Читать книгу "Структурная биохимия"

Плазмалогены

Эти фосфоглицериды содержат α,β-ненасыщенный спирт, образующий простую эфирную связь в положении С-1 L-глицеро-3-фосфата (в отличие от сложноэфирной связи, образуемой остатком жирной кислоты). Фосфатидальхолины, фосфатидальэтаноламины и фосфатидальсерины – три основных класса плазмалогенов. Простые эфирные связи α,β -ненасыщенных спиртов в этих соединениях стабильны в разбавленных щелочах, однако в разбавленных кислотах они гидролизуются с образованием альдегида соответствующего α,β-ненасыщенного спирта. α,β-ненасыщенные спирты имеют цис-конфигурацию и длину цепи от C12 до С18. В чистом фосфатидальхолине из бычьего сердца остаток жирной кислоты в положении С-2, как правило, является ненасыщенным, тогда как спиртовый остаток в С-1-положении является обычно насыщенным (исключение составляет лишь α,β-двойная связь). В тканях животных были обнаружены плазмалогены, не содержащие азотистых оснований, а также подобные триацилглицеринам нейтральные плазмалогены, содержащие две сложноэфирные связи и одну простую эфирную связь, образованную α,β-ненасыщенным спиртом в С-1-положении (1-алкенил-2,3-диацилглицерин). Производные 1-алкил-2-ацилфосфатидилхолина широко распространены в животных тканях. Эти соединения имеют общую формулу. Хотя содержание этих веществ в живых организмах составляет лишь несколько процентов общего количества фосфоглицеридов, они обнаружены в значительных количествах в эритроцитах, а в тканях некоторых беспозвоночных их содержание достигает 25% общего количества фосфоглицеридов. Физико-химические свойства плазмалогенов сходны с таковыми у фосфолипидов. Основной их функцией является то, что они входят в состав мембран.

Диольные липиды

Хотя большинство липидов являются производными глицерина, в настоящее время известно, что все организмы – животные, растения или микроорганизмы – содержат, по крайней мере, в малых количествах липиды, которые являются производными диолов. В число таких диолов входят этиленгликоль, 1,2– и 1,3-пропандиолы, 1,3-, 1,4– и 2,3-бутандиолы, а также 1,5-пентандиол. Среди диольных липидов встречаются моно– и диацильные производные, являющиеся сложными эфирами различных жирных кислот, простые диэфиры, смешанные алкильные (или 1-алкенильные) и ацильные производные, диольные аналоги фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина, диольный холинплазмалоген, ацилированные диольные галактозиды и диольные липоаминокислоты. Обычно содержание диольных липидов составляет только 0,5—1,5% от концентрации глицеринсодержащих липидов. Однако некоторые морские моллюски и иглокожие содержат примерно равное количество производных этиленгликоля и глицерина, особенно в конце лета или осенью. Поскольку содержание диольных липидов в тканях этих организмов уменьшается в течение зимы и весны, высказано предположение, что они могут использоваться как энергетический резерв. Нормальная крысиная печень содержит относительно мало диолов. На ранних стадиях регенерации печени они присутствуют в значительно больших количествах. О биологической функции диольных липидов пока нет данных, если не считать упомянутой выше возможной роли этих соединений в качестве энергетического резерва у некоторых морских беспозвоночных. Предполагается также, что некоторые диолы замещают часть глицеринсодержащих липидов сходной структуры.

Липиды, не содержащие глицерина

Сфинголипиды

Большое число липидов может быть объединено в одну группу благодаря наличию в их структуре длинноцепочечного алифатического основания – сфингозина или дигидросфингозина. Такие липиды называются сфинголипидами. Хотя сфингозины являются наиболее распространенными среди природных сфинголипидов, встречаются также сфинголипиды, содержащие C16-, C17– и С19-сфингозины. Для двойной связи в сфингозинах характерна транс-конфигурация, а расположение заместителей у асимметрических атомов углерода С-2 или С-3 соответствует D-конфигурации. Сфингозин образует связь с жирной кислотой, но в отличие от глицерин содержащих липидов, в данном случае карбоксильная группа жирной кислоты взаимодействует не со спиртовой, а с аминогруппой сфингозина, в результате образуется не эфирная, а амидная связь. Сфинголипиды по модификации молекулы сфингозина делятся на сфигомиелины и гликосфинголипиды.

