить, из этих аминокислот собираются белки — ион водорода одной аминокислоты объединяется с ионом гидроксила другой аминокислоты с образованием молекулы воды. (Представьте, как каждый раз при соединении двух аминокислотных молекул между ними пробегает капелька воды.) Среди белков самую важную роль играют белки-ферменты (см. Катализаторы и ферменты), регулирующие химические реакции в клетках; но белки также являются важными структурными компонентами живых организмов. Например, ваши волосы и ногти состоят из белков.
Углеводы содержат кислород, водород и углерод в соотношении 1:2:1. Во многих живых системах молекулы углеводов выполняют роль источников энергии. Одним из важнейших углеводов можно считать сахар глюкозу, содержащую шесть атомов углерода . Глюкоза — конечный продукт фотосинтеза и, следовательно, основа всей пищевой цепи в биосфере. Соединяя молекулы глюкозы, как основные строительные модули, можно получить сложные углеводы. Как и белки, углеводы играют вспомогательную роль в клетках, поскольку входят в клеточные структуры. Например, растительные волокна состоят из целлюлозы, которая представляет собой вереницу сцепленных особым образом молекул глюкозы.
Липиды — это нерастворимые в воде органические молекулы. Вы получите правильное представление о липидах, если вообразите капельки жира, плавающие на поверхности бульона. В живых организмах липиды выполняют две важные функции. Один класс молекул — фосфолипиды — состоят из маленькой головки, содержащей фосфатную группу (атом фосфора, соединенный с четырьмя атомами кислорода), и длинного углеводородного хвоста. Углеводородный хвост этой молекулы гидрофобен, то есть энергетическое состояние молекулы минимально, когда этот хвост находится не в воде. Напротив, фосфатная головка гидрофильна, то есть энергетическое состояние молекулы минимально при контакте головки с водой . Если поместить молекулы фосфолипидов в воду, они будут стремиться достичь минимального энергетического состояния и выстроятся таким образом, что их хвосты окажутся вместе, а головки — врозь. Такая двухслойная структура очень стабильна, поскольку головки будут в контакте с водой, но вода будет вытеснена из области, окружающей хвосты молекул. Для перемещения липидным молекулам необходима энергия — либо чтобы удалить гидрофильные участки из воды, либо чтобы поместить в воду гидрофобные участки. Из таких липидных двухслойных структур состоят клеточные мембраны и мембраны, разделяющие компоненты клетки. Эти пластичные и прочные молекулы отделяют живое от неживого.
Кроме того, в липидах запасается энергия. Липиды могут накапливать примерно вдвое больше энергии на единицу массы, чем углеводы. Вот почему, когда вы переедаете и ваш организм хочет запасти энергию на случай непредвиденных обстоятельств в будущем, когда пищи не будет, он станет запасать ее в форме жира. На этом простом факте строится многомиллиардная индустрия диетических продуктов.
Молекулы ДНК и РНК (см. Центральная догма молекулярной биологии) переносят информацию о химических процессах, идущих в клетке, и участвуют в передаче содержащейся в ДНК информации в цитоплазму клетки. В ДНК живого организма закодированы белки-ферменты, которые катализируют все химические реакции, происходящие в этом организме.
Жизнедеятельность требует затрат энергии. В частности, нужно, чтобы энергия, произведенная в одном месте, могла быть использована в другом. Эту функцию в клетке осуществляет целая армия специализированных молекул. Пожалуй, самые важные из них — аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ). Обе молекулы устроены так: группа из атомов углерода, водорода и азота (она называется аденин) присоединена к молекуле рибозы (это сахар), и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. Из названий молекул понятно, что в хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ — три. Когда в клетке происходит химический процесс, например фотосинтез, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ. Полученная молекула АТФ затем переносится в другие части клетки. Там запасенная энергия может быть использована в других химических процессах: она выделяется при отщеплении последнего фосфата от АТФ, в результате чего АТФ вновь превращается в АДФ.
Как мы уже упоминали, существуют и другие молекулы, которые переносят энергию в клетке. Набор таких молекул чем-то напоминает разные варианты оплаты счетов. Вы можете выбрать наличные, банковский перевод, кредитную карту и т. д. — в зависимости от того, какой способ вам удобнее. Так же и клетка для поддержания своей жизнедеятельности может использовать АТФ (эквивалент наличных денег) или любую другую из большого набора более сложных молекул.
Обзор
Кавеолы — особые «впячивания» на клеточной мембране. Белок кавеолин вставлен в мембрану кавеолы таким образом, что его концы обращены в цитоплазму (показан синими линиями). Кружками разных цветов обозначены различные мембранные фосфолипиды.
Автор
Редакторы
Любая клетка имеет мембрану, состоящую из двойного слоя липидов со встроенными в него белками. Разумеется, клетка должна обмениваться с окружающей средой сигналами и веществами. Малые молекулы просто диффундируют через мембрану или проникают через особые белковые каналы. Но как быть с более крупными молекулами — например, с небольшими белками? Для этого существует специальный путь — эндоцитоз. В общем случае его схема выглядит так: от клеточной мембраны отпочковывается пузырёк (везикула), переносящая вещество; далее везикула сливается с лизосомами, ферменты которых расщепляют ее содержимое. Но эндоцитоз может идти и другим путём — посредством структур, известных как кавеолы. Именно им и будет посвящена наша статья.
Рисунок 1. Электронная микрофотография кавеол (отмечены стрелками) в мембране первичного фибробласта. Звездочкой отмечена связанная с мембраной вакуоль. Масштабная линейка 100 нм.
Клеточную мембрану можно назвать «колыбелью жизни» [1], и она отнюдь не является чем-то неподвижным, статическим, навсегда сформированным. Напротив, это «живая» и активно трансформирующаяся структура, об одной из «опций» которой — кавеолах — мы и расскажем. Впервые открытые почти 40 лет назад [2], кавеолы всё ещё хранят в себе немало загадок (рис. 1). Хотя за это время прояснились многие черты их строения и состава, мы всё ещё не до конца представляем, на что способны эти невзрачные «впячивания» клеточной мембраны. Известно, однако, что кавеолы активно участвуют во внутриклеточной передаче сигналов. Кроме того, они служат клеточными «сенсорами» механического стресса. В нашей статье собраны последние данные о структуре и функционировании кавеол.
Структура
Кавеолы — это стабильные впячивания мембраны клетки (в форме буквы Ω) диаметром от 50 до 100 нм (отсюда их название, в буквальном переводе означающее «маленькая пещерка»). Кавеолы имеют необычный липидный состав: наружный слой мембраны в области кавеол обогащён холестерином и сфинголипидами. В связи с этим кавеолы можно рассматривать как разновидность липидных рафтов — микродоменов клеточной мембраны, содержащих много сфинголипидов и холестерина . Однако кавеолы состоят отнюдь не только из липидов: в их состав входят также различные белки, в первую очередь — кавеолины и кавины.
