Тема 2. Структурні компоненти біологічних мембран: ліпіди

1. Структура окремих груп мембранних ліпідів

2. Жирні кислоти та їх просторова конфігурація

3. Амфіпатична природа мембранних ліпідів і організація ліпідних міцел, ліпосом та бішару

4. Біологічні функції мембранних ліпідів

У більшості мембран міститься 50-75% ліпідів, решту вмісту припадає на білки. У плазматичній мембрані виявлено до 10% вуглеводів, які складають вуглеводну частину глікопротеїнів або гліколіпідів. В інших мембранах вуглеводів є значно менше.

1. Структура окремих груп мембранних ліпідів

Ліпіди складають у середньому 40% сухої маси мембран, з них 80% припадає на фосфоліпіди, решту – гліколіпіди та стероїди (у мембранах знаходиться приблизно 15% холестерину від сухої маси).

1) Фосфоліпіди. Із фосфоліпідів найчастіше в мембранах зустрічаються гліцеролфосфоліпіди (похідні фосфатидної кислоти – фосфатидилхолін, фосфатидилетаноламін, фосфатидилсерин, фосфатидилінозит) та сфінголіпіди (сфінгомієліни), рідше – інозитфосфоліпіди. У назві фосфоліпідів, які втратили один з двох ацильних залишків, вводиться приставка «лізо». Лізофосфоліпіди виявляють в мембранах в невеликих кількостях: поява цих речовин призводить до порушення структури бішару і лізису клітин.

Основними ліпідами мембран клітин тварин є гліцерофосфоліпіди: фосфатидилхолін (лецитин) і фосфатидилетаноламін (кефалін).

Існує кілька груп фосфоліпідів, що відрізняються від наведених вище фосфоліпідів по своїй будові: 1) плазмалогени, 2) діольні фосфоліпіди і 3) дифосфатидилгліцериди.

У молекулі плазмалогену перший вуглець гліцерину (С₁) замість ацильної групи приєднує залишок ненасиченого довголанцюгового спирту. Радикал R₃ у плазмалогенах м'язів представлений холіном, а в плазмалогенах мозку – серином або етаноламіном.

Діольні фосфоліпіди характеризуються тим, що замість гліцерину в складі їх молекул містяться двоатомні спирти: етиленгліколь або пропандіол. За фізико-хімічними властивостями, діольні фосфоліпіди нагадують лізоформи фосфоліпідів. Відносно клітинних мембран вони проявляють більш руйнівну дію, ніж лізофосфоліпіди. У малих кількостях вони не пошкоджують мембрану, а лише змінюють її властивості, наприклад, підвищують проникність для невеликих молекул та іонів. У великих кількрстях вони викликають гемоліз еритроцитів, знижують рецепцію ацетилхоліну чи модифікують імунні реакції. Деякі клітини починають інтенсивно синтезувати діольні ліпіди в період швидкого росту і припиняють їх утворення, коли клітинний ріст сповільнюється. Можливо, це пов’язане з тим, що в період росту клітин їхні мембрани повинні бути більш лабільними. Ці ліпіди присутні у вигляді незначних домішок в органах і тканинах, що характеризуються посиленою активністю (дозрівання насіння, регенерація печінки і т.д.).

Цікаво, що існують організми, яким не страшні високі концентрації діольних ліпідів. Клітини морських зірок, наприклад, можуть накопичувати дуже багато діяльних ліпідів без шкоди для їх власних мембран, але механізм захисту клітинних мембран від цих сполук невідомий.

Дифосфатидилгліцериди – найбільш поширеним представником цієї групи фосфоліпідів є кардіоліпін – необхідний компонент мітохондрій, виділений першопочатково з серцевого м'язу.

Як згадувалося вище, окрім гліцерофосфоліпідів, до групи фосфоліпідів входять і сфінголіпіди, які можна представити як похідні цераміду (ефіру сфінгозину з жирною кислотою) і монофосфорних ефірів спиртів.

Шляхом приєднання до гідроксилу сфінгозину залишку фосфохоліну, фосфоетаноламіну чи фосфосерину утворюються сфінгомієни.

Сфінгомієліни міститься у великих кількостях у білій речовині мозку, в мієлінових оболонках нервових стовбурів. Жирні кислоти, що входять до його складу, довголанцюгові і містять мало подвійних зв'язків. Зазвичай це лігноцеринова (С_{24: 0}) і нервонова (С_{24: 1}) кислоти. У сірій речовині мозку до 70% жирних кислот сфінгомієліну представлено стеариновою кислотою (С_18:0).

2) Гліколіпіди клітинних мембран – глікозильні похідні цераміду, представлені цереброзидами, сульфатидами та гангліозидами.

Цереброзид

Гангліозид

Багато гліколіпідів виявлені в мембранах мієліну. Природною функцією мембранних гангліозидів є участь в диференціюванні нейрональної тканини, гангліозиди інших клітин – лімфоцитів – визначають видоспецифічність і регулюють міжклітинні контакти.

3) Стероїди – спирти з стерановим скелетом, до яких відносяться як немембранні ліпіди (з них найбільш важливі – гормони), так і компоненти мембран. У перелік мембранних компонентів стероїдного ряду входять холестерин, ситостерин, тетрахіменін. У тканинах тварин поширений холестерин. У рослинних клітинах холестерин не виявлений, його замінюють фітостерини. У бактерій стероїди відсутні.

Холестерин та його ефіри – обов’язкові складові плазматичних мембран клітин тварин. При цьому холестерин легше вбудовується в мембрану, ніж його ефіри.

М олекули холестерину, як і інші ліпідні молекули, мають полярну голову і витягнуту в довжину неполярну частину. Тому вони добре вбудовуються в двошарові ліпідні структури, що утворюють клітинні мембрани. При утворенні ефірів холестерину зв'язок молекули з бішаром послаблюється, що полегшує його витіснення з мембрани.

Особливо багато холестеролу міститься в зовнішніх мембранах клітин. Наприклад, у плазматичній мембрані клітин печінки холестерин становить близько 30% всіх мембранних ліпідів.

Роль холестерину в біологічних мембранах. Було показано, що холестерин впливає на рухливість жирнокислотних хвостів мембранних ліпідів. Якщо мембрана занадто ригідна і існує небезпека «застигання» жирнокислотних ланцюгів, холестерин викликає її розрідження, оскільки ланцюги в його присутності стають більш рухливими. Якщо ж мембрана занадто «рідка», то холестерин її ущільнює. Таким чином, холестерин грає роль регулятора, що забезпечує правильну упаковку ліпідної частини мембрани, необхідну для її нормальної роботи.

Яка ж природа ущільнюючої дії холестерину? Зазвичай вуглеводневі хвости фосфоліпідів розміщуються не перпендикулярно до площини мембрани, а під деяким кутом. За присутності холестерину нахил хвостів стає меншим. Кожна молекула лецитину займає за присутності холестерину меншу площу на поверхні мембрани, внаслідок чого відбувається її ущільнення.