evan_gcrm (evan_gcrm) wrote,
evan_gcrm
evan_gcrm

Category:

Введение в биологию. Часть №4

Оригинал взят у caenogenesis


Введение в биологию (начало)
Введение в биологию. Часть №1
Введение в биологию. Часть №2
Введение в биологию. Часть №3

Тема V
ЛИПИДЫ И МЕМБРАНЫ


В отличие от белков или углеводов, липиды не имеют никакой общей формулы. Это просто собирательное название всех гидрофобных биологически активных соединий. Вот, например, холестерин, спирт с огромной гидрофобной частью. Его производные - стероидные гормоны, которые вырабатываются у человека корой надпочечников и половыми железами. Все они относятся к липидам.


холестерин.png

Заодно начнем привыкать к тому, что такие сложные формулы, как правило, не рисуют целиком, до каждого атома. На подобной формуле любой уголок обозначает атом углерода, у которого все свободные валентности по умолчанию заполнены атомами водорода. А если убрать единственную здесь двойную связь, то оставшееся ядро из четырех колец (трех шестиугольников и одного пятиугольника) будет называться замечательным словом “циклопентанпергидрофенантрен”. Это и есть основа для создания разнообразных стероидов, формулами которых загромождать изложение не будем.


Другая важная группа липидов - жирные кислоты, то есть карбоновые кислоты с длинными (10-20 атомов углерода и больше) углеводородными “хвостами”. Чем длиннее “хвост”, тем хуже кислота растворяется в воде. Жирные кислоты, у которых в цепочке более 12 атомов углерода, называют высшими.

Жирные кислоты бывают насыщенные (без двойных связей в углеводородной цепочке) или ненасыщенные (с двойными связями). Насыщенные высшие жирные кислоты при комнатной температуре - твердые вещества, а ненасыщенные - жидкости. Связано это с более компактной упаковкой насыщенных "хвостов", в которых нет создаваемых двойными связями изломов и изгибов.



Несколько примеров жирных кислот: линолевая, олеиновая, пальмитиновая, стеариновая, линоленовая. Ненасыщенные жирные кислоты особенно распространены у растений (например, в растительных маслах).

У насыщенных жирных кислот "хвосты" прямые, у ненасыщенных изогнутые в местах двойных связей. Из-за этого молекула может приобрести причудливую форму, особенно если двойных связей несколько. На картинке - модель молекулы линоленовой кислоты, у которой в "хвосте" три двойных связи.



В водном растворе молекулы жирных кислот и их солей образуют мицеллы - шарообразные скопления, где гидрофобные “хвосты” обращены внутрь, минимизируя контакт с водой, а гидрофильные “головки” - наружу, поскольку они-то взаимодействуют с водой хорошо. Это довольно обычное поведение вещества, в молекуле которого есть одновременно гидрофобная и гидрофильная группы.


Жирные кислоты, а вернее их соли, постоянно используются человеком в качестве моющих средств. На картинке - один из самых распространенных компонентов мыла, стеарат натрия (соль стеариновой кислоты). Четко выделена гидрофильная головка, а остальная часть молекулы представляет собой гидрофобный хвост.

действие мыла.png
Механизм моющего действия мыла следующий. В сосуде слева молекулы мыла просто образуют мицеллу. В сосуде справа они растворяют свои углеводородные хвосты в капле “грязи” (которая, как правило, гидрофобна) и разбивают ее на мелкие капельки, которые легко смыть. Вещества с такой активностью называются детергентами.



Детергенты бывают очень разными по химической структуре; их гидрофильные части могут быть положительно заряженными, отрицательно заряженными или вовсе незаряженными, а просто полярными. Но молекула любого детергента обязательно включает гидрофобный "хвост" и гидрофильную "головку". Довольно много соединений такого типа входит в состав живых организмов.

этерификация.png
Вспомним, что любая карбоновая кислота может образовать с любым спиртом сложный эфир. При этом от кислоты отщепится -OH, от спирта -H, они образуют воду, а остатки кислоты и спирта замыкаются в единую молекулу со сложноэфирной группой -CO-O- посредине. Спиртом, участвующим в этой реакции, вполне может быть и глицерин, у которого гидроксильных групп три. Сложный эфир глицерина и трех жирных кислот называется жиром.



Типичный пример жира, в данном случае ненасыщенного (из трех остатков жирных кислот ненасыщенных тут два). Растительные масла - жидкие, потому что в них больше ненасыщенных жиров, чем у животных. Хотя в целом и насыщенные, и ненасыщенные жирные кислоты есть и у тех и у других, различается только их вклад.



Жиры - ценные источники энергии, именно поэтому они часто запасаются в клетках соединительной ткани у животных, как вот, например, у суслика.