«Биомолекула» уже подробно рассказывала о сложном составе и многочисленных функциях биологических мембран: «Липидный фундамент жизни» [1]. — Ред.
Считается, что ключевую роль в формировании кавеол играет кавеолин-1. Белки кавины распознают два особых мембранных фосфолипида — фосфатидилсерин (PS) и фосфатидилинозитол-(4,5)-бисфосфат (PI(4,5)P2), — однако только при участии кавеолина-1. Согласно наиболее общепринятой модели, собственно впячивание мембраны обеспечивает кавеолин-1, который вставляется в мембрану будущей кавеолы, взаимодействуя с холестерином. Кавины олигомеризуются на кавеолиновой «платформе» и, взаимодействуя с мембранными фосфолипидами, дополнительно стабилизируют кавеолу (рис. 2). В пользу этой модели свидетельствует тот факт, что при экспрессии кавеолина-1 в бактериальных клетках он сам способен вызывать впячивание мембраны без вспомогательных белков. Кроме того, в отсутствие кавеолина-1 кавеолы не образуются [2]. При этом кавеолин-1 можно обнаружить и вне кавеол, что говорит о возможных его ролях в других частях клетки [3].
Рисунок 2. Схема образования кавеол
Динамика
Кавеолы можно найти не во всех тканях млекопитающих. Их очень много в клетках, подвергающихся механическому стрессу — мышечных клетках, фибробластах, клетках эндотелия и адипоцитах, но они полностью отсутствуют в нейронах и лимфоцитах [3]. Вероятно, это связано с тем, что одна из важнейших функций кавеол — передача сигналов механического стресса, поэтому клеткам, которые не подвергаются интенсивным механическим воздействиям, кавеолы не очень-то и нужны.
Кавеолы, как и обычные участки клеточной мембраны, способны к эндоцитозу. Например, в фибробластах кавеолы отпочковываются от мембраны, но не утрачивают белковую оболочку и сливаются с ранними эндосомами. В дальнейшем они могут отпочковаться от эндосомы обратно (благодаря тому, что их белковая оболочка осталась нетронутой) и вернуться в мембрану (рис. 3). По этому пути кавеолы покидают клеточную мембрану в метафазе митоза и возвращаются в неё в телофазе. Схожим образом ведут себя кавеолы в клетках эндотелия: они доставляют в ранние эндосомы молекулы, захваченные ими из кровотока [3].
Рисунок 3. Кругооборот кавеол. Кавеолы могут отшнуровываться внутрь клетки или разбираться в ответ на увеличение напряжения мембраны. Высвобожденные кавины могут разрушаться, взаимодействовать с другими клеточными белками или вновь формировать кавеолы.
Эндоцитоз кавеол запускается при утрате клеткой контактов с соседними клетками или межклеточным матриксом (клеточной адгезии), ингибировании серин/треониновых фосфатаз или при заражении вирусом SV40. Эндоцитоз кавеол происходит при участии белка динамина и актиновых микрофиламентов. В условиях утраты клеточной адгезии кавеолин покидает кавеолы в составе маленьких везикул, которые при участии микротрубочек накапливаются в цитоплазме вокруг ядра [4].
В некоторых условиях белковая оболочка кавеол разбирается. Так происходит, в частности, при механических нагрузках, которые приводят к увеличению натяжения клеточной мембраны. В следующем разделе рассмотрим роль кавеол в передаче сигналов механического стресса.
Функции
Одной из функций кавеол является участие в разнообразных путях внутриклеточной передачи сигналов. Показано, что множество факторов роста, рецепторов, киназ и других молекул, участвующих во внутриклеточной сигнализации, локализованы в кавеолах. Кроме того, кавеолин взаимодействует со многими клеточными белками, участвующими в передаче сигналов, благодаря особому домену, обращённому в цитоплазму. Например, кавеолин регулирует синтез оксида азота (NO) в клетках эндотелия, подавляя в них активность синтазы оксида азота. Наконец, сами по себе кавеолы тоже могут принимать участие в передаче сигналов. Например, изменение кривизны клеточной мембраны вблизи кавеол влияет на передачу сигнала малой ГТФазой Ras, которая заякорена в мембране [3].
Кавеолы играют важную роль в механотрансдукции. Дело в том, что они нередко ассоциированы со стресс-фибриллами — волокнами, состоящими из актина и немышечного миозина-II. Они регулируют натяжение мембраны и форму клетки в ответ на механический стресс. Эту связь обнаружили ещё в 70-х годах прошлого века . Более того, кавеолы связаны и с актиновым цитоскелетом. Эта связь опосредуется линкерными белками — например, филамином А (рис. 4). Актиновый цитоскелет и стресс-фибриллы мешают образовываться скоплениям кавеол — кавеолярным розеткам (рис. 5). Этим можно объяснить большое количество кавеолярных розеток в адипоцитах, лишенных стресс-фибрилл. Считается, что плотные кавеолярные розетки придают дополнительную прочность мембранам клеток, которые подвергаются постоянному механическому стрессу [4].
Подробнее про биомеханические свойства клеток можно почитать в обзоре на «Биомолекуле»: «Биомеханика живой клетки» [11]. — Ред.
Рисунок 4. Связь кавеол со стресс-фибриллами и актиновым цитоскелетом
Рисунок 5. Кавеолярные розетки: схема (слева; синим цветом изображены кавеолины, жёлтым — кавины) и электронная микрофотография (справа).
Кавеолы и вирусы
Как особые домены в липидной мембране, кавеолы могут играть важную роль в жизненном цикле вирусов. Например, сдерживают выход из клетки вируса Tiger Frog, который поражает лягушек Rana tigrina rugulosa, причём в состав вирусных частиц попадают некоторые белки кавеол [6]. Вероятно, таким образом вирус мешает формированию кавеол, которые сдерживают его размножение. В некоторых случаях, наоборот, проникновение вируса в клетку происходит через кавеолы, как в случае вируса Peste des Petits Ruminants, который вызывает некротическое разрушение эпителиальной и лимфоидной тканей у овец и коз [7].
Медицинское значение
Мутации, затрагивающие кавеолярные белки, нередко приводят к разнообразным болезням. Например, у мышей, лишенных кавина-1, развивается липодистрофия, которая проявляется в снижении массы жировой ткани. Мутации в гене кавина-1 приводят к схожим симптомам и у человека. Дело в том, что в отсутствие этого белка (и, соответственно, кавеол) адипоциты становятся более восприимчивыми к механическому стрессу и могут накапливать внутри лишь небольшое количество жира.