Сфингомиелины

Сфингомиелины в больших количествах встречаются в нервной ткани. При гидролизе сфингомиелинов образуются жирная кислота, фосфорная кислота, холин и сложный аминоспирт сфингозин. Сфингомиелины могут рассматриваться как фосфохолиновые производные церамидов и являются одной из наиболее важных групп фосфолипидов. Сфингомиелины являются амфифилами, как и фосфолипиды. Температура плавления опреляется структурой жирных кислот, входящих в состав сфингомиелинов. Впервые сфингомиелины были обнаружены в нервной ткани, однако они входят в состав липидов крови, а также встречаются во многих других тканях. Кроме обычных сфингозинов, рассмотренных выше, сфингомиелин из мозга содержит полиненасыщенные сфингозины, называемые дегидросфингозинами. Сфингомиелины являются основными липидами, входящими в мембраны швановских клеток, которые образуют многослойную миелиновую оболочку, которая обеспечивает изоляцию нервных волокон, миелиновая оболочка позволяет увеличить скорость проведения сигнала.

Гликолипиды

Гликолипиды широко представлены в тканях, особенно в нервной ткани, в частности в ткани мозга. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности. Главной формой гликолипидов в животных тканях являются гликосфинголипиды. Они содержат церамид, а также один или несколько остатков сахаров. Гликосфинголипиды накапливаются в аномально больших количествах при некоторых заболеваниях, связанных с нарушениями липидного обмена. Гликосфинголипиды подразделяются на три основных класса: цереброзиды, церамидолигосахариды и ганглиозиды.

Рисунок 49. Структура сфинголипидов. А-сфингозин; Б-глюкозереброзид; В-сфингомиелин

Цереброзиды.

Двумя простейшими соединениями этой группы являются галактозилцерамид и глюкозилцерамид. В данном соденинениях к сфингозину присоединен только однин остаток моносахарида. Галактозилцерамид – главный гликосфинголипид мозга и других нервных тканей, но в небольших количествах он встречается и во многих других тканях. В его состав обычно входят различные С14-жирные кислоты. Галактозилцерамид может превращаться в сульфогалактозилцерамид, который в больших количествах содержится в миелине. Простые гликосфинголипиды в тканях, отличных от нервной, представлены главным образом глюкозилцерамидом; в небольших количествах он имеется и в ткани мозга.

Церамидолигосахариды.

В состав молекул сфинголипидов этой группы входят гетероолигосахариды, связанные гликозидной связью с церамидом. Для обозначения этих соединений используются названия церамиддисахарид, церамидтрисахарид и т. д. Более сложными гликосфинголипидами являются ганглиозиды, образующиеся из глюкозилцерамида.

Ганглиозиды.

Эти сфинголипиды являются церамидолигосахаридами, содержащими помимо других сахаров, по крайней мере, один остаток сиаловой кислоты. Все ганглиозиды благодаря наличию карбоксильной группы в остатке N-ацетилнейраминовой кислоты являются кислыми соединениями. Как следует из названия этих соединений, ганглиозиды были впервые выделены из серого вещества мозга, однако они широко распространены и в других тканях. В тканях человека доминирующей сиаловой кислотой является нейраминовая кислота (NeuAc).

Ганглиозиды в больших количествах находятся в нервной ткани. Они, по-видимому, выполняют рецепторные и другие функции. Простейшим ганглиозидом, встречающимся в тканях, является GM3; он содержит церамид, одну молекулу глюкозы, одну молекулу галактозы и одну молекулу NeuAc. В данном – сокращении G означает ганглиозид (ganglioside), M – моносиаловое соединение (содержащее одну молекулу сиаловой кислоты), а индекс 3—условный номер, присвоенный на основе положения при хроматографическом разделении. GM1 представляет значительный биологический интерес, поскольку известно, что в эпителии кишечника человека он является рецептором холерного токсина. Другие ганглиозиды содержат от одной до пяти молекул сиаловой кислоты: их называют ди-, трисиалоганглиозиды и т. д.