А теперь познакомимся с еще одним важным для нас соединением - фосфорной кислотой (H3PO4). Напомним, что валентность фосфора - 5. На картинке присутствуют два способа изображения молекулы: графическая формула, игнорирующая пространственное расположение связей, и структурная, показывающая его. Вновь будем иметь в виду, что “фосфорная кислота” и “фосфат” (то есть ее соль) в биохимии практически синонимы, в подавляющем большинстве случаев эти понятия свободно заменяются друг на друга.



Сложный эфир глицерина, двух жирных кислот и фосфорной кислоты называется фосфолипидом. Можно сказать, что фосфолипид - это как бы жир, у которого вместо одного из остатков жирных кислот тем же способом присоединен фосфат. Такая молекула состоит из гидрофильной “головки” (включающей остатки глицерина и фосфата) и двух гидрофобных “хвостов” (жирных кислот). При фосфате бывают еще дополнительные боковые цепи, у разных фосфолипидов разные.


Один из самых распространенных фосфолипидов - фосфатидилхолин. Он приведен только в качестве примера. В других фосфолипидах на месте холина может быть аминокислота серин или что-нибудь еще.



Именно из фосфолипидов в основном состоят клеточные мембраны. Тут используется их физическое свойство: собираться в воде в двойной слой гидрофобными “хвостами” внутрь и гидрофильными “головками” наружу. Замкнутый пузырек, образованный таким двойным слоем молекул, называется везикулой. Вся клеточная мембрана - это в некотором смысле сильно разросшаяся везикула.
На картинке показано, как на границе гидрофильного раствора (вода) и гидрофобного (масло) молекулы фосфолипидов ориентируются хвостами в сторону масла, а головками в сторону воды. Если же никакого масла поблизости нет, то молекулы фосфолипидов располагаются головками в сторону воды, а хвостами друг к другу, и получается двойной слой, который сразу замыкается в везикулу, чтобы не было неустойчивых свободных краев. Это чисто физическое явление, которое запросто может иметь место и вне живых клеток.



Вот схема того, как фосфолипиды "собираются" в клеточную мембрану. Молекула фосфолипида нарисована двумя способами - во всех деталях (в качестве примера тут взят уже знакомый нам фосфатидилхолин) и в виде головки с двумя хвостиками. Таким молекулы собираются в двойной слой хвостиками друг к другу, головками к воде. Справа - простейшая схема участка типичной мембраны.



На самом деле биологические мембраны никогда не состоят только из одних фосфолипидов. Типичная клеточная мембрана - фосфолипидный бислой во встроенными в него интегральными белками, которые обычно являются или рецепторными (принимают сигналы из внешней среды и передают их внутрь клетки), или транспортными (переносят те или иные молекулы с одной стороны мембраны на другую). Часть белка, проходящая сквозь образованный "хвостами" внутренний слой мембраны, как правило, представляет собой альфа-спираль, целиком состоящую из гидрофобных аминокислот, боковые цепи которых торчат наружу. Если белок достаточно сложный, таких альфа-спиралей вполне может быть несколько. Кроме того, к мембранным белкам снаружи часто прикреплены ковалентными связями дополнительные цепочки, состоящие не из аминокислот, а из углеводов. Они бывают нужны в первую очередь для взаимодействия между клетками.



Тут мы видим кое-какие дополнительные детали. Во-первых, кроме фосфолипидов в мембране есть холестерин - его молекулы раскрашены желтым (если сравнить с уже знакомой нам формулой холестерина, видно, что каждая молекула своей гидроксильной группой обращена к воде, а массивной гидрофобной частью внутрь мембраны). Во-вторых, изнутри ко многим интегральным белкам прикреплены элементы цитоскелета - внутриклеточной системы опорных структур, тоже состоящей из белков. Но обе эти особенности есть далеко не у всех клеток.
В целом можно назвать как минимум три основные функции липидов: энергетическая (жиры), структурная (фосфолипиды, холестерин) и сигнальная (стероиды). Но надо иметь в виду, что липиды в силу самой природы этого сборного понятия крайне разнообразны, даже при том, что они (в отличие от белков) не являются полимерами. Мы обсудили далеко не все их группы.

ЛИПИДЫ

Молекулу, в которой есть гидрофильная и гидрофобная части, для краткости называют амфифильной. Известно, что при смешивании амфифильного вещества с водой оно может спонтанно "собраться" в везикулы. При этом молекулы липидов образуют двойной слой, очень похожий на липидный бислой клеточных мембран, и можно экспериментально подобрать условия, в которых такое возникновение везикул ускоряется. Искусственные везикулы могут "расти", избирательно пропуская через мембрану и удерживая в себе разные вещества, и могут "делиться" наподобие клеток. Из-за частичной проницаемости мембран внутри везикул поддерживается среда, отличающаяся от окружающего раствора, в которой идут собственные химические реакции. Получается, что простая самоорганизация растворенных липидов внезапно дает свойства, привычные для живых систем - рост, размножение, обмен веществ, поддержание внутренней среды.