Кроме того, мутации в гене кавина-1 приводят к нарушениям в сердечно-сосудистой системе. Это связано с тем, что эндотелиальные клетки, лишенные кавеол, не выдерживают механических нагрузок. Нарушения в клеточном ответе на механический стресс, вызванные дисфункцией кавеол, могут также приводить к легочной артериальной гипертонии, фиброзу и атеросклерозу. Мутации, затрагивающие гены кавина-1, −3 и −4, связаны с несколькими формами мышечной дистрофии и кардиомиопатии. В отсутствие кавеол в мышечных клетках разрушается система Т-трубочек, и мышцы не могут нормально сокращаться. Многочисленные исследования показали важную роль кавина-1 в развитии разнообразных раковых заболеваний, причем он может обладать как онкогенными свойствами, так и выступать в роли супрессора опухолей. Вероятно, роль кавеол в развитии рака объясняется их участием во многих сигнальных путях, связанных с развитием опухоли [2].
Любопытно, что яд паука Phoneutria nigriventer действует на кавеолы. Под действием этого яда происходит усиленный эндоцитоз кавеол, что приводит к резкому увеличению проницаемости гематоэнцефалического барьера. Это, в свою очередь, вызывает нарушения функционирования мозга, чем и обусловлены некоторые симптомы отравления [5].
В настоящее время происходит бурное развитие многих областей биологии, и клеточная биология, в которой, казалось бы, уже всё давно изучено, не остается в стороне: постоянно обнаруживаются всё новые и новые молекулярные подробности функционирования органелл, а усовершенствование методов микроскопии позволяет в мельчайших подробностях изучить их ультраструктуру. Мы продолжаем следить за судьбой кавеол и других клеточных структур, которые, несомненно, ещё принесут немало сюрпризов.
Обзор
Снимок конфокальной микроскопии эмбриональных фибробластов мыши, обработанных индуктором ферроптоза RSL3 (100 nM, 6h)
Авторы
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что клетки общаются между собой? Ведь клеточный мир настолько многообразен и велик, что в нем без языка не обойтись! Всем известные гормоны — только один из диалектов такого «языка»! В этой статье мы расскажем о том, как липиды помогают клеткам «общаться». Почему такой, казалось бы, простой химический процесс, как окисление липидов, может приводить к гибели клетки? Как клетки понимают, когда пора заканчивать фазу воспаления и переходить к восстановлению? Что такое ферроптоз. Вы все еще читаете аннотацию? Давайте скорее окунемся в удивительный мир редокс-липидомики и взглянем на липиды по-новому!
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Давно известно, что без липидов человеческий организм не может существовать. Эта обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества, необходима для построения клеточных мембран и регуляции обмена веществ. Изучением липидов занимается липидомика, а появление раздела «редокс-липидомика» (окислительно-восстановительная липидомика, часть липидомики, занимающаяся характеристикой окисленных липидов) позволило по-новому взглянуть на роль продуктов окисления липидов и оценить их влияние на ключевые процессы, происходящие в клетках.
О липидах в составе клеточных мембран читайте в статье «Липидный фундамент жизни» [1]. — Ред.
В дополнение к природному липидому (совокупности всех липидов организма), существуют виды липидов, полученные в результате ферментативных и неферментативных модификаций (эпилипидом), что делает общую картину еще более сложной, поскольку их функции все еще в значительной степени неизвестны. Окисленные липиды представляют собой фракцию эпилипидома, которая привлекла большое внимание ученых из-за их роли в возникновении и развитии многих заболеваний человека. Однако основной проблемой редокс-липидомики остается отсутствие оптимальных вычислительных инструментов для надежной, точной и специфической идентификации уже открытых и еще неизвестных модифицированных липидов. В настоящее время жидкостная хроматография и масс-спектрометрия являются основными методами, позволяющими определить количество липидов в клетке, оценить их участие в ряде физиологических механизмов и даже изучить структуру продуктов окисления этих веществ [2].
Знакомство с липидами
Молекулы липидов чрезвычайно разнообразны, их насчитывают более миллиона вариантов [3]! Впечатляющее количество, по сравнению с 70 000 выявленных белков и 30 000 генов! Для удобства химики разделили все липиды на две большие группы:
- омыляемые, которые легко гидролизуются в воде под действием щелочей;
- неомыляемые, которые не гидролизуются в щелочной среде.
К первой группе относятся простые липиды, состоящие исключительно из спирта и жирных кислот (воски, триацилглицеролы, эфиры холестерола), и сложные липиды, в состав которых входят и другие компоненты (фосфолипиды, гликолипиды, сфинголипиды). К неомыляемым липидам относится большая группа стероидов, включающая холестерин и его производные: стероидные гормоны, витамины, желчные кислоты.
Большая роль маленьких молекул
Липиды, содержащие полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК — кислоты, содержащие две и более двойных связей), являются важными сигнальными молекулами, регулирующими многие метаболические процессы и клеточные реакции, включая воспаление. Для выполнения этих функций они подвергаются реакциям окисления, то есть присоединяют кислородсодержащие группы.
Окисление липидов происходит с помощью двух основных механизмов. Первый способ — неферментативное перекисное окисление. При этом липиды взаимодействуют с активными формами кислорода (АФК), в результате чего происходит накопление гидроперекисей липидов (LOOH) (рис. 1). В норме процессы перекисного окисления необходимы для поддержания структуры клеточных мембран, функционирования ионных каналов, рецепторов и ферментных систем. Их роль велика и в синтезе липидных медиаторов — биорегуляторов (простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов и др.). Однако неконтролируемое свободнорадикальное окисление липидов может приводить к изменению проницаемости мембраны, нарушению ее целостности, а это прямая угроза гибели клетки [3]!
Рисунок 1. Зарождение цепной реакции перекисного окисления липидов. Фосфолипиды клеточных мембран, взаимодействуя со свободными радикалами, превращаются в гидроперекиси липидов, что может влиять на функции мембраны клетки.
Второй путь окисления — ферментативные изменения, отличающиеся высокой селективностью и специфичностью. Ферментативное окисление происходит под действием металлопротеинов: липоксигеназы, циклооксигеназы, цитохрома Р450, пероксидазы. Продукты реакций окисления ПНЖК, выступая в качестве сигнальных молекул, координируют метаболизм и другие физиологические процессы, иными словами, управляют судьбой клетки [4]! Такие вещества носят название эйкозаноидов. Они принимают участие во многих важнейших процессах: росте мышечной ткани, реакциях иммунитета на токсины и патогены, выступают в роли нейромедиаторов и даже гормонов!
К сожалению, человеческий организм не научился синтезировать все необходимые ПНЖК. Возникает вопрос: можно ли их получить извне? Разумеется! Пищевыми источниками полиненасыщенных жирных кислот являются растительные масла, рыбий жир и препараты омега-3-жирных кислот. Таким образом, казалось бы невкусный рыбий жир — просто лакомство для наших клеток!