Гликолипиды являются амфифилами, причем большими, чем сфингомиелины, так как содержат углеводный компонент. Температура плавления также определяется структурой жирной кислоты.

Функции гликолипидов

Все гликолипиды входят в состав мембран прежде всего цитоплазматической. Расположение их в мембране таково, что углеводный компонент направлен в окружающую среду, формируя гликокаликс. Гликокаликс образует поверхность уникальную для каждого вида клеток, выполняя сигнальную и рецепторную функцию.

Церамиддисахарид, называемый лактозилцерамидом или цитолипином Н, при определенных условиях обладает иммунологической активностью.

Впервые ганглиозиды были обнаружены в ганглиях, откуда и произошло их название. Наиболее богат ганглиозидами мозг, особенно его серое вещество. Позднее они были обнаружены и в других тканях (почка, селезенка, печень, легкие и т. д.). Несмотря на многочисленные исследования, биологическое значение ганглиозидов до настоящего времени установлено далеко не полностью. Однако известно, что ганглиозиды локализуются преимущественно в плазматических мембранах и, видимо, в значительной степени определяют контактное торможение, адгезию и электрофоретическую подвижность клеток.

Исследованиями, проведенными в последние годы, показано, что ганглиозиды специфично связывают токсины ботулизма, столбняка, холеры, дифтерийной палочки, а также стрихнин, бруцин, тебаин, вероятно, серотонин и, возможно, играют определенную роль в их рецепции.

Воска

Общее название воска относится к сложным эфирам длинноцепочечных насыщенных или ненасыщенных жирных кислот (с числом углеродных атомов от 14 до 36) и длинноцепочечных спиртов (с числом углеродных атомов от 16 до 22) (Рисунок 50). Так, спермацет, получаемый из головного масла кашалотов, состоит главным образом из цетилпальмитата, а пчелиный воск очень богат мирицилпальмитатом.

Рисунок 50. Структурная формула восков. R-радикал жирной кислоты; R¹-радикал высшего спирта

Воска являются гидрофобными соединениями также, как и триацилглицеролы. Температура их плавления зависит не только от структуры жирной кислоты, входящей в состав воска, но и от структуры высшего спирта. Чем больше длина его углеводородного радикала, тем выше температура плавления. Двойные связи в составе радикала уменьшают температуру плавления.

Функции восков

У позвоночных секретируемые кожными железами воска выполняют функцию защитного покрытия, смазывающего и смягчающего кожу и предохраняющего ее от воды. Восковым секретом покрыты также волосы, шерсть и мех. У птиц, особенно водоплавающих, выделяемые копчиковой железой воска придают перьевому покрову водоотталкивающие свойства.

Листья многих растений покрыты защитным слоем воска. Блеск листьев многих тропических растений, а также падуба, рододендронов и сумаха обусловлен отражением света от воскового покрытия.

Воска вырабатываются и используются в очень больших количествах морскими организмами, особенно планктонными, у которых они служат основной формой накопления высококалорийного клеточного топлива. Поскольку киты, сельди, лососевые и многие другие виды морских животных питаются главным образом планктоном, содержащиеся в нем воска играют важную роль в морских пищевых цепях в качестве основного источника липидов.

Интересна функция воска – спермацета,, выделяемого из китов. Спермацет заполняет специальную полость в черепе кита. Локализация спермацета является основной проблемой при определении функций этого воска. С одной стороны предполагается, что эта полость и спермацет в ней снижают вес черепа кита, обеспечивая большую плавучесть, с другой стороны положение полости, заполненной спермацетом, позволяет предположить, что данная полость и вещество, ее заполняющее, участвуют в эхолокации.

Также у насекомых воска входят в состав экзоскелета и обеспечивают его функционирование и уменьшение испарения. Кроме того насекомые используют воска в качестве строительного материала, например пчелы, которые полностью строят свои соты из воска.

