Вторичная и третичная структуры РНК 2 страница

Природные нейтральные липиды представляют собой смесь простых и смешанных типов глицеридов с преобладанием ненасыщенных триглицеридов.

Физико-химические свойства нейтральных липидов опреде­ляются их составом. Температура плавления выше у ацилглицеринов, содер­жащих высшие насыщенные ацилы. В твердых жирах, как правило, присут­ствуют насыщенные жирные кислоты (например, тристеарин), а в жидких — ненасыщенные (например, триолеин). Все ацилглицерины легче воды. Они растворимы в непалярных жидкостях (хлороформе, бензоле, эфире и горячем этиловом спирте). В воде растворимы только моно- и Ди ацилглицерины, имеющие свободные полярные гндроксильные группы. Они образуют в воде мицеллы. Триацилглицерины не обладают способностью к образованию мицелл и растворимостью в воде. При щелочном гидролизе или омылении ацилглицеринов образуется глицерин и свободные жирные' кислоты. В орга­низме эту функцию выполняют специальные ферменты липазы.

Стериды — это эфиры стеринов и жирных кислот. Чаще встречаются эфиры холестерина. Они содержатся в продуктах животного происхождения (сливочном масле, желтках яиц). В организме человека и животных большая часть холестерина тканей (примерно на 60—70%) находится в виде эфиров холестерина. В крови эфиры холестерина составляют основную часть общего холестерина, входя в состав транспортных липопротеидов. Возможно, эфиры холестерина — это своеобразная форма создания запасов холестерина в тканях. Ланолин (жир овечьей шерсти) также является стеридом (смесь жирнокислотных эфиров ланостерина и агностерина) и применяется в фар­мации в качестве мазевой основы для приготовления лекарственных мазей.

Растительные стериды типа жирнокислотиых эфиров стигмастерина, эргостерина, p-ситостерина составляют значительную часть общих стеринов растений.

Сложные, или смешанные, липиды

В отличие от простых липидов смешанные липиды содержат нелипидный компонент, например фосфат или углевод и т. д. По химическому строению представители смешанных липидов — фосфолипиды и гликолипиды — отнг

R'—I—О—СН О

С Нj —О—Р—О—С И j—СН ₂—NH₂' Рис. |2. Строение ' |

фосфоглицеридов О Н

Название фосфоглняерида Фосфатидная кислота

Фосфатидал этанола мин

Фосфатнднлхолин Фосфатидилсернн

Фосфа тндилинознт

Фосфатидилгли церии Кардиолипин

Аце тальф осфатиды (п лаЧма лог ены)

сятся к более сложным по организации молекулам и их правильнее рассмат­ривать в главе «Смешанные макромолекулы». Но чтобы получить целостное представление о разновидностях липидов, в этой главе удобнее остановиться на смешанных липидах.

Фосфолнпиды — сложные липиды, представляющие собой фосфатзаме- щенные эфиры различных органических спиртов (глицерина, сфингозинов, диолов). Все фосфолипиды являются полярными липидами и содержатся преимущественно в клеточных мембранах. В жировых депо их немного.

Фосфоглицериды. В них одна из гидроксильных групп образует эфирную связь не с жирной кислотой, а с фосфатом. Простейший представитель при­родных фосфоглицеридов — фосфатидная кислота:

R'—С—о-'сн о

I II

³СН, —О—Р—он

Ан

Радикалы жирных кислот находятся в транс-конфигурации. Как правило, гидроксил глицерина в положении L этерифицирован насыщенной жирной кис­лотой, в полйжении 2—ненасыщенной, а в положении 3 образуется фосфо- эфирная связь с фосфорной кислотой. Все фосфоглииериды содержат остаток фосфатндной кислоты (фосфатидил), соединенный с каким-либо спиртовым остатком- На рис. 12 приведены наиболее распространенные фосфоглицериды.

Разнообразие фосфолипидов определяется природой не только спиртовых компонентов, но и остатков жирных кислот.

