?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Введение в биологию (V)
caenogenesis
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.

  • 1
А почему имено фосфолипиды, а не другие прочие жирные кислоты (или соли) могут собираться в двойные слои?

(Deleted comment)
Ага.

А вот Школь в "Физико-химических факторах биологической эволюции" запросто отождествляет фосфолипиды с детергентами. Он неправ?

(Deleted comment)
>любая карбоновая кислота может образовать с любым спиртом сложный эфир. При этом от кислоты отщепится -OH, от спирта -H

интересно, а это высказывание как проверялось? ну и там будет 100%, или этак 96.5%?

Читаю Ваши статьи, большое спасибо за такое простое объяснение.


Вопрос по поводу везикул появился. Я правильно понимаю, что гидрофобные хвосты фосфолипидов друг к другу сами по себе никак не притягиваются, а их вода заставляет?

Если так, и если многие клетки имеют такие мембраны, то получается, что если такую клетку вытащить из воды, ее мембрана сразу же распадется на молекулы?

Присоединяюсь к вопросу. Тоже есть подозрение, что без воды ничего бы вообще не получилось.

Без воды или без какого-нибудь другого растворителя.

Введение в биологию (сборка)

Пользователь pomarki сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию (сборка)» в контексте: [...] Введение в биологию (V). ЛИПИДЫ И МЕМБРАНЫ [...]

Введение в биологию от caenogenesis

Пользователь m_3713 сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию от caenogenesis» в контексте: [...] Введение в биологию (V). ЛИПИДЫ И МЕМБРАНЫ [...]

Добрый день!
Возникло 2 вопроса:
1. Насыщенность и ненасыщенность жирных кислот. Чем обусловлены эти названия? Понятно, в чем отличие этих кислот, но насыщенность и ненасыщенность в чем выражаются?
2. "Чем длиннее “хвост”, тем хуже кислота растворяется в воде." - почему? Насколько я понимаю, хвост - это сплошные радикалы в виде атомов водорода. Тогда, почему для альфа-АК это преимущество при взаимодействии с водой, а для жирных кислот нет?
Заранее благодарен.
С уважением.

1. Это традиционная терминология химиков-органиков. Имеется в виду насыщенность или ненасыщенность хвоста атомами водорода.
2. А где это я написал, что для альфа-АК хвост - это преимущество при взаимодействии с водой? Чем длиннее хвост, тем хуже любая молекула растворяется в воде.

По п.2 ясно
По п.1. А в чем измеряется и с чем сравнивается насыщенность?
Заранее благодарен

Это не строгая количественная величина. Чем больше двойных связей (при том же количестве атомов углерода), тем меньше атомов водорода = тем меньше насыщенность.

Я правильно понял, что наличие хотя бы одной двойной связи, автоматически указывает га ненасыщенность?
Заранее благодарен.
С укважением.

Добрый день!
А почему, именно, фосфорная кислота?
Заранее благодарен.
С уважением.

  • 1