Из липидов — в дирижеры клеточных реакций
Исследования редокс-липидомики, проведенные при помощи масс-спектрометрии в сочетании с обращенно-фазовой хроматографией, выявили удивительный факт: липиды контролируют активность иммунной системы [4]! При попадании в организм чужеродных агентов, желающих нанести вред и повредить ткани, развивается воспаление, цель которого — устранить патоген. Иммунные клетки, встав на защиту организма, в зоне повреждения вырабатывают «провоспалительные» производные ПНЖК (лейкотриены, липоксины, гипоксины и т.д.), которые усиливают воспаление и таким образом избавляют организм от патогена (рис. 2).
Рисунок 2. Провоспалительные производные арахидоновой кислоты: простагландины, тромбоксаны и лейкотриены
рисунок авторов статьи
Рисунок 3. Противовоспалительные медиаторы: резолвины, протектины, марезины
Но воспаление — патологический процесс, и при удалении повреждающего фактора важно вовремя остановиться и прекратить воспалительный ответ. Здесь на помощь приходят противовоспалительные липидные медиаторы — резолвины, протектины, марезины (рис.3). Они останавливают образование «провоспалительных» медиаторов и обеспечивают защиту клеток от повреждающих факторов.
Кроме того, собственные поврежденные клетки, не способные восстановиться, для перехода воспаления в завершающую фазу и сохранения постоянства внутренней среды должны подвергнуться уничтожению, чему также способствуют липидные медиаторы. Как это возможно? Оказалось, что липидные молекулы фосфатидилсерина (фосфолипида клеточной мембраны) выставляются на мембрану поврежденных клеток и «помечают» их. Фосфатидилсерин на поверхности клеток является сигналом для их поглощения макрофагами и клетками микроглии [5]. В исследованиях также была продемонстрирована значимость этого медиатора: наличие даже одной молекулы фосфатидилсерина уже достаточно для активации фагоцитоза!
Две стороны одной медали
Оказалось, что роль липидов велика не только в уничтожении старых или поврежденных клеток, но и их компонентов, или органелл. Например, для удаления митохондрий, безвозвратно утративших свои функции, на поверхности ее внешней мембраны появляется кардиолипин — фосфолипид, который в норме присутствует только на внутренней мембране органелл. Именно он и служит сигналом митофагии, или уничтожения митохондрий [5]. Удаление исключительно ненужных организму структур без повреждения нормальных клеток требует точной передачи сигналов и имеет решающее значение для поддержания постоянства внутренней среды.
Однако данный процесс может стать опасным для организма. Чрезмерная митофагия описана при многих острых и хронических заболеваниях центральной нервной системы. Так, при болезни Паркинсона она может привести к гибели нейронов [6]. Контроль качества митохондрий с целью избежания излишнего уничтожения имеет центральное значение для функционирования и благополучия нейронов. Это открывает новые возможности для исследований в области лечения нейродегенеративных заболеваний!
Как липиды «помогают» клетке погибнуть?
Что же делать со старыми клетками, честно отслужившими свой срок? Безусловно, оставлять их на своем месте нельзя, иначе новым здоровым клеткам будет некуда деться. Остается один вариант — аккуратно разобрать и удалить из организма те из них, которые не способны более функционировать. Данный процесс носит названия апоптоза. Валериан Каган и его соавторы доказали, что для осуществления этого процесса необходимо окислить ПНЖК кардиолипина [7]. При необратимых изменениях в клетке знакомый нам кардиолипин образует комплекс с белком дыхательной цепи — цитохромом c — и превращает его в фермент пероксидазу. Пероксидаза тотчас окисляет ПНЖК кардиолипина, и он перемещается на внешнюю мембрану митохондрий, увеличивая ее проницаемость (рис.4). Это приводит к высвобождению других проапоптотических факторов клетки, действие которых приводит к клеточной гибели.
Рисунок 4. Окисление кардиолипина как фактор апоптоза. На рисунке представлена клеточная мембрана, состоящая из бислоя липидов, один из которых — кардиолипин (показан желтым цветом). При взаимодействии с белком цитохромом c (cyt c) кардиолипин превращает его в пероксидазу, которая, в свою очередь, окисляет ПНЖК кардиолипина (на рисунке — cardiolipin hydroperoxide, CL-OOH). Гидроперекись кардиолипина выходит на внешнюю мембрану митохондрии, изменяя ее проницаемость, что приводит к апоптозу.
Новый взгляд на клеточную смерть
Одним из важнейших достижений редокс-липидомики является открытие уникального варианта неапоптотической программируемой гибели клетки — ферроптоза [8]. По сравнению с другими формами этот путь клеточной гибели неповторим. В чем же его особенность? Оказалось, что, в отличие от апоптоза, при котором происходит аккуратная разборка клетки, ферроптоз приводит к клеточному коллапсу, в котором железо и АФК принимают активное участие. Давайте разберемся, как это происходит!
Ферроптоз назван так неспроста. Железо (Fe от лат. ferrum) — основной элемент, необходимый для осуществления ключевого звена данного пути гибели клетки: перекисного окисления липидов (рис. 5) [9], [10]. Перекисное окисление может происходить под действием свободного двухвалентного железа (через реакцию Фентона), а также посредством фермента липоксигеназы, содержащей железо.
Рисунок 5. Ионы железа в организме находятся под строгим метаболическим контролем. Нарушение баланса ионов железа в клетке и возникновение окислительного стресса приводит к цепной реакции окисления липидов и формированию избытка гидроперекисей. Накопление гидроперекисей липидов приводит к развитию ферроптоза. Гидроперекиси фосфолипидов (PL-OOH) образуются внутри клетки с участием различных форм низкомолекулярного внутриклеточного железа и железосодержащих ферментов. Активная GPX4 восстанавливает гидроперекиси липидов до спиртов. В случае ингибирования фермента, например, специфическим ингибитором RSL3, PL-OOH накапливаются в клетках, усиливая развитие окислительного стресса.
Конкретные механизмы редокс-модификации липидов, задействованные в выполнении программы ферроптоза, на сегодняшний день остаются тайной. Но, окрасив клетку различными флуоресцентными красителями, можно увидеть, насколько удивительные очертания они приобретают при ферроптозе (рис. 6) [11]!
Рисунок 6. Снимок конфокальной микроскопии эмбриональных фибробластов мыши, обработанных индуктором ферроптоза RSL3 (100 nM, 6h). Control — необработанные клетки. Liperfluo — флуоресцентный зонд, который после взаимодействия с гидроперекисями липидов способен флуоресцировать, если он встроен в плазматическую мембрану клеток. ER-FAP (ER-targeted fluorogen-activating protein) — флуоресцентный белок, чья флуоресценция активируется при связывании метки с эндоплазматическим ретикулумом.
В клетках организма существуют механизмы, препятствующие неконтролируемому перекисному окислению. Одним из ключевых ферментов здесь является глутатионпероксидаза 4 (GPX4), которая восстанавливает гидроперекиси липидов до спиртов за счет окисления глутатиона (GSH). Далее окисленная молекула глутатиона (GS-SG) восстанавливается с помощью фермента глутатион-редуктазы. В случае инактивации клеточного глутатиона и GSH-зависимой антиоксидантной защиты происходит накопление токсичных липидных АФК и запуск ферроптоза [12].