При отщеплении одной из жирных кислот образуются производные фос- фоглицеридов, названные лизофосфатидами. В физиологических условиях лизофосфатиды не встречаются. Они очень токсичны — вызывают поврежде­ние и даже разрушение мембран клеток.

Физико-химические свойства фосфоглицеридов оп­ределяются амфипатическим строением их молекул. Они имеют неполярную часть, т. е. остаток диацилглицерина, и полярную, представленную фосфатом и спиртовыми остатками. Благодаря полярному гидрофильному концу фос­фоглицериды не только хорошо растворяются в неполярных жидкостях и их смесях со спиртами, но обладают и некоторой растворимостью в воде, образуя в водной среде мицеллы. В мицеллах гидрофобные радикалы жирных кислот группируются, образуя внутреннюю гидрофобную зону мицеллы. Гидрофиль­ные участки располагаются на внешней поверхности мицеллы, обращенной в водную фазу.

Заряд фосфоглицерида зависит от его типа. В их молекулах имеются следующие ионные группы:

Фосфоглицерид Ионная группа

Фосфатидная

фосфатндилхолины (холи нф ос фат иды) Фосфатиди л инозиты (инозитфосфатиды) и карднолипин Плазмалогены

Сер н нфос ф ат и ды

POj~, N (СН₃)₃

РО4 _{+ +}

РО|-, NH₃ или N(CH₃)_:

Р05-, йн₃. соо-

Отдельные представители фосфоглицеридов Фосфа- тидные кислот присутствуют в незначительных количествах в животных и растительных тканях. Они являются важными промежуточными продуктами обмена фосфоглицеридов.

Этаноламинфосфатиды относятся к одной из часто встречающихся групп фосфоглицеридов всех внутриклеточных мембран животных и растительных клеток. Составляют примерно 20% от общих липидов мембран. Содержатся во всех тканях и клетках человеческого организма, в составе лкпопротеидов крови.

Холинфосфатиды — очень распространенные фосфоглицериды мембран всех типов. Составляют около 50% липидов клеточных мембран. В организме они образуются, как правило, из этаноламинфосфатидов. Холинфосфатиды входят в состав липопротеидов крови.

Свринфосфатиды впервые были выделены из головного мозга быка, а затем найдены в большинстве других тканей животных, растений и бактерий. Появились сообщения, что вместо серина в фосфо-лицеридах могут присут­ствовать другие аминокислоты (треонин, тирозин, гндроксипролин). Однако необходимо доказать, что эти аминокислотные фосфоглицериды действительно имеются в свободном виде, а не являются составным компонентом смешан­ных макромолекул — фосфоглицеридпептидов мембран.

Инозитфосфатиды впервые выделены из туберкулезных палочек, а затем найдены в растениях и животных тканях. Они делятся на три основные группы: монофосфоинозртфосфатиды (где имеется один остаток фосфата, соединенный с инозитом), полифосфоинозитфосфатиды (имеется несколько фосфатов, присоединенных к гидроксильным группам инозита) и сложные инозитфосфатиды (в которых к инозиту присоединяются другие вещества — аминокислоты, фитосфингозин, моносахариды). Полифосфорные инозитфосфа­тиды обнаружены преимущественно в головном мозге человека и животных, 1*де, как считают, они играют важную роль в нервной деятельности. В расти­тельном мире этими ценными веществами богата соя.

Сложные инозитфосфатиды распространены в бактериях. Они были также получены из семчн подсолнечника, арахиса, сои и других культур.

Кардиолипан впервые выделен из сердца быка, отчего и получил свое название. Впоследствии обнаружен во многих тканях животных и человека, в зеленых листьях высших растений, дрожжах. Содержание его в клетках 2—5% от массы липидов. Однако в митохондриальных мембранах он является главным компонентом фосфолипидов.

