3.6: Ліпіди та мембрани
- Page ID
- 4383
Ліпіди - це широкий клас молекул, які всі мають ту характеристику, що вони мають принаймні частину з них, яка є гідрофобною. До класу молекул належать жири, масла (і їх замінники жирні кислоти), стероїди, жиророзчинні вітаміни, простагландини, гліцерофосфоліпіди, сфінголіпіди. Цікаво, що кожен з них може бути отриманий з ацетил-КоА Можливо, найважливішими ліпідами в наших клітині є жирні кислоти, оскільки вони є компонентами всіх інших ліпідів, за винятком деяких стероїдів і жиророзчинних вітамінів. Складені з карбоксильної групи, пов'язаної з довгим аліфатичним хвостом, жирні кислоти описуються як або насичені (немає подвійних зв'язків), або ненасичені (одна або кілька подвійних зв'язків). Жирні кислоти з більш ніж однією подвійною зв'язком описуються як поліненасичені. Збільшення кількості ненасичених жирних кислот (і кількості ненасичення в даній жирній кислоті) в жирі знижує температуру його плавлення. Це також фактор плинності мембрани. Якщо температура плавлення жиру знижена досить, щоб він був рідиною кімнатної температури, його називають маслом. Варто відзначити, що організми, як риби, які живуть в прохолодних середовищах, мають жири з більшою ненасиченістю. Саме тому риб'ячий жир є багатим джерелом поліненасичених жирних кислот.
Малюнок\(\PageIndex{1}\): Мономерна одиниця хондроїтину сульфату. Хімічна структура однієї одиниці в ланцюзі хондроїтину сульфату.
Жирні кислоти
Можливо, найважливішими ліпідами в наших клітинами є жирні кислоти, оскільки вони є компонентами всіх інших ліпідів, крім деяких стероїдів і жиророзчинних вітамінів. Складені з карбоксильної групи, пов'язаної з довгим аліфатичним хвостом, жирні кислоти описуються як або насичені (немає подвійних зв'язків), або ненасичені (одна або кілька подвійних зв'язків). Жирні кислоти з більш ніж однією подвійною зв'язком описуються як поліненасичені. Збільшення кількості ненасичених жирних кислот (і кількості ненасичення в даній жирній кислоті) в жирі знижує температуру його плавлення. Це також фактор плинності мембрани. Якщо температура плавлення жиру знижена досить, щоб він був рідиною кімнатної температури, його називають маслом. Варто відзначити, що організми, як риби, які живуть в прохолодних середовищах, мають жири з більшою ненасиченістю. Ось чому риб'ячий жир є багатим джерелом поліненасичених жирних кислот.
Гіалуронова кислота
На мелодію «Рудольф червононосий олень»
Записаний Девідом Сіммонсом
Тексти пісень Кевіна Ahern
Гіалуронова кислота
Діє майже чарівним чином
Розміщується безпосередньо під колінною
чашечкою Змащення сміття
Краще, ніж заміна суглоба
Простий як 1-2-3
Якщо це може зупинити біль
Ви буде тримати коліно
Коли біль стає погано
Намагайтеся не сумувати
Просто вийдіть і поговоріть
зі своїм ортопедичним доком
Благайте його використовувати голку
Щоб не робити цього було б злочином
Гіалуронова кислота
Робота там, де сонце не світить
Таблиця\(\PageIndex{1}\): Зверху вниз - вітаміни Е, К і А
| Кількість атомів вуглецю | Ненасиченість | Формула |
Температура плавлення |
|
|---|---|---|---|---|
| пальмітолеїнова | 16 | \( 16: 1-\Delta^{9}\) | \(\mathrm{CH}_{3}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{5} \mathrm{CH}=\mathrm{CH}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{7} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{H}\) | -0.5 |
| олеїнова | 18 | \( 18: 1-\Delta^{9}\) | \(\mathrm{CH}_{3}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{7} \mathrm{CH}=\mathrm{CH}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{7} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{H}\) | 16 |