Сейчас можно уверенно сказать, что по части мембранной организации между живой и неживой природой нет особого разрыва. На картинке - вероятная эволюция от однослойной мицеллы к двуслойной везикуле, обретающей способность расти, делиться (a) и захватывать крупные молекулы, в том числе несущие генетическую информацию (b).



Компоненты первых везикул могли быть гораздо более простыми, чем фосфолипиды. На фотографиях - искусственно полученные везикулы из смеси карбоновых кислот и сложных углеводородов, найденной в знаменитом Мурчисонском метеорите (слева) и просто из жирной кислоты с 10 атомами углерода (справа).
Заодно сборка первых мембран структурировала живое вещество, разделив его на дискретные порции, то есть, собственно говоря, на клетки. Роль в этом процессе амфифильных молекул, отличающихся способностью к образованию пленок и пузырей, "вполне соответствует представлению о рождении Афродиты из пены морской" (Шноль, 1979).
При всем этом мы пока не знаем, в какой именно момент были "изобретены" первые биологические мембраны и из каких молекул они поначалу состояли. Судя по некоторым фактам, эволюция мембран была непростой и непрямой. Тут надо взглянуть на то, о чем мы пока еще не говорили - на разнообразие мембран у разных живых существ.



Со времен работ великого молекулярного биолога и микробиолога Карла Вёзе (Carl Richard Woese) общепризнано, что все клеточные организмы делятся на три эволюционные ветви: эукариоты, бактерии и археи. Эти ветви имеют ранг доменов, то есть могут включать по несколько царств. У эукариот есть клеточные ядра, у бактерий и архей нет. Кроме того, бактерии и археи никогда не бывают многоклеточными.
Оказалось, что принципы устройства клеточной мембраны, общие для эукариот и бактерий, не распространяются на архей. Устройство мембраны, свойственное эукариотам и бактериям, раньше считалось абсолютно всеобщим, но открытие архей опровергло это.



Сравнение компонентов эукариотных, бактериальных и архейных клеточных мембран показывает следующее:
● Архейные мембранные липиды представляют собой не сложные эфиры (с общей формулой R-CO-O-R), а простые эфиры (с общей формулой R-O-R).
● Углеводородные гидрофобные цепи у архей ветвятся за счет торчащих в стороны метильных групп.
● Самое поразительное - у некоторых родов архей (и только у них) мембрана представляет собой не бислой, а монослой из молекул с двумя гидрофильными головками и длинной гидрофобной цепью между ними.
Все эти химические особенности мембран полезны для жизни в экстремальных условиях, например при высокой температуре или высокой кислотности. И действительно, многие современные археи (но не все!) как раз в таких условиях живут. Значит, налицо просто далеко зашедшее приспособление?



Однако это не все отличия. Еще важнее то, что у бактерий с эукариотами и у архей для синтеза мембранных липидов используются разные оптические изомеры глицеролфосфата, то есть сложного эфира глицерина и фосфорной кислоты (Lombard et al., 2012). У большинства живых организмов в мембраны входит L-изомер глицеролфосфата, но у архей - D-изомер. И вот это уже гораздо труднее объяснить приспособлением к каким бы то ни было внешним условиям - ведь на "обычные" физико-химические свойства мембраны оптическая изомерия не влияет. К тому же показано, что мембрана, включающая оба изомера, будет физически неустойчивой, а ферменты, “работающие” с этими изомерами, различаются настолько, что проще всего предположить их совершенно независимое происхождение.



Может быть, общие предки бактерий, эукариот и архей вообще не имели никакой мембраны, то есть еще не были клетками (Koga et al., 1998)? Или мембрана у них была, но не липидная, а минеральная, железо-серная (Martin et al., 2003)? С другой стороны, генетические данные позволяют думать, что у общего предка всех клеточных форм жизни уже были кое-какие интегральные белки, приспособленные к работе в мембране и бесполезные без нее. В любом случае этот узел еще далеко не распутан.
Tags: Здоровье, Мироустройство, Мнение, Наука
Subscribe
promo evan_gcrm march 28, 2018 19:35 141
Buy for 30 tokens
Основополагающим элементом, основным двигателем всей жизни, является репликатор. Скопированная информация - это и есть «репликатор». На Земле первый репликатор довольно бесспорный - это гены, или информация, закодированная в молекулах ДНК. Точнее это первый репликатор, о котором мы знаем.…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 2 comments