Ацетальфосфатиды, или плазмалогены (их называют также фосфати- далями). Плазмалогены содержатся во всех тканях организма человека и составляют примерно 20% от всех фосфолипидов. Особенно много их содер­жится в головном и спинном мозге, где 50—90% от всех фосфолипидов приходится на плазмалогены. Особенностью их структуры является образо­вание простой эфирной связи с высшим алифатическим альдегидом.

nAAAAAA/VV"

Рис. 13 Схема строения некоторых сфннголнпндов, производных церамнда (N-ацнл-

Диольные фосфатиды (фосфолипиды) — новая, недавно открытая группа соединений. Они являются производными двухатомных спиртов, у которых одна спиртовая группа этерифицирована жирнокислотным остатком, а другая •связана с фосфатом и каким-либо остаточным спиртом (например, с холи- ном). В организме диольные фосфолипиды могут связываться с клеточными мембранами, изменяя их функцию. Они обладают выраженными поверх­ностно-активным и свойствами. Большие концентрации их вызывают гемолиз эритроцитов. Диольные фосфолипиды влияют на иммунные реакции и снимают влияние медиатора ацетилхолина на клетки (это действие называют холи- нолитическим).

Сфингофосфатиды (сфинголипиды). £ качестве спирта в группе сфин- голипидов выступает сфингозин. Его N-ацильное производное церамид явля­ется родоначальником всех сфинголипидов. Сфинголипиды делятся на сфинго- миелины, или сфингофосфатиды, и глико сфинго липиды. Их строение показано на рис. 13. Различие между ними состоит в том, что у сфингомиелинов, как у всех фосфолипидов, заместителем спиртовой группы являются фосфат и остаточный спирт (чаще холин), а гликолипиды не содержат фосфата. Вместо него заместителями являются или один из моносахаридов (в цереброзидах), или олигосахарид (в ганглиозидах), содержащий галактозу и ряд амино- сахаров.

Сфингомиелины в больших количествах содержатся в нервной ткани, входя в состав миелина, который является оболочкой нервных волокон (отсю­да и произошло их название). Однако сфингомиелины встречаются не только в элементах нервной системы. Они обнаружены в легких, печени, почках, селезенке, крови и других органах. Характерно, что появление и накопление сфингомиелина в нервной ткани связано с эволюционным развитием головного мозга. Например, у низших представителей животного мира (мухи, мидии) типичный сфингомиелин позвоночных, содержащий холин, отсутствует. Его заменяет этаноламин. У брюхоногих моллюсков и дождевого червя в нервной системе сфингомиелины отсутствуют, у низших позвоночных их количество не более 4% от всех липидов, а у высших позвоночных достигает 10—12% Та же картина наблюдается в ходе индивидуального развития организма.

В развитии мозга человека и животных, даже специально выделяют период, когда образуется миелин, — период миелиниэации. У человека период миели- низацки, т. е. образование сфингомиелинз в оболочках нервов и нервной системц, начинается сразу после рождения н продолжается примерно первые четыре месяца. Дальнейшая миелинизация и накопление сфингомиелина и других сфннголипидов происходит по мере роста массы мозга и развития высшей нервной деятельности.

Много сфннгомиелинов в плазме крови и оболочке эритроцитов: соответ­ственно 8—15 и 30—40% от общей массы липидов. Очевидно, это связано с функцией мембран эритроцитов.

Гликолипиды — смешанные липиды, содержащие углеводный компонент. К ним можно отнести простейшие гликолипиды — гликозилдиацилглицерины, где моносахарид замещает одну из спиртовых групп глицерина. В животных тканях гликосфинголипиды содержатся в большом количестве. Особенно много их в нервных клетках, где они, видимо, необходимы для нормальной электри­ческой активности и передачи нервных импульсов. К этим липидам относятся цереброзиды, ганглиозиды, сульфолипиды.