Две крайности одной и той же сущности. Как ферроптоз реализуется в целом организме и можно ли обернуть его в свою пользу?
Проведенные исследования показывают, что ферроптоз осуществляется во многих типах тканей человека. Так, при отравлении парацетамолом в организме накапливается N-ацетил-p-бензохинонимин, при этом наблюдается истощение глутатиона, в результате чего происходит массивная гибель клетки по механизму ферроптоза [13].
Имеющиеся данные указывают на то, что ферроптоз может выступать одним из ключевых механизмов развития некоторых нейродегенеративных заболеваний, а также является одной из возможных причин гибели клеток в условиях глутаматной эксайтотоксичности [14].
Ионы железа могут играть ключевую роль в гибели эпителиальных клеток почечных канальцев в условиях острой почечной недостаточности [13]. Данный механизм обусловлен нарушением гломерулярной фильтрации и накоплением ионов железа как внутриклеточно, так и в полости канальца, что приводит к реализации клеточной смерти.
Ферроптоз, как механизм регулируемой клеточной смерти, имеет и терапевтическую ценность. Существует ряд потенциальных молекул, ингибирующих Xc – — транспортную систему (эрастин, RSL3), которые, воздействуя на культуру опухолевых клеток, вызывают их гибель по механизму ферроптоза [12], [13]. Как доказать, что это происходит благодаря ферроптозу, а не случайному совпадению? При добавлении к клеткам веществ, связывающих железо, оно становится «неподвижным» и не может участвовать в химических процессах. В этом случае процессы ферроптоза значительно замедляются. Однако не все так просто и радужно! Эти молекулы не обладают высокой специфичностью, и при более высоких дозах клеточная гибель может происходить по механизму апоптоза!
Вывод
Благодаря редокс-липидомике стало известно, что кислородсодержащие липиды играют огромную роль в сохранении постоянства внутренней среды, запуская апоптоз, ферроптоз и контролируя воспаление. Однако стоит принять во внимание, что, несмотря на очевидное значение в регуляции множества биологических функций, содержание окисленных липидов в организме крайне мало (0,03–3,0 моль% от всего липидома организма) [4]. Кроме того, трудности анализа окисленных липидов заключаются в их химической нестабильности, термолабильности и неоднородности окисленных продуктов. Не зря их сравнивают с иголкой в стоге сена!
2. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания. Учеб. пособие для студентов вузов. – М.: Альфа-М, 2003. – 464 с.: ил.
3. Безуглов В.В. Липидология – наука XXI века // Материалы I Международной научно-практической Интернет-конференции “Липидология – наука XXI Ввека”. (Казань, 26 ноября 2013 г.). Казань: ИП Синяев Д.Н., 2014. – С. 31-36.
4. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Б 48 Биологическая химия: Учебник.– 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Медицина, 1998.– 704 с.: ил.– (Учеб. лит. Для студентов мед. вузов).
5. Вальтер Г. Растительность Земного шара. Эколого-физиологическая характеристика. Тропические и субтропические зоны. М.: Прогресс, 1968. – 552 с.
10. Заварзин А.А.,Харазова А.Д., Молитвин М.Н. Биология клетки: общая цитология. СПб:, Из-дво СПб. университета:, 1992. – 320 с.
13. Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. – 2-е изд., дополненное. – М.: Наука, 1968. – 173 с.
16. Птицына И.Б., Музалевский Ю.С. Определение понятия «жизнь» в рамках биологии // Бауэр Э.С. Теоретическая биология. СПб.: ООО «Росток», 2002. С. 50-88.
17. Угаров Г.С. Особенности физиологических процессов у растений при низких положительных температурах в связи с изменениями состояния воды: Автореф. Дисс. д-ра биол. Наук. М. 1997. – 32 с.
18. Угаров Г.С. Теоретические основы гипобиологии // Фундаментальные исследования. – 2013 – №10 – С.80-83.
19. Чугунов А.О., Полянский А.А., Ефремов Р.Г. Липидный фундамент жизни // Природа, 2012 – №3 – С. 3–12.
23. Singer S.J., Nicolson G.L. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes.// Science. – 1972. – V. 175. – P.720–731.
Известно, что все живые организмы состоят из клеток. В современном виде основное положение клеточной теории можно сформулировать так: Клетка – основная структурно-функциональная и генетическая единица всех живых организмов и наименьшая единица живого [14]. Рост и воспроизведение, наследственность и изменчивость – вот эти главные признаки жизни реализуются только на клеточном уровне.
Клетка является открытой системой, при этом ее основной молекулярный состав остается более или менее постоянным. В клетке содержатся минеральные и органические вещества. Основную массу клетки составляет вода – 70-80 %, а минеральных солей всего – 1-1,5 %. Органические вещества представлены белками – 10– 0 %; липидами – 1– %; углеводами – 0,2–2 % и нуклеиновыми кслотами – 1–2 % [20].
В данной работе из числа всех перечисленных веществ нас интересует роль воды и липидов в организации живой материи.
Согласно теории биохимической эволюции Опарина – Холдейна, которая поддерживается большинством исследователей [1,2], жизнь зародилась в воде первичного океана, которая содержала большое количество белковоподобных веществ – пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений. Они образовали высокомолекулярные комплексы – коацерваты или коацерватные капли, которые обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. Появление мембраны, отделяющей содержимое коацервата от окружающей среды и, обладающей способностью к избирательной проницаемости, предопределило направление дальнейшей химической эволюции, по пути, развития все более совершенных саморегулирующихся систем, вплоть до возникновения первых клеток [13].
Таким образом, первые живые существа были водными организмами. В процессе длительной эволюции живые организмы вышли на сушу, но, как остроумно заметил Вальтер Г. [5], они «взяли с собой воду», то есть, практически остались водными организмами. Так, высшие растения содержат от 70 до 80 %, сочные плоды до 95 % воды от сырого веса. Общее содержание воды в теле животных колеблется от 50 % до 80 % живой массы.
Роль воды в жизнедеятельности живого организма огромна. Она участвует прямо или косвенно во всех жизненных процессах. Основная масса воды в организме выполняет роль среды, в которой проходят эти процессы. Биохимические реакции, как правило, проходят в растворах воды. И в этом отношении вода является единственной жидкостью, которая обеспечивает оптимальные условия для организации этих жизненно важных биохимических процессов. Она осуществляет связь органов, координирует их деятельность в целостном растении. Вода входит в состав мембран и клеточных стенок, составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает ее структуру, устойчивость входящих в состав цитоплазмы коллоидов, обусловливает определенную конформацию молекул белка.