| лінолева | 18 | \( 18: 2-\Delta^{9,12}\) | \(\mathrm{CH}_{3}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{4} \mathrm{CH}=\mathrm{CH}\left(\mathrm{CH}_{2}\right) \mathrm{CH}=\mathrm{CH}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{7} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{H}\) | -5 |
| ліноленова | 18 | \( 18: 3-\Delta^{9,12,15}\) | \(\mathrm{CH}_{3}\left(\mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}=\mathrm{CH}\right)_{3}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{7} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{H}\) | -11 |
| Арахідонова | 20 | \( 20: 4-\Delta^{5,8,11,14}\) | \(\mathrm{CH}_{3}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{4} \mathrm{CH}=\mathrm{CH}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{4}\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{2} \mathrm{CO}_{2} \mathrm{H}\) | -50 |
Біохімічно подвійні зв'язки, виявлені в жирних кислотах, переважно знаходяться в конфігурації цис. Так звані транс-жири виникають як хімічний побічний продукт часткового гідрування рослинної олії (невеликі кількості трансжирів також відбуваються природним шляхом). У людей споживання трансжирів підвищує рівень ліпопротеїнів низької щільності (ЛПНЩ) і знижує рівень ліпопротеїнів високої щільності (ЛПВЩ). Вважається, що кожен сприяє ризику розвитку ішемічної хвороби серця. Найпоширеніші жирні кислоти в нашому організмі включають пальмітат, стеарат, олеат, ліноленат, лінолеат та арахідонат. Жирні кислоти нумеруються за двома абсолютно різними схемами. Схема дельта-нумерації має карбоксильну групу як #1, тоді як схема числа омега починається на іншому кінці жирної кислоти з метильною групою як #1. Жирні кислоти описуються як необхідні, якщо вони повинні бути в раціоні (не можуть синтезуватися організмом). Тварини, в тому числі і люди, не можуть синтезувати жирні кислоти з подвійними зв'язками за межами положення дельта 9, тому лінолева і ліноленова кислоти вважаються незамінними в цих організмах. У тваринних клітині жири є первинними формами накопичення енергії. Вони також відомі як триацилгліцерини, оскільки складаються з молекули гліцерину, етерифікованої до трьох жирних кислот. Жири синтезуються шляхом заміни фосфату на фосфатидну кислоту жирною кислотою. Жири зберігаються в організмі в спеціалізованих клітині, відомих як адипоцити. Відомі ферменти
оскільки ліпази виділяють жирні кислоти з жирів шляхом реакцій гідролізу. З різних ліпаз, що діють на жир, регулюється гормонально та, яка діє першою, триацилгліцериноліпаза.
Малюнок\(\PageIndex{3}\): Гідроліз жиру
Мембранні ліпіди
Переважними ліпідами, що містяться в мембранах, є гліцерофосфоліпіди (фосфогліцериди) і сфінголіпіди. Перші пов'язані з жирами структурно, оскільки обидва походять з фосфатидної кислоти. Фосфатидна кислота - це простий гліцерофосфоліпідний, який зазвичай перетворюється в фосфатидильні сполуки. Вони виготовляються шляхом етерифікації різних груп, таких як етаноламін, серин, холін, інозитол та інші до фосфату. Всі ці сполуки утворюють ліпідні бішари у водному розчині, завдяки амфіфільної природі їх структури. Хоча структурно схожі з гліцерофосфоліпідами, сфінголіпіди синтезуються повністю незалежно від них, починаючи з пальмітинової кислоти і амінокислоти серину. \(\PageIndex{5}\)На малюнку показана будова декількох сфінголіпідів.
Як і гліцерофосфоліпіди, сфінголіпіди амфіфільні, але на відміну від них, вони можуть мати прості (у цереброзидів) або складні (в гангліозидах) вуглеводи, прикріплені на одному кінці. Більшість сфінголіпідів, крім сфінгомієліну, не містять фосфатів. Стероїди, такі як холестерин також знаходяться в мембранах. Холестерин, зокрема, може відігравати важливу роль в плинності мембран.