Цереброзиды были впервые обнаружены в головном мозге, от которого они и получили свое название. Углеводная часть их представлена чаще всего галак­тозой, очень редко глюкозой. Разнообразны жирные кислоты, входящие в цере­брозиды: это лигноцериновая, цереброновая, нервоиовая и гидроксинервоно-

Сульфолипиды — сульфатные производные цереброзидов. Сульфат при­соединяется к третьему гидроксилу галактозы. Они обладают резко выражен­ными кислыми свойствами н легко связывают катионы. Считают, что они участ­вуют в транспорте катионов через мембраны нервных клеток и волокон. Поэтому сульфолипиды нужны для нормальной электрической деятельности нервной системы.

Ганглиозиды в отличие от других гликосфинголипидов содержат олиго- сахарид, состоящий из разных моносахаридов (см. рис. 13). Компоненты и мо­лекулярная масса их сильно варьируют. Богаты ганглнозидами клетки коры головного мозга.

4. Основные биологические функции лнпидов

Биологические функции липидов определяются их строением и физико-хими­ческими свойствами. Основные функции липидов суммированы в табл. 15.

ГЛАВА 7. СМЕШАННЫЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ (ГЕТЕРОМАКРОМОЛЕКУЛЫ)

Смешанные макромолекулы представляют собой макромолекулярный комплекс двух веществ, относящихся к разным химическим классам. Эти вещества проч­но соединены ковалентными или нековалентными связями, поэтому смешанные макромолекулы выделяются и функционируют как единое целое.

Гетеромакромолекулы можно разделить на две группы: сложные белки, или белок-небелковые комплексы, и прочие (небелковые) смешанные макромоле­кулы. Первая группа особенно обширна. В ней можно выделить нуклеопротеи- ды, или ну клеи ново-белковые комплексы (они рассматривались ранее), углевод- белковые комплексы, липид-белковые комплексы, фосфопротеиды, кофактор- протеиды, металлопротеиды. Ко второй группе относятся углевод-липидные комплексы и металлопроизводные небелковых макромолекул.

I. Углевод-белковые комплексы

Смешанные макромолекулы этого типа делятся, как указывалось в гл. «Углево­ды», на гликопротеиды и протеогликаны, или полисахарид-белковые комплексы Углеводная часть гликопротеидов представлена небольшими гетерололисаха- 98 ридами нерегулярного строения. Белок составляет 80—90% массы макромо­лекулы. В качестве исключения к группе гликопротеидов, а не протеогликанов, относятся вещества группы крови, у которых полисахарид составляет до 80% массы макромолекулы, но нерегулярное строение отличает его от протеогли­канов.

Для гликопротеидов типична ковалентная углевод-пептидная связь. Су­ществуют следующие разновидности такой связи: гликозиламидная, когда моно­сахарид связан с амидной группой аспарагина (в иммуноглобулинах, глико- протеидных ферментах и гормонах), О-гликозидная — моносахарид связан с ОН-группой серина или треонина (в муцине слюны, групповых веществах крови), а иногда с ОН-группой гидроксилизина или гидроксипролина (в коллэ- геновых белках).

Углеводный компонент, даже небольшой по массе, сообщает качественно новые свойства молекуле белка гликопротеидов. Для гликопротеидов харак­терна термостабильность в отличие от протеинов. Глнкопротенды выдерживают высокие и низкие температуры без изменения физико-химических свойств. Если какой-либо белок устойчив к температурной денатурации, то есть основания считать, что он является гликопротеидом. Гликопротеиды в отличие от других белков с трудом перевариваются протеолитическими ферментами (трипсином, пепсином).

Углеводная часть придает белку большую специфичность. Это своего рода векторные группы протеидов, «узнающие» участки других структур (макромо­лекул, поверхности клеток). Гликопротеиды быстрее выводятся из клетки и на­ходятся, как правило, вне клетки (в биологических жидкостях, на внешней по­верхности клеток).