Терпены

В живой природе существует множество соединений, структура углеродного скелета которых сходна с изопреном (2-метилбутан-диеном) (Рисунок 51). У многих из этих соединений число углеродных атомов кратно пяти, так что структуру каждого из них можно разбить на ряд фрагментов, сходных с изопреном. Соединения этого класса называются терпенами [turpentine (англ.) – скипидар]. В зависимости от количества изопреновых звеньев терпены делятся на дитерпеноиды и политерпеноиды. В зависимости от наличия циклов на линейные и содержащие цикл.

Функции терпенов

Функции терпеноидов очень многообразны.

Эфирные масла, такие, как цитраль, пинен, гераниол, камфора являются дитерпеноидами. Эти соединения являются дитерпенойдами линейными или циклическими.

К линиейным политерпеноидам растений относятся смоляные кислоты, каучук и другие составляющие млечного сока и смол, также к ним относится фитол – который встраиваясь в мембрану хлоропласта закрепяет в ней хлорофилл.

К растительным терпеноидам, содержащим цикл, растений прежде всего относятся каронтиноиды дополнительные пигменты фотосинтеза высших растений.

Рисунок 51. Структурные формулы некоторых терпеноидов. А-ментол, Б-гераниол, В-цитраль, Г-витамин А (ретинол), Д-витамин Е (токоферол)

Животные не синтезируют дитерпеноиды. У насекомых линейные политерпеноиды являются гормонами, половыми и регулирующими развитие. Также линейные политерпенойды насекомых являются сигнальными молекулами для особей другого пола – феромонами. Политерпеноиды, содержащие цикл, у млекопитающих являются витаминами. К ним относятся убихинон (или витамин Q) – компонент дыхательной цепи митохондрий Антигеморрагический фактор – витамин К, а также кофермент Q, функционирующий как переносчик электронов. Существует несколько природных токоферолов. Витамин Е выполняет, по крайней мере, две метаболические функции. Во-первых, он служит наиболее сильнодействующим природным жирорастворимым антиоксидантом и, во-вторых, выполняет специфическую, хотя и не до конца понятную, роль в метаболизме селена. Витамин А участвует в окислительно-восстановительных процессах, регуляции синтеза белков, способствует нормальному обмену веществ, функции клеточных и субклеточных мембран, играет важную роль в формировании костей и зубов, а также жировых отложений; необходим для роста новых клеток, замедляет процесс старения.

Издавна известно благотворное влияние витамина А на зрение: еще в древности вареная печень – один из основных источников витамина А – использовалась как средство от ночной слепоты. Он имеет огромное значение для фоторецепции, обеспечивает нормальную деятельность зрительного анализатора, участвует в синтезе зрительного пигмента сетчатки и восприятии глазом света.

Витамин А необходим для нормального функционирования иммунной системы и является неотъемлемой частью процесса борьбы с инфекцией. Применение ретинола повышает барьерную функцию слизистых оболочек, увеличивает фагоцитарную активность лейкоцитов и других факторов неспецифического иммунитета. Витамин А защищает от простуд, гриппа и инфекций дыхательных путей, пищеварительного тракта, мочевых путей. Наличие в крови витамина А является одним из главных факторов, ответственных за то, что дети в более развитых странах гораздо легче переносят такие инфекционные заболевания как корь, ветряная оспа, тогда как в странах с низким уровнем жизни намного выше смертность от этих «безобидных» вирусных инфекций. Обеспеченность витамином А продлевает жизнь даже больным СПИДом.

Ретинол необходим для поддержания и восстановления эпителиальных тканей, из которых состоят кожа и слизистые покровы. Не зря практически во всех современных косметических средствах содержатся ретиноиды – его синтетические аналоги. Действительно, витамин А применяется при лечении практически всех заболеваний кожи (акне, прыщи, псориаз и т. д.). При повреждениях кожи (раны, солнечные ожоги) витамин А ускоряет процессы заживления, а также стимулирует синтез коллагена, улучшает качество вновь образующейся ткани и снижает опасность инфекций.