Малюнок\(\PageIndex{5}\): Холестерин
Мембрани можна вважати істотою більш «замороженим» або більш «рідким». Плинність важлива для клітинних мембран. При нагріванні мембрани переходять від більш «замороженого» характеру до більш «рідкого» з підвищенням температури. На середину цього переходу, іменовану Tm, впливає жирнокислотний склад ліпідних двошарових сполук. Довші та насичені жирні кислоти сприятимуть більш високим значенням Tm, тоді як ненасиченість та короткі жирні кислоти сприятимуть більш низьким значенням Tm. Цікаво, що холестерин не змінює значення Tm, а натомість розширює діапазон переходу між замороженими та
рідкими формами мембрани.
ліпідні бішари
Мембрана навколо клітин містить багато компонентів, включаючи холестерин, білки, гліколіпіди, гліцерофосфоліпіди і сфінголіпіди. Останні два з них, у воді, утворюють так званий ліпідний бішар, який служить кордоном для клітини, яка значною мірою непроникна для руху більшості матеріалів по ній.
Малюнок\(\PageIndex{6}\): Структури декількох сфінголіпідів
За помітними винятками води, вуглекислого газу, окису вуглецю та кисню, більшість полярних/іонних сполук потребують транспортних білків, щоб допомогти їм ефективно орієнтуватися по бішару. Впорядкований рух цих сполук має вирішальне значення для того, щоб клітина могла 1) отримувати їжу для енергії; 2) експортувати матеріали; 3) підтримувати осмотичний баланс; 4) створювати градієнти для вторинного транспорту; 5) забезпечити електрорушійну силу для нервової сигналізації; і 6) накопичувати енергію в електрохімічних градієнтах для АТФ виробництво (окислювальне фосфорилювання або фотосинтез). У деяких випадках для переміщення речовин потрібна енергія (активний транспорт). В інших випадках зовнішня енергія не потрібна і вони рухаються шляхом дифузії по конкретних клітинних каналах.
Малюнок\(\PageIndex{7}\): Холестерин в ліпідному бішарі
Спонтанна здатність цих сполук утворювати ліпідні бішари використовується при формуванні штучних мембранозних структур, званих ліпосомами. Ліпосоми мають деяке застосування в доставці їх вмісту в клітини за допомогою мембранного злиття.
Малюнок\(\PageIndex{9}\): Ліпосоми
Мембранні протеїни
До інших значущих компонентів клітинних мембран відносяться білки. Ми можемо розкласти їх на кілька категорій. Інтегральні мембранні білки вбудовані в мембрану і проектують через обидві сторони ліпідного бішару. Периферичні мембранні білки вбудовані або щільно пов'язані з частиною бішару, але не проектуються повністю через обидві сторони. Асоційовані мембранні білки знаходяться поблизу мембран, але можуть бути не вбудовані в них. Їх асоціація може виникнути в результаті взаємодії з іншими білками або молекулами в ліпідному бішарі. Закріплені мембранні білки самі не вбудовані в ліпідний бішар, а замість цього прикріплені до молекули (як правило, жирної кислоти), яка вбудована в мембрану.
Малюнок\(\PageIndex{10}\): Види мембранних білків
Геометрія ліпідного бішару така, що є гідрофобною на його внутрішній стороні і гідрофільною на зовнішній. Такі властивості також диктують амінокислотні бічні ланцюжки білків, які взаємодіють з бішаром. Для більшості мембранних білків полярні амінокислоти знаходяться там, де білок проектує через бішар (взаємодіючи з водними/полярними речовинами), а неполярні амінокислоти вбудовані в неполярну частину бішару, що містить хвости жирних кислот. Гліколіпіди та глікопротеїни відіграють важливе значення ролі в клітинній ідентифікації. Групи крові, наприклад, відрізняються один від одного будовою вуглеводних ланцюгів, що виступають з поверхні глікопротеїну в їх мембранах. Клітини мають сотні мембранних білків і білковий склад мембрани змінюється залежно від її функції та розташування. Мітохондріальні мембрани є одними з найбільш щільно упакованих білками. Плазмова мембрана має велику кількість інтегральних білків, які беруть участь в передачі інформації через мембрану (сигналізації) або в транспортуванні матеріалів в клітину.