Высокое содержание воды придает содержимому клетки (цитоплазме) подвижный характер. Являясь растворителем, вода обеспечивает транспорт веществ по растению и циркуляцию растворов. Вода – непосредственный участник многих химических реакций. Все реакции гидролиза, многочисленные окислительно-восстановительные реакции (фотосинтез, дыхание) идут с участием воды. Вода защищает растительные ткани от резких колебаний температуры. Обеспечивает упругое тургесцентное состояние растений, с чем связано поддержание формы травянистых растений, ориентация органов в пространстве [15].
Одна важная роль воды – участие в формировании клеточных мембран, которое основано на амфифильности фосфолипидов, т.е. на способности фосфолипидов автоматически формировать полярную поверхность мембраны и гидрофобную внутреннюю фазу [6]. Кроме того, вода еще выполняет регуляторную функцию [17].
Из вышеизложенного видно, что если бы не было воды, не было бы и жизни на Земле.
Другими важнейшими компонентами клетки явлются липиды. В организме липиды выполняют энергетическую, защитную, регуляторную и биоэффекторную функции [8]. Однако, главной в жизнедеятельности организмов является структурообразующая функция липидов. Дело в том, что липиды образуют основу клеточных мембран. В 1 мкм² биологической мембраны содержится около миллиона молекул липидов. В образовании этих структур участвуют фосфолипиды, гликолипиды и холестерол.
Основную структурную роль в биологических мембранах играют фосфолипиды, где они образуют бислой. В мембранах животных клеток они составляют более 50 % всех липидов.
Жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, невозможно представить без биомембраны, регуляцирющей обмен веществ между клеткой и средой, а также между различными отсеками (компартментами) внутри самой клетки. Мембрана обеспечивает взаимодействие клетки с внешней средой, избирательно пропуская многие вещества, кроме того, является средой протекания множества биохимических процессов.
Согласно жидкостно-мозаичной модели биологической мембраны [23], мембранные липиды создают жидкую среду для мембранных белков, в которой они могут функционировать. По степени влияния на структуру бислоя и по силе взаимодействия с ним мембранные белки делят на интегральные, полуинтегральные и периферические. Белки в мембране выполняют структурные, каталитические, рецепторные и транспортные функции. В составе мембран могут быть углеводы, которые не представлены самостоятельными соединениями, а обнаруживаются только в соединении с белками (гликопротеины) или липидами (гликолипиды). Углеводы в биомембранах выполняют функции контроля за межклеточными взаимодействиями, поддержания иммунного статуса, рецепции, обеспечения стабильности белковых молекул в мембране.
Любая клетка (прокариотическая, эукариотическая) окружена мембраной – плазмолеммой. Большинство органоидов клетки имеют мембранное строение. Мембранные органоиды делятся на двумембранные и одномембранные. Двумембранным, которые имеют наружную и внутреннюю мембрану, относятся: ядро, митохондрии и пластиды (хлоропласты, лейкопласты и хромопласты). Одномембранные – гладкий и гранулярный эндоплазматческий ретикулумы, Аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоль микросомы (пероксисома, глиоксисома и сферосома). Кроме того, все продукты синтеза внутри клетки транспортируются в мембранной оболочке [10].
Биомембрана, участвуя в образовании внешней оболочки и оболочек основных органоидов клетки и их внутренних мембранных структур, в частности, ламеллы – в хлоропластах, кристы – в митохондриях, перегородки в плазмолитической сети, выполняет важнейшие функции, обеспечивающие ее жизнедеятельность и, тем самым, организма в целом.
Мембраны выполняют барьерную функцию, механически отделяя клетки и их органоды от внешнего пространства.
Одна из главных функций мембран – участие в переносе веществ. Этот процесс обеспечивается при помощи трёх основных механизмов: простой диффузией, облегчённой диффузией (пассивные виды транспорта, они идут без затраты энергии) и активным транспортом, который идет с затратой энергии – при помощи спецальных белков переносчиков. А также и везикулярным путем.
Следующая функция – обеспечение процессов трансформации и запасания энергии (фотосинтез и тканевое дыхание – локализованы в мембранах хлоропластов и митохондрий, а у бактерий – в плазмолемме).
Немаловажная функция мембран – способность генерировать биоэлектрические потенциалы за счет неравномерного распределения ионов по обе стороны мембраны.
Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: во-первых, связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами, во-вторых, способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них.
Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия. Под этой формулировкой объединен весьма обширный и разнообразный набор важных функций клеточных мембран, определяющих взаимодействие клетки с окружающей средой и формирование многоклеточного организма, как единого целого. Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются прежде всего иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития [3,11].
Исследователи, особенно в последнее время, стали осознавать крайне важную роль липидов в жизнедеятельности организмов и начали широко внедрять новые технологии анализа липидов, активно использовать методы генной и белковой инженерии, что позволяет прогнозировать прорыв в липидологии в XXI веке. Об этом говорили руководители и участники I-й и II-й виртуальной международной научно-практической конференции по липидологии «Липидология – наука XXI века»(2013, 2014 гг.) [4]. Конференции были организованы Cистемой виртуальных миров Pax Grid совместно с лабораторией оксилипинов Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН [7], крупнейшего центра физико-химической биологии и биотехнологии в России.
Развивается отдельная область знания – липидомика – научная дисциплина, предметом которой является полная характеристика молекулярных видов липидов и выяснение их биологической роли в отношении экспрессии генов белков, вовлеченных в метаболизм и функции липидов [21].
Подчеркивая особую роль липидов в организации и деятельности живых систем, стали говорить о липидах, как о фундаменте жизни [19].
Несмотря на это, липиды еще не получили достойную оценку, в частности, в многочисленных определениях понятия что такое жизнь [12,16].
Учитывая роль воды и липидов в зарождении и организации живой материи, о которой речь шла выше, а также признавая клетку как единицу жизни, мы попытались дать новое определение понятия живой материи. За его основу нами взята определение понятия жизни, данное М.В. Волькенштейном: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот», которое, наряду с классическим определением Ф.Энгельса, часто приводится в учебниках и других публикациях [2,9],
Солгасно нашему определению, живая материя представляет собой открытую, саморегулирующуюся и самовоспроизводящуюся систему, элементарной структурной и функциональной единицой которой является клетка, где в качестве важнейших рабочих и конструкционных веществ выступают белки, нуклеиновые кислоты и липиды, способные сохранять свою целостность и активность в водной среде.
Из рассматриваемого определения следует, что вероятность занесения жизни из-за пределов нашей планеты чрезвычайно низка, и жизнь действительно зародилась на Земле. Поступающие на Землю органические вещества, в том числе, даже РНК и ДНК, могли только ускорить процесс зарождение жизни, так как вне клетки жизнь не существует. Убедительным тому примером могут служить вирусы, которые проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку. Из определения также вытекает, что живая материя является продуктом эволюции, которая шла по схеме: коацерваты – клетка – одноклеточные – колониальные – многоклеточные – прокариоты – эукариоты и многообразие видов последних, которые ныне существуют на Земле.