Ввиду своей тесной связи со слизистыми оболочками и эпителиальными клетками витамин А благотворно влияет на функционирование легких, а также является стоящим дополнением при лечении некоторых болезней желудочно-кишечного тракта (язвы, колиты).

Ретинол необходим для нормального эмбрионального развития, питания зародыша и уменьшения риска таких осложнений беременности, как малый вес новорожденного.

Витамин А принимает участие в синтезе стероидных гормонов (включая прогестерон), сперматогенезе, является антагонистом тироксина – гормона щитовидной железы.

Как витамин А, так и b-каротин, будучи мощными антиоксидантами, являются средствами профилактики и лечения раковых заболеваний, в частности, препятствуя повторному появлению опухоли после операций.

«И витамин А, и b-каротин защищают мембраны клеток мозг от разрушительного действия свободных радикалов, при этом b-каротин нейтрализует самые опасные виды свободных радикалов: радикалы полиненасыщенных кислот и радикалы кислорода.»

Антиоксидантное действие b-каротина играет важную роль в предотвращении заболеваний сердца и артерий, он обладает защитным действием у больных стенокардией, а также повышает содержание в крови «полезного» холестерина (ЛПВП).

Лютеин и зеаксентин – главные каротиноиды, защищающие наши глаза: они способствуют предупреждению катаракты, а также снижают риск дегенерации желтого пятна (важнейшего органа зрения), которая в каждом третье м случае является причиной слепоты.

Еще один каротиноид – ликопин (содержится в остовном в помидорах) защищает от атеросклероза, предотвращая окисление и накопление на стенках артерий холестерина низкой плотности. Кроме того, это самый «сильный» каротиноид в отношении защиты от рака, особенно рака молочной железы, эндометрия и простаты.

Стероиды

Стероиды часто обнаруживаются в ассоциации с другими липидами. Их можно отделить от триацилглицеридов путем омыления (стероиды попадают в «неомыляемую» фракцию). Наиболее широко распространенными стероидами являются стеролы, т. е. стероидные спирты. Остальная часть молекулы, относительно жестка и гидрофобна. Все стероиды содержат однотипное циклическое ядро, сходное с молекулой фенантрена (кольца А, В и С), с которым соединено циклопентановое кольцо (D). Стероиды резко гидрофобны и нерастворимы в гидрофильных растворителях и в воде.

Рисунок 52. Структурные формулы некоторых стероидов. А-холестерин, Б-кортизол, В-тестостерон, Г-эстрадиол

Холестерол является одним из главных компонентов плазматической мембраны и липопротеинов плазмы; часто находится в форме эфиров жирных кислот и служит исходным соединением для синтеза всех стероидов, функционирующих в организме. Холестерол находится в животных, но не в растительных жирах.

Холестерол синтезируется в организме человека, но он не окисляется до углекислого газа и воды.

Эргостерол содержится в растениях и дрожжах, он важен тем, что является предшественником витамина D. После облучения ультрафиолетовым светом он приобретает противорахитное действие (при раскрытии кольца В), эргостерина, который, как и ряд других растительных стеринов, имеет 8 углеродных атомов и одну двойную связь в боковой цепи. Ультрафиолетовое облучение обоих этих соединений вызывает разрыв кольца В, что приводит к образованию продуктов, обладающих активностью витамина D.

Другое производное холестерина – желчные кислоты, обеспечивающие эмульгацию жиров при их переваривании. Также с желчными кислотами коньюгируют чужеродные вещества для их из организма.

Также к стероидам относятся гормоны млекопитающих. Андрогены, или мужские половые гормоны. Примером может служить тестостерон, синтезируемый в семенниках. Эстрогены – женские половые гормоны. Эстроген, секретируемый яичниками, представляет собой эстрадиол. Также к стероидам относятся гормоны коры надпочечников: глюкокортикоиды (основной кортизол) участвующие в регуляции энергетического обмена и концентрации глюкозы в крови при длительном стрессе, и минералокортикоиды (основной альдостерон), регулирующие концентрацию ионов в организме, альдостерон контролирует концентрацию Na⁺ стимулируя его реабсорбцию в почечных канальцах.