Биологические функции некоторых гликопротеидов. Особенно много глико­протеидов находится в крови; имеются они также на клеточной мембране и внутри клеток. Гликопротеиды осуществляют такие важные функции, как транс­порт гидрофобных веществ и ионов металлов (транскортин, церуллоплазмнн, гапт^глобин, трансферрин), свертываемость (протромбин, фибриноген) и имму­нитет (иммуноглобулины). К гликопротеидам относится ряд ферментов (холин- эстераза, рибонуклеаза В), гормонов (гонадотропины, кортнкотропин).

Клеточные гликопротеиды, находящиеся на поверхности мембран, обеспе­чивают специфичность межклеточных контактов, влияют на дифференцировку тканей. Антигенная функция принадлежит так называемым веществам групп крови, которые имеются на поверхности эритроцитов и в растворимом виде содержатся в некоторых жидкостях и секретах. Антигенность этих гликопро­теидов определяется строением полисахаридных цепей. Замена одного моно- сахаридного звена молекулы существенно влияет на специфичность всего, гликопротеида, определяющего группу кров».

Гликопротеиды обладают термостабильностью. Например, у микроорга­низмов, обитающих в водах горячих источников, клеточная мембрана содер­жит гликопротеиды. В капсулах спороносных бактерий, устойчивых к внешним химическим и термическим воздействиям, имеются гликопептиды и глнколипо- протеиды. У антарктических рыб гликопротеиды играют роль антифризов, препятствуя образованию кристаллов льда во внутренних средах их организма.

2. Липид-белковые комплексы

Лип ид-белковые комплексы условно делятся на свободные липопротеиды (липопротеиды плазмы крови, молока и др.), растворимые в воде, и структур­ные протеолипиды (входят в биомембраны), являющиеся жирорастворимыми

Классификация и свойства. Липопротеиды имеют низкую плотность (от 0, 92 до 1, 21 кг/л) благодаря липидному компоненту, Поэтому при ультра- центрифугировании они флотируют (всплывают). Скорость флотации S/ зави­сит от размера липидной части молекулы*. По скорости флотации различают четыре класса липопротеидов, характеристика которых приводится в табл. 16. Чем выше молекулярная масса липопротеида, тем больше содержание в нем

К липопротеидам можно отнести комплекс неэтерифицированных жирных кислот с альбумином.

Белковые компоненты липопротеидов — аполипОпротеины — отличаются друг от друга по структуре и аминокислотному составу. Различают аполипо- протеины А, В, С, которые тоже неоднородны по составу. Тип А имеет два вида белков, обозначаемых А-1, A-I1; тип В представлен только одним видом белка, а тип С — тремя; C-I, C-Il, C-I1I. В табл. 17 приведены примерные соотношения разных аполипопротеинов, составляющих белковую часть моле­кулы липопротеида. Недавно обнаружены и другие аполипопротеины: Е (бо­гатый аргинином), D и Р.

Лишь у p-липопротеида белковая часть относительно гомогенна, осталь­ные аполипопротеины весьма гетерогенны. Структура молекулы липопротеида еще полностью не ясна, но, исходя из состава этих частиц и среды, в которой

Таблица 17 Распределение аполипопротеннов среди липопротеидов

А-1 [ A-II I В C-l j С Ti С-ТТТ

Условные обозначения ± —следы: + — до 20, ++ — от 20 до 45, + + от 45 до 100%.

они находятся, предложено два варианта ее строения. Липопротеиды, содер жащие менее 30% белка, т. е. хнломикроны, пре-р-липопротеиды и р-липопро- тенды, должны иметь строение типа мицеллы, ядро которой состоит из липи­дов (преимущественно триглицеридов и эфиров холестерина, не обладающих гидрофильными полярными группами), а наружный слои состоит из белка, фосфолипидов и холестерина (имеющих полярные группы). Такое строение обеспечивает растворимость в водной среде плазмы крови, в которой цирку­лируют липопротеиды. о-Липопротеиды, содержащие около 50% белка, могут иметь субъединичное строение, липиды каждой из субъединиц связаны с гидрофобной частью молекулы белка. Предполагается, что в а-лнпопротеидах белок имеет спиральную, а в Р-липопротеидах складчатую конфигурацию.