Новое определение дает более полную характеристику живой материи, чем многие предыдущие, и будет полезным для студентов при изучении курсов общебиологических дисциплин, в частности, курса цитологии. Например, всю структуру преподавания курса цитологии можно построить на основе нового определения понятия живой материи – клеточная теория строения живых организмов, зарождение живой материи в »бульоне» первичного океана и ее дальнейшая эволюция, значение компонентов молекулярного состава клетки, роль липидов и воды в строении и функционировании биомембраны, мембранные органиоиды клетки, роль липидов и воды в сохранении структуры и функционировании нуклеиновых кислот и белков и т. д..
Гипобиология, которая изучает гипобиоз у организмов [18], рассматривает это явление, как результат физического и физиологического обезвоживания. Физиологическое обезвоживание наступает при охлаждении организма ниже +40С, когда структура воды превращается из жидкой в жидко-кристаллическую или в состояние «жидкого льда». Жидко-кристаллическая вода, благодаря своим параметрам, не может проникать через мембраны, становится физиологически инертной и перестает выполнять свойственные ей важнейшие функции в организме. В физиолого-биохимических процессах также не участвуют иммобилизованная и, так называемая, связанная вода.
Физиологическое обезвоживание равнозначно физическому, только весь парадокс заключается в том, что в это же время в организме может содержаться значительное количество воды, которая для него становится чужеродным веществом, простым балластом. Из этого можно сделать еще одно очень интересное заключение. Получается что, в свете нового определения понятия живой материи, у организма, находящегося в состоянии гипобиоза, тем более и анабиоза, не выполняется критерий живого из-за отсутствия воды, и организм временно переходит из категории живого существа в категорию неживого.
Очевидно, чтобы быть здоровым, человек должен потреблять в пищу достаточное количество насыщенных и ненасыщенных жиров, в идеале, близких по составу к тем липидам, которые входят в состав биомембран, с целью удовлетворения потребности организма для поддержания нормальной структуры и функционирования всех мембран своих клеток. Как считает Dr. Dwight Lundell [22], кардиохирург с 25-летним стажем, ожирение, а также травмы и воспаление кровеносных сосудов, приводящих к сердечным заболеваниям, вызваны диетой с низким содержанием насыщенных жиров и высоким содержанием полиненасыщенных жиров, особенно омега-6 и углеводов. Такая диета рекомендуетсяй в течение многих лет традиционной медициной.
Автор понимает, что живая материя очень многогранна в своих проявлениях, и дать точное и всеобъемлющее определение понятия живой материи вряд ли представляется возможным. Однако, каждая попытка, предпринимаемая в этом направлении специалистами из разных областей знания, все же приближает нас к истине.
16. ЛИПИДЫ: ЛИПИДНЫЕ КОМПЛЕКСЫ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
❖ Мицеллы - простейшие агрегаты, образуемые липидами в объемной фазе растворителя. В зависимости от полярности растворителя реализуются мицеллы обычного типа, либо "обращенные" мицеллы.
В воде легко создают мицеллы липиды, имеющие объемную и/или заряженную полярную часть и относительно небольшие углеводородные цепи, например, ганглиозиды или диоктаноилфосфатидилхолин. Одной из движущих сил процесса образования мицелл является стремление системы уменьшить гидрофильно-гидрофобные взаимодействия.
Важное свойство мицелл - способность солюбилизировать (растворять в себе) вещества, которые без мицелл в данной среде нерастворимы. Так мицеллы обычного типа могут включать жирорастворимые вещества, например, витамин А.
❖ Липидные бислои. Не образующие мицеллы липиды в объемной фазе воды агрегатизируются в бимолекулярный слой толщиной 4-5 нм. При этом полярные головки липидов контактируют с водой, а гидрофобные углеводородные «хвосты» образуют малополярный слой. Бислои наиболее характерны для липидов, у которых сравнимы площади сечения полярных и неполярных частей, например, для фосфолипидов.
При низком содержании воды (до 40%) система гомогенна и имеет слоистое (ламеллярное) строение. При увеличении водной фазы образуются замкнутые моно или полиламеллярные структуры - липосомы. Липосомы аналогично мицеллам способны включать в себя различные биологически активные вещества и обеспечивать специальную доставку в клетки.
❖ Молекулярная организация биологических мембран. Еще в первой половине ХХ века было установлено, что биологические мембраны представляют собой комплекс белков и липидов. Было предложен ряд вариантов взаимного распределения этих компонентов в мембране, но они опровергались экспериментальными данными.
В 1972 г. американские исследователи С. Сингер и Г. Николсон предложили «жидкостно-мозаичную» модель биомембран, которая с определенными дополнениями считается в настоящее время общепринятой. По этой модели основу липидной мембраны составляют фосфолипиды и стерины, образующие биомолекулярный слой.
В состав фосфолипидов входят остатки предельных и непредельных карбоновых кислот. Ненасыщенные углеводородные цепи менее плотно прилегают друг к другу, тем самым уменьшается гидрофобное взаимодействие между отдельными фосфолипидными молекулами и, соответственно, увеличивается подвижность липидов.
В липидный бислой погружены белки, часть которых находятся на поверхности мембраны (периферические белки), а другие - интегральные белки, пронизывают липидный слой.
Интегральные белки имеют большие гидрофобные участки и поэтому сильно связаны с липидным окружением. Гидрофильные аминокислоты в основном формируют поверхность, контактирующую с водным окружением.
Взаимодействие белков с липидным окружением, включая стерины и гликолипиды, формирует участки липидной мембраны с меньшей подвижностью - микродомены, которые как льдины плавают по «липидному морю» биомембраны.
Таблица 12. Главные компоненты мембран различных организмов
Миелиновая оболочка человека
Триглицериды, эфиры стеринов
Многие из интегральных белков выполняют функцию рецепторов или ионных каналов. Ряд мембранных белков обладает свойствами ферментов. Интегральные белки обычно гликозилированы. Олигосахаридные цепи таких гликопротеинов в совокупности с гликолипидами образуют углеводный слой (гликокаликс) на поверхности клетки, например, олигосахаридные детерминанты на поверхности эритроцитов.
В одних участках молекулы липидов легко вращаются вокруг собственной оси и передвигаются по плоскости липидного слоя - латеральная диффузия, а в других липидные компоненты находятся в сильно упорядоченном состоянии.
Ряд белков способны перемещаться по поверхности мембраны, тогда как другие находятся в фиксированном положении за счет взаимодействий с цитоскелетом или внутренними органами клетки. Биологические свойства мембранных белков проявляются обычно именно в комплексе с биомембраной.