Мембранний транспорт
Матеріали, такі як їжа та відходи, повинні переміщуватися через ліпідний бішар клітини. Існує два засоби здійснення цього - пасивні процеси і активні процеси. Пасивні процеси мають в якості єдиної рушійної сили процес дифузії. У цих системах молекули завжди переходять від більш високої концентрації до більш низької концентрації. Вони можуть відбуватися безпосередньо через мембрану (вода, кисень, вуглекислий газ та окис вуглецю) або через спеціальні транспортні білки (наприклад, білки переносу глюкози еритроцитів). У кожному конкретному випадку ніяка клітинна енергія не витрачається в русі молекул. З іншого боку, активні процеси вимагають енергії для здійснення такого транспорту. Загальним джерелом енергії є АТФ (див. Na+/K+ATPase), але використовуються багато інших джерел енергії. Наприклад, транспортер глюкози натрію використовує градієнт натрію як силу для активного транспортування глюкози в клітину. Таким чином, важливо знати, що не весь активний транспорт використовує енергію АТФ. Білки, такі як транспортер натрій-глюкоза, які рухають дві молекули в одному напрямку через мембрану, називаються симпортерами (також називаються синпортерами). Якщо дія білка в рухомих іонів через мембрану призводить до зміни заряду, білок описується як електрогенний, і якщо немає змін заряду, білок описується як електронейтральний.
Na+/K + АТ-фаза
Малюнок\(\PageIndex{11}\): Натрій калію ATPase
Іншим важливим інтегральним мембранним протеїном є Na+/K+ АТФаза, яка транспортує іони натрію з клітини і іони калію в клітину. Білок, який описується як антипорт (молекули, переміщені в протилежних напрямках через мембрану), використовує енергію АТФ для створення градієнтів іонів, які важливі як для підтримки осмотичного тиску клітин, так і (в нервових клітиках) для створення градієнтів іонів, необхідних для передачі сигналу. Транспортна система переміщує три атоми натрію з клітини і два атоми калію в клітину для кожного гідролізованого АТФ.
Бактеріородопсин
Цікавим інтегральним мембранним білком є бактеріородопсин. Білок має три однакових поліпептидних ланцюга, кожна повернута на 120 градусів щодо інших. Кожен ланцюг має сім трансмембранних альфа-спіралей і містить одну молекулу сітківки (вітамін А), поховану глибоко в кожній порожнині (показано фіолетовим кольором на нижньому малюнку зліва). Вітамін А чутливий до світла і швидко ізомеризується між цис і транс-формою в присутності світла. Зміна конформації вітаміну А використовується для транспортування протонів через білок і з бактерії, створюючи протонний градієнт через клітинну мембрану, який в кінцевому підсумку використовується для виготовлення АТФ. Не надто складно уявити інженерний організм (скажімо, прозору рибу), щоб містити бактеріородопсин у своїй внутрішній мембрані мітохондрій. Коли світло світиться на ньому, бактеріородопсин може бути використаний для створення градієнта протона (подібно до електронного транспорту) та окислювального фосфорилювання потужності. Така риба була б частково фотосинтетичною тим, що вона отримувала енергію від світла, але відрізнялася б від рослин тим, що не може засвоїти вуглекислий газ у серії «темних реакцій».
Малюнок\(\PageIndex{13}\): Vitamin D
Жиророзчинні вітаміни
Малюнок\(\PageIndex{1}\): Вітамін К
Інші ліпіди слід відзначити жиророзчинні вітаміни - A, D, E, і K. вітамін А поставляється в трьох первинних хімічних формах, ретинол (зберігання в печінці), сітківки (роль у зорі) і ретиноєвої кислоти (ролі в зростанні і розвитку). Вітамін D (холекальциферол) відіграє важливу роль у засвоєнні кишечника кальцію та фосфатів і, отже, у здорових кістках. Отримане в кінцевому підсумку з холестерину, з'єднання може бути синтезовано в реакції, каталізованої ультрафіолетовим світлом. Вітамін Е (токоферол) - вітамін, про який відомо найменше. Він складається з групи з восьми жиророзчинних сполук, з яких альфа-ізомер володіє найбільшою біологічною активністю. Вітамін К (назва походить від німецького для згортання вітаміну) необхідний для згортання крові. Він використовується як кофактор для ферменту, який модифікує протромбін для підвищення його спорідненості до кальцію, дозволяючи розташувати його ближче до місця рани.