Структурные липопротеиды входят в состав биологических мембран. Ввиду особенностей их физико-химических свойств их называют протеолипи- дами, поскольку они растворяются в неполярных растворителях (смеси хлороформ — метанол 1: 1), Причина такого поведения протеолипчдов в том, что белок составляет сердцевину их молекулы, а оболочку образует липидный компонент. Содержание белка в протеолипидах 65— 85%. Они обнаружены в сердце, почках, легких, скелетных мышцах, в клетках растений, но больше всего их в миелиновых оболочках нервов. В клетках перечисленных органов они погружены в липидиую фазу мембран организмов. Состав протеолипндов из различных органов неодинаков. Предполагается, что они обеспечивают физиологическую функцию нервного волокна и участвуют в переносе веществ.

Некоторые функции свободных (плазменных) липопротеидов. Свободные липопротеиды играют транспортную роль, поэтому все четыре типа липопро­теидов называют транспортными формами липидов. Благодаря своей раство­римости в.водной среде они могут переносить липиды, поступающие в кровь при всасывании из кишечника, а также распределять липиды между тканями, одни из которых их синтезируют, а другие используют. К транспортным фор­мам липидов иногда относят комплекс альбумин —г свободные жирные кисло­ты, хотя если подходить строго, то комплекс любого белка крови, который адсорбирует липофильную молекулу, можно отнести к транспортным формам липидов. Поэтому правилБнее говорить о специфической транспортной функ­ции липидов только четырех пока известных липопротеидов.

Липопротеиды переносят глицериды, фосфолипиды, стероиды, а также небольшое количество жирорастворимых витаминов, р-каротина,. ацикличес­ких спиртов. Разное содержание отдельных липидов в липопротеидах указыва­
ет на преимущественный перенос ими соответствующих липидов. В хиломикро- нах и пре-р-липопротеидах основная часть молекулы содержит триглицериды, которые они и транспортируют. p-Липопротеиды переносят главным образом холестерин и в меньшей степени фосфолипиды, а а-липопротенды переносят преимущественно фосфолипиды и в меньшей степени холестерин.

3. Фосфопротеиды

Фосфопротеиды представляют собой белки, у которых остаток фосфата соединен эфирной связью с гидроксильной группой серина. К фосфопротеидам относятся казенны — белкн молока. Фосфопротеиды клеток весьма распро­странены. Фосфорилнрование белка меняет его функцию. С помощью специ­альных ферментов акт фосфорилирования и дефосфорилирования белков (например, фосфорилированиё и дефосфорилирование гликогенфосфорилазы, липазы) регулирует их функцию в клетке. Фосфорилированиё гистонов снижа­ет их способность связываться с ДНК и регулировать матричную активность ДНК.

4. Кофакторпротеиды

Смешанные макромолекулы этого типа состоят из белка и функциональной небелковой части — кофактора. В качестве кофактора могут выступать вита­мины и их производные коферменты, порфиринсодержащие макроциклы, а в простейшем случае — биометаллы.

Кофакторпротеиды могут быть окрашены или бесцветны. Окрашенные сложные белки называются хромопротеидами (от греч. chromos — краска). К ним относятся: гемпротеиды (небелковая часть — гем), хлорофиллпротеиды (небелковая часть — хлорофилл), кобамидпротеиды (небелковая часть — витамин В₁₂), ретинальпротеиды (небелковая часть — витамин А альде­гид), флавопротеиды (небелковая часть — флавины).

Большую часть всех кофакторпротеиДов составляют ферменты. Строение их небелковых компонентов изложено ниже в гл. «Ферменты».

К порфиринсодержащим протеидам относятся гемпротеиды, хлорофилл- протеиды и кобамидпротеиды. В основе химической структуры порфиринов лежит макроцикл — порфин, состоящий из четырех пиррольных колец, соеди­ненных метнленовыми мостиками (строение кольца витамина В, ₂ тоже напо­минает этот макроцикл).