Для белков реализуется абсолютная асимметрия расположения на био-мембране. Они всегда ориентированы строго определенным образом. Этому способствует как, рассмотренное выше взаимодействие гидрофобных аминокислот с липидным слоем, так и дополнительная фиксация посредством введения в белок липофильных молекул. Углеводородные «хвосты» таких структур внедряются в липидный бислой и выступают в качестве «липидных якорей».
Для липидов также наблюдается асимметрия на внутреннем и внешнем слоях мембраны - т. е. одни и те же липиды находятся в различных концентрациях.
Такая асимметрия липидов существует, несмотря на то, что в реальных мембранах облегченно происходит «флип-флоп» - перескок липида с внешнего слоя во внутренний и наоборот.
Процессу «флип-флопа» способствуют специальные мембранные белки - флипазы, облегчающие энергетически невыгодный перенос полярной головки липида через гидрофобный слой.
❖ Клеточная стенка микобактерий. У каждого вида клеток поверхность имеет свои особенности. Известно, что бактерии туберкулеза чрезвычайно устойчивы к действию антисептических препаратов, в т. ч. кислот, щелочей, окислителей. Во много это связано с организацией клеточной стенки микобактерий. Липид-белковая мембрана этого рода бактерий покрыта сеткой пептидогликана, к которому по остаткам мурамовой килоты (приблизительно по одному из десяти) присоединены фосфодиэфирной связью (линкер) цепи арабиногалактана. В этом полисахариде галактановый кор связан с арабинофуранозными цепями, содержащими блоки миколевых кислот.
С другой стороны, за счет внедренных в биомембрану липидных «якорей» фосфатидилинозита, связанного с остатком маннозы (PIM), на ней удерживаются цепи липоарабиноманнана (LAM). В качестве липидных «якорей» также участвуют молекулы полипренильных (pPre) производных сахаров. Таким образом, на поверхности клетки формируется мощная углеводная оболочка, которая дополняется капсулярным слоем полисахаридов (глюканы, маннаны).
Высоколипофильные остатки миколевых кислот в свою очередь способны за счет гидрофобных взаимодействий удерживать поверхностные гликолипиды, в т. ч. TDM, а также гидрофобные белки. Так формируется второй липидный слой, отличающийся по строению от фосфолипидного бислоя.
❖ Транспорт через мембраны. Одна из главных функций биомембран - осуществлять избирательный транспорт различных веществ, в том числе ионов. Практически для всех соединений, кроме молекул воды и еще некоторых низкомолекулярных продуктов, свободный транспорт (простая диффузия) через мембрану невозможен. На поверхности клеток существуют специальные структуры - белки-каналы, по которым осуществляется специализированный транспорт веществ. Ранее были рассмотрены ионнотропные рецепторы - ионные-каналы.
Еще одним примером протеинов, участвующих в мембранном транспорте, являются аквапорины. Эти интегральные мембранные белки обеспечивают прохождение в клетку молекул воды, но не пропускают крупные молекулы, а также ионы. Ряд аквапоринов реализуют также транспорт молекул аммиака, углекислого газа, глицерина.
За открытие авапоринов американский профессор П. Агре в 2003 г. удостоен Нобелевской премии по химии.
На модельных мембранах хорошо изучен транспорт ионов с помощью специальных соединений: ионофоров и антибиотиков- каналообразователей.
✵ Ионофоры - специфические молекулы или их ансамбли, которые образуют комплекс с ионами на одной стороне мембраны, в виде такого комплекса переносят их через липидный слой и затем высвобождают ионы. Такие вещества иначе называют «переносчиками».
Наиболее известный «переносчик» - циклический пептид валиномицин. Его структура содержит три блока, состоящих из D- и L-валина и двух гидроксикислот - L-молочной (Lac) и D-2-гидрокси-3-метилбутановой (Hmb).
Размеры внутренней полости соответствуют радиусу ионов калия, который координируется атомами кислорода карбонильных групп сложноэфирных связей. При этом наблюдается высокая селективность по отношению к катиону. Прочность комплекса с ионом калия многократно выше, чем с ионом натрия.
В неполярной среде за счет шести внутримолекулярных водородных связей (С=О…Н-К) молекула принимает конформацию объемной буквы S. При координировании с ионом калия конформация молекулы изменяется, экранируя внутренний ион. В таком виде молекула легко преодолевает липидный слой. В полярной водной фазе молекула принимает «открытую» форму, высвобождая ион К + .
✵ Антибиотики-каналообразователи. Ряд пептидных антибиотиков, например, грамицидин А, способны образовывать в бислойной мембране канал, через который могут проходить ионы. Структурно грамицидин А представляет собой линейный пентадекапептид с закрытыми N- и С-концами.
Возможно два типа построения канала: две молекулы образуют антипараллельную двойную спираль, что было показано на моделях в органических растворителях, или две молекулы грамицидина А образуют спираль, стыкуясь «голова к голове». Последний вариант реализуется в липидных мембранах.
В клетках каналы образуются как сложные комплексы из молекул антибиотиков-каналообразователей и стеринов. Такие каналы проницаемы не только для воды, ионов, но даже для небольших нейтральных молекул типа глюкозы.
Контрольные задания
Тест 5 (вариант)
1. Напишите структурную формулу аденозин-5'-трифосфата.
2. Напишите структурную формулу олеиновой кислоты.
3. Определите название данного соединения и к какой группе липидов оно относится.
I. N-олеилсфингозин; II. N-линолеилсфингозин; III. нервон; IV. глобозид; V. холестерилпальмитат; VI. эргостерилпальмитат; VII. фосфатид илхолин; VIII. фосфатидилсерин; IX. фосфатидилинозит; Х. церамидфосфохолин; XI. 1-О-пальмитоил-sn-глицерин; XII. 3-О-пальмитоил-sn-глицерин
А. глицеролипиды; Б. воски; В. стерины; Г. фосфолипиды; Д. сульфолипиды; Е. гликолипиды; Ж. сфинголипиды.
4. Составьте смысловые пары:
А. кодон; Б. экзон; В. интрон; Г. промотор; Д. терминатор.
I. участок ДНК, с которого начинается транскрипция; II. участок ДНК, на котором останавливается транскрипция; III. участок ДНК из трех нуклеотидов; IV. участок гена, кодирующий синтез белка; V. некодирующие участки ДНК.
5. Расставьте буквенные индексы названий веществ и процессов в соответствии с позициями в схеме транскрипции:
А. терминатор; Б. промотор; В. фактор; Г. мРНК; Д. ДНК; Е. ATP, GTP, CTP, TTP; Ж. ATP, GTP, CTP, UTP; З. транскриптаза.
6. Найдите название представленных соединений
1. мирицилпальмитат; 2. холестерин; 3. стигмастерин; 4. эргостерин; 5. сфингозин; 6. тимидин; 7. риботимидин; 8. уридин; 9. псевдоуридин; 10. дезоксицитидин; 11. дезоксиаденозин; 12. дезоксигуанозин.
Биологическая библиотека - материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.
Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.
Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.
Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.
Читайте также: