Сообщение по биологии липиды: Липиды | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Содержание

Липиды | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Вопрос 1. Какие вещества относятся к липидам?

Липиды — обширная группа органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Они малорастворимы в воде, но хорошо растворяются в эфире, бензине, хлороформе и некоторых других растворителях. Большинство липидов состоит из высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина.

Вопрос 2. Какое строение имеет большинство липидов?

Выделяют липиды простые и сложные. Молекулы простых липидов состоят из остатков жирных кислот и спиртов. К этой группе относятся жиры.

Комплексы липидов с молекулами других веществ, например белков и углеводов, относят к группе сложных липидов.

Вопрос 3. Какие функции выполняют липиды?

Энергетическая функция. Она заключается в том, что жиры, как наиболее распространенные липиды, служат ценным источником энергии.

При их расщеплении выделяется энергии в два раза больше, чем при расщеплении такого же количества глюкозы.

Защитная функция. В организме животных и человека жировая ткань предохраняет внутренние органы организма от повреждений при падениях и ударах. А так как жировая ткань плохо проводит тепло, то липиды защищают организм от переохлаждения, что особенно важно для обитателей районов с холодным климатом.

Структурная функция. В клетке липиды выполняют структурную (строительную) функцию: они входят в состав клеточных мембран — тонких плотных пленок, которыми «одеты» все клетки и большинство внутриклеточных органоидов.

Регуляторная функция. Многие гормоны являются производными липидов.

Запасающая функция. Запасы жира в подкожной клетчатке млекопитающих животных позволяют им переживать неблагоприятные периоды, связанные с недостатком корма и воды. Материал с сайта //iEssay.ru

Животные, обитающие в пустынях, значительную часть необходимой для жизнедеятельности воды получают благодаря расщеплению в организме жиров.

Вопрос 4. Какие клетки и ткани наиболее богаты липидами?

Наиболее богаты липидами клетки жировой ткани у животных.

Велика концентрация липидов в семенах некоторых растений, таких как подсолнечник, лен, арахис. А у отдельных видов растений липиды в больших количествах содержатся в плодах. Особенно богаты жирами плоды тропического растения авокадо.

Ученые определили механизм разрушения клеток мозга при болезни Паркинсона

https://ria.ru/20200702/1573785412.html

Ученые определили механизм разрушения клеток мозга при болезни Паркинсона

Ученые определили механизм разрушения клеток мозга при болезни Паркинсона — РИА Новости, 02.07.2020

Ученые определили механизм разрушения клеток мозга при болезни Паркинсона

Шведские ученые разработали новый метод визуализации клеточных процессов и с его помощью увидели, как белок альфа-синуклеина, называемый еще «белком… РИА Новости, 02.07.2020

2020-07-02T12:44

2020-07-02T12:45

наука

швеция

открытия — риа наука

здоровье

биология

болезнь паркинсона

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn25. img.ria.ru/images/07e4/07/02/1573780826_0:80:1440:890_1920x0_80_0_0_f5bf804229bab3f48e0f9f4f14c50c3b.jpg

МОСКВА, 2 июл — РИА Новости. Шведские ученые разработали новый метод визуализации клеточных процессов и с его помощью увидели, как белок альфа-синуклеина, называемый еще «белком Паркинсона», разрушает клеточные мембраны, что в конечном итоге приводит к гибели клеток мозга. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.Болезнь Паркинсона — неизлечимое состояние, при котором нейроны — нервные клетки — постепенно разрушаются, и функции мозга нарушаются. У пациентов с болезнью Паркинсона в мозге присутствуют скопления альфа-синуклеина — «белка Паркинсона». Ученые предполагали, что амилоиды альфа-синуклеина повреждают митохондрии — энергетические станции клеток мозга, но механизм этого повреждения был неизвестен. Амилоиды представляют собой скопления белков, собранных в длинные волокна с хорошо упорядоченной структурой. Их образование лежит в основе многих нейродегенеративных нарушений, в частности они могут разрушать митохондриальные мембраны. Разобраться в молекулярном механизме дегенерации нейронов биологам из Технологического университета Чалмерса в Швеции помог новый метод, который позволяет изучать крошечные количества биологических молекул без использования флуоресцентных маркеров, которые часто влияют на наблюдаемые реакции, особенно при работе с небольшими белками, такими как альфа-синуклеин.Для имитации мембран, обнаруживаемых в клетках, исследователи использовали мембраноподобные липидные капсулы везикул — маленьких внутриклеточных органелл типа пузырьков. Одни из везикул состоят из липидов, которые часто встречаются в синаптических пузырьках, другие содержат липиды, связанные с мембранами митохондрий.Биологи выяснили, что решающим фактором является состав липидных мембран — белок Паркинсона связывался с обоими типами пузырьков, но вызывал структурные изменения только в митохондриально-подобных: они асимметрично деформировались и из них вытекало содержимое.»Мы разработали достаточно чувствительный метод, который позволяет наблюдать, как альфа-синуклеин взаимодействует с отдельными модельными везикулами. В нашем исследовании мы наблюдали, что альфа-синуклеин связывается и разрушает митохондриально-подобные мембраны, но не затрагивает мембраны синаптически-подобных везикул, — приводятся в пресс-релизе университета слова одного из авторов исследования Перниллы Виттунг-Стафшеде (Pernilla Wittung-Stafshede), профессора химической биологии. — Химические различия между двумя используемыми липидами очень малы, но все же мы наблюдали, что альфа-синуклеин воздействовал на разные везикулы по-разному».Разработанный авторами метод позволил наблюдать процесс повреждения, происходящий при очень низких, наномолярных концентрациях альфа-синуклеин, при которых вещество присутствует только в виде мономеров — неагрегированных белков. «Такую низкую концентрацию белка было трудно изучить раньше, — продолжает Виттунг-Стафшеде. — Реакции, которые мы обнаружили, могут внести решающий вклад в борьбу с болезнью».На следующем этапе исследователи планируют изучить мутации альфа-синуклеина, связанные с болезнью Паркинсона и выяснить детали липидных везикул, которые больше похожи на клеточные мембраны. «Мы также хотим провести количественный анализ, чтобы понять на механистическом уровне, как отдельные белки, собирающиеся на поверхности мембраны, могут нанести ущерб», — говорит еще один автор исследования, профессор кафедры физики Фредрик Хёк (Fredrik Höök). Ученые считают, что химический состав липидов — не единственный определяющий фактор. По их мнению, должны также существовать макроскопическое различия между двумя типами мембран.

https://ria.ru/20200513/1571353745.html

https://ria.ru/20191122/1561496320.html

швеция

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn22.img.ria.ru/images/07e4/07/02/1573780826_74:0:1367:970_1920x0_80_0_0_d75d063b7fa90bd0d8f2363b9c5f575c.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

швеция, открытия — риа наука, здоровье, биология, болезнь паркинсона

МОСКВА, 2 июл — РИА Новости. Шведские ученые разработали новый метод визуализации клеточных процессов и с его помощью увидели, как белок альфа-синуклеина, называемый еще «белком Паркинсона», разрушает клеточные мембраны, что в конечном итоге приводит к гибели клеток мозга.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Болезнь Паркинсона — неизлечимое состояние, при котором нейроны — нервные клетки — постепенно разрушаются, и функции мозга нарушаются.

У пациентов с болезнью Паркинсона в мозге присутствуют скопления альфа-синуклеина — «белка Паркинсона». Ученые предполагали, что амилоиды альфа-синуклеина повреждают митохондрии — энергетические станции клеток мозга, но механизм этого повреждения был неизвестен.

Амилоиды представляют собой скопления белков, собранных в длинные волокна с хорошо упорядоченной структурой. Их образование лежит в основе многих нейродегенеративных нарушений, в частности они могут разрушать митохондриальные мембраны.

Разобраться в молекулярном механизме дегенерации нейронов биологам из Технологического университета Чалмерса в Швеции помог новый метод, который позволяет изучать крошечные количества биологических молекул без использования флуоресцентных маркеров, которые часто влияют на наблюдаемые реакции, особенно при работе с небольшими белками, такими как альфа-синуклеин.

Для имитации мембран, обнаруживаемых в клетках, исследователи использовали мембраноподобные липидные капсулы везикул — маленьких внутриклеточных органелл типа пузырьков. Одни из везикул состоят из липидов, которые часто встречаются в синаптических пузырьках, другие содержат липиды, связанные с мембранами митохондрий.

13 мая 2020, 06:22

ДВФУ работает над использованием ИИ для лечения болезни Паркинсона

Биологи выяснили, что решающим фактором является состав липидных мембран — белок Паркинсона связывался с обоими типами пузырьков, но вызывал структурные изменения только в митохондриально-подобных: они асимметрично деформировались и из них вытекало содержимое.

«Мы разработали достаточно чувствительный метод, который позволяет наблюдать, как альфа-синуклеин взаимодействует с отдельными модельными везикулами. В нашем исследовании мы наблюдали, что альфа-синуклеин связывается и разрушает митохондриально-подобные мембраны, но не затрагивает мембраны синаптически-подобных везикул, — приводятся в пресс-релизе университета слова одного из авторов исследования Перниллы Виттунг-Стафшеде (Pernilla Wittung-Stafshede), профессора химической биологии. — Химические различия между двумя используемыми липидами очень малы, но все же мы наблюдали, что альфа-синуклеин воздействовал на разные везикулы по-разному».

Разработанный авторами метод позволил наблюдать процесс повреждения, происходящий при очень низких, наномолярных концентрациях альфа-синуклеин, при которых вещество присутствует только в виде мономеров — неагрегированных белков.

«Такую низкую концентрацию белка было трудно изучить раньше, — продолжает Виттунг-Стафшеде. — Реакции, которые мы обнаружили, могут внести решающий вклад в борьбу с болезнью».

На следующем этапе исследователи планируют изучить мутации альфа-синуклеина, связанные с болезнью Паркинсона и выяснить детали липидных везикул, которые больше похожи на клеточные мембраны.

«Мы также хотим провести количественный анализ, чтобы понять на механистическом уровне, как отдельные белки, собирающиеся на поверхности мембраны, могут нанести ущерб», — говорит еще один автор исследования, профессор кафедры физики Фредрик Хёк (Fredrik Höök).

Ученые считают, что химический состав липидов — не единственный определяющий фактор. По их мнению, должны также существовать макроскопическое различия между двумя типами мембран.

22 ноября 2019, 23:51НаукаУченые назвали новую причину болезни Паркинсона

Лаборатория регуляции липидного обмена – ФГБНУ «ИЭМ»

Краткая история лаборатории

Лаборатория регуляции липидного обмена была создана в отделе биохимии НИИЭМ РАМН в 1997 г. на основе группы генетики липидного обмена, руководимой доктором биологических наук Андреем Петровичем Перевозчиковым.

Основным направлением исследований лаборатории является регуляция экспрессии гена и синтеза аполипопротеина А-I — основного белка антиатерогенных липопротеинов высокой плотности. В гене аполипопротеина А-I выявлены новые неизвестные ранее регуляторные участки, осуществляющие тканеспецифический контроль экспрессии этого белка.

Показана экспрессия гена аполипопротеина А-I в макрофагах и установлено, что аполипопротеин А-I не секретируется во внеклеточную среду, а остается связанным с наружной поверхностью плазматической мембраны. Выявлено, что высокий уровень поверхностного аполипопротеина А-I ассоциирован со сниженной экспрессией фактора некроза опухоли-α и толл-подобного рецептора-4.

Изучена регуляция экспрессии генов аполипопротеина A-I и компонента системы комплемента C3 в гепатоцитах. Выявлены сигнальные каскады и факторы транскрипции, ответственные за подавление синтеза и секреции аполипопротеина A-I гепатоцитами под действием провоспалительного цитокина фактора некроза опухоли-α, гормона инсулина, а также в условиях оксидативного стресса. Детально изучена регуляция C3 в гепатоцитах под действием фактора некроза опухоли-α.

Исследовано влияние аполипопротеина А-I и кассетного транспортера ABCA1 на экспрессию генов и синтез белок скэвенджер-рецепторов макрофагов, ответственных за захват клетками модифицированных липопротеинов низкой плотности.

Кроме того, сотрудниками лаборатории были получены данные о том, что анафилотоксин C3a усиливает захват макрофагами модифицированных липопротеинов низкой плотности, что, в свою очередь, ведет к усилению синтеза и секреции C3. Полученные данные позволяют на молекулярно-клеточном уровне объяснить клинические данные о положительной корреляции между уровнем C3 в крови пациентов и вероятностью атерогенеза.

Помимо этого, разрабатываются подходы к генетической коррекции нарушений липидного обмена за счет привнесения в организм добавочных копий гена аполипопротеина A-I с помощью невирусных методов переноса. Выделено и охарактеризовано новое семейство факторов транскрипции, регулирующих экспрессию ряда генов, кодирующих белки, участвующих в обмене липидов и липопротеинов.

Наиболее значимые публикации за последние 5 лет

Mogilenko D. A., Kudriavtsev I. V., Trulioff A. S., Shavva V. S., Dizhe E. B., Missyul B. V., Zhakhov A. V., Ischenko A. M., Perevozchikov A. P., Orlov S. V. 2012 Modified low density lipoprotein stimulates complement C3 expression and secretion via liver X receptor and toll-like receptor 4 activation in human macrophages // J. Biol. Chem., Vol. 287, N. 8, P. 5954-5968.
Mogilenko D. A., Orlov S. V., Trulioff A. S., Ivanov A. V., Nagumanov V. K., Kudriavtsev I. V., Shavva V. S., Tanyanskiy D. A., Perevozchikov A. P. 2012 Endogenous apolipoprotein A-I stabilizes ATP-binding cassette transporter A1 and modulates Toll-like receptor 4 signaling in human macrophages // FASEB J., Vol. 26, N. 5, P. 2019-2030.

Mogilenko D. A., Kudriavtsev I. V., Shavva V. S., Dizhe E. B., Vilenskaya E. G., Efremov A. M., Perevozchikov A. P., Orlov S. V. 2013 Peroxisome proliferator-activated receptor alpha positively regulates complement C3 expression but inhibits TNFalpha-mediated activation of C3 gene in mammalian hepatic derived cells // J. Biol. Chem. Vol. 288, N. 3, P. 1726-1738.
Shavva V. S., Mogilenko D. A., Dizhe E. B., Oleinikova G. N., Perevozchikov A. P., Orlov S. V. 2013 Hepatic nuclear factor 4alpha positively regulates complement C3 expression and does not interfere with TNFalpha-mediated stimulation of C3 expression in HepG2 cells // Gene Vol. 524, N. 2, P. 187-192.
Shavva V. S., Mogilenko D. A., Bogomolova A. M., Nikitin A. A., Dizhe E. B., Efremov A. M., Oleinikova G. N., Perevozchikov A. P., Orlov S. V. 2016 PPARgamma represses apolipoprotein A-I gene but impedes TNFalpha-mediated ApoA-I downregulation in HepG2 cells // J. Cell. Biochem. Vol. 117, N. 9, P. 2010-2022.

Shavva V. S., Bogomolova A. M., Nikitin A. A., Dizhe E. B., Tanyanskiy D. A., Efremov A. M., Oleinikova G. N., Perevozchikov A. P., Orlov S. V. 2016 Insulin-mediated downregulation of apolipoprotein A-I gene in human hepatoma cell line HepG2: the role of interaction between FOXO1 and LXRbeta transcription factors // J. Cell. Biochem. Epub ahead of print Jul. 12, 2016, doi:10.1002/jcb.25651.
Orlov, S. V., Mogilenko, D., Shavva, V.S., Dizhe, E.B., Ignatovich, I., Perevozchikov, A.P., 2010. Effect of TNFalpha on activities of different promoters of human apolipoprotein A-I gene. Biochem. Biophys. Res. Commun. 398, 224–230. doi:10.1016/j.
bbrc.2010.06.064
Efremov, A.M., Buglaeva, A.O., Orlov, S. V, Burov, S. V, Ignatovich, I.A., Dizhe, E.B., Shavva, V.S., Perevozchikov, A.P., n.d. Transfer of genetic constructions through the transplacental barrier into mice embryos. Ontogenez 41, 94–100

Разработки:

Буров С. В., Яблокова Т. В., Орлов С. В., Перевозчиков А. П. Молекулярный конъюгат на основе синтетических аналогов люлиберина и его применение в клетки гормон-чувствительных опухолей (варианты). Патент РФ № RU 2377247 C2, дата публикации 27.12.2009.
Буров С. В., Орлов С. В., Леко М. В., Перевозчиков А. П., Челушкин П. С. Модульный молекулярный конъюгат для направленной доставки генетических конструкций и способ его получения. Патент РФ № RU 2529034 C2, дата публикации 27.09.2014.

Буров С. В., Иванов И. А., Орлов С. В. Молекулярные конъюгаты с поликатионным участком и лигандом для доставки в клетку и ядро клетки ДНК и РНК. Патент РФ № RU 2537262 C2, дата публикации 27.

12.2014.

Сотрудники лаборатории

Диже Элла Борисовна

Ведущий научный сотрудник, к.б.н.

Сфера научных интересов: биохимия, клеточная биология, методы доставки нуклеиновых кислот в клетки млекопитающих.

Орлов Сергей Владимирович

Старший научный сотрудник, к.б.н.

Сфера научных интересов: молекулярная и клеточная биология, системы межклеточных коммуникаций, регуляция транскрипции у эукариот, молекулярная иммунология, атерогенез.

Основы биохимии липидов в организме человека (Реферат)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Основы биохимии липидов в организме человека»

МИНСК, 2008

Липиды – общее название для всех известных жиров и жироподобных веществ с различной структурой, но общими свойствами (нерастворимость в воде, экстракция неорганическими растворителями). Липид (греч. жирный).

В организме человека 10-20 % жиров от массы тела. Липиды бывают:

Протоплазматические – входят в состав всех структур клеток, органов и тканей и практически остаются на одном уровне в течение всей жизни. Они составляют 25% всего жира в организме.

Резервные липиды – запасаются в организме, и их количество меняется в зависимости от возраста, пола, условий питания, видов деятельности.

Функции липидов в организме:

1 – пластическая функция: они участвуют в построении мембран клеток всех органов и тканей и образовании многих биологически важных соединений (гормоны, жирорастворимые витамины).

2 – энергетическая функция: липиды обеспечивают 25-30 % энергетических потребностей организма. Распад 1 г жира – 9,3 ккал.

3 – жиры являются запасными питательными веществами, их депо – подкожная клетчатка, околопочечная капсула.

4 – защитная функция липидов: они участвуют в терморегуляции, защищают кожу от высыхания, органы – от сотрясений.

5- выполняют функцию защитных оболочек, предохраняющих от инфекции или излишней потери или накопления воды.

6 — обеспечивают всасывание жирорастворимых витаминов

Классификация липидов:

1 – простые или нейтральные жиры (эфиры жирных кислот и спиртов).Нейтральные жиры находятся в организме либо в форме протоплазматического жира, являющегося структурным компонентом клеток, либо в форме запасного, резервного жира.

2 – сложные жиры, представляют собой эфиры трехатомного спирта глицерина, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Среди сложных жиров выделяют: фосфолипиды, гликолипиды, сфигномиелины. Сфинголипиды находятся в мембранах животных и растительных клеток.

3 – производные липидов. К ним относятся все соединения, которые нельзя четко отнести к простым или сложным липидам, например, стероиды, каротиноиды и витамины липидной природы.

4- воска – например, ланолин, смесь эфиров холестерина.

Воска – это сложные эфиры образуемые насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами и спиртами.

В нейтральных жирах обнаруживаются :

Жирные кислоты.

Жирные кислоты получили свое название от способа их выделения из жиров. Это карбоновые кислоты с длинной алифатической цепью.

Природные жирные кислоты весьма разнообразны. Большинство жирных кислот представляют собой монокарбоновые кислоты, содержащие линейные углеводные цепи с четным числом атомов . Содержание ненасыщенных жирных кислот выше, чем насыщенных. Ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления.

Свойства жирных кислот.

Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты сильно различаются по своей структурной конфигурации. В насыщенных жирных кислотах углеводородный хвост в принципе может принимать множество конформаций вследствие полной свободы вращения вокруг концевой ординарной связи.

В ненасыщенных кислотах наблюдается иная картина: невозможность вращения вокруг двойной связи обеспечивает жесткий изгиб углеводородной цепи.

Природные жирные кислоты, как насыщенные так и ненасыщенные не поглощают свет ни в видимой, ни в УФ области. Спектрофотометрически определяются только после изомеризации (230-260 нм). Ненасыщенные определяются методом количественного титрования. Анализ сложных смесей жирных кислот осуществляется методом газожидкостной хроматографии.

Насыщенные –пальмитиновая, стеариновая, липоцериновая кислоты

Ненасыщенные: арахидоновая, олеиновая, линолевая, линоленовая.

Растительные жиры состоят в основном из ненасыщенных жирных кислот.

Липиды являются обязательной составной частью сбалансированного пищевого рациона человека. Соотношение белков, липидов и углеводов должно быть 1:1:4.

Значение жиров весьма многообразно. Высокая калорийность придает им особую ценность. Жиры являются растворителями витаминов А,Д,Е и др. С жирами в организм вводятся некоторые ненасыщенные кислоты, которые относят к незаменимым жирным кислотам (линолевая, линоленовая, арахидоновая), которые не синтезируются у человека и животных. С жирами в организм поступает комплекс биологически активных веществ: фосфолипиды, стерины.

Триацилглицеролы – основная их функция – запасание липидов. Они находятся в цитозоле в виде мелкодисперсных эмульгированных маслянистых капелек.

Сложные жиры :

Фосфолипиды – основные компоненты мембран клеток и субклеточных органелл, составляют большую часть тканей мозга, нервов, печени, сердца, принимают участие в биосинтезе белка, активации протромбина, транспорта липидов и жирорастворимых витаминов в крови и лимфе. Состоят из глицерина и двух молекул жирных кислот, одна из которых насыщенная. а другая – ненасыщенная + азотистое основание.

Липопротеиды.

Полярные липиды ассоциируют с некоторыми специфическими белками, образуя липопротеиды, из которых наиболее известны транспортные липопротеиды, присутствующие в плазме крови млекопитающих.

В таких сложных липидах взаимодействие между липидами и белковыми компонентами осуществляются без участия ковалентных связей.

Липопротеиды содержат обычно как полярные, так и нейтральные липиды, а также холестерин и его эфиры. Они служат той формой, в которой липиды транспортируются из тонкого кишечника в печень и из печени в жировую ткань, а также в другие ткани.

В плазме крови было обнаружено несколько классов липопротеидов, их классификация основана на различиях в их плотности. Липопротеиды с разным соотношением липида и белка могут быть разделены в ультрацентрифуге.

Самыми легкими липопротеидами являются хиломикроны: крупные структуры, содержащие около 80% триацилглицеринов, 7% фосфоглицеридов, 8% холестерина и его эфиров и 2% белка.

Бетта-липопротеиды плазмы крови содержат 80-90% липидов, а альфа-липопротеиды – 40-70%.

Точная структура липопротеидов пока неизвестна, но имеются основания считать, что белковая цепь располагается на внешней поверхности, где она образует тонкую гидрофильную оболочку вокруг мицеллярной липидной структуры. В жирах или триглицеридах запасается большая часть энергии, выделяющаяся в результате химических реакций.

Наряду с неполярными существуют полярные липиды. Они составляют главные компоненты клеточных мембран. В мембранах локализованы многочисленные ферменты и тарнспортные системы. Многие свойства клеточных мембран обусловлены наличием в них полярных липидов.

Мембранные липиды:

Мембранные липиды наряду с углеводородными цепями содержат одну или несколько сильно полярных “голов”. В небольшом количестве в мембранах присутствуют фосфолипиды. Основной их компонент – фосфоглицериды- содержат 2 остатка жирных кислот, этерифицирующих первую и вторую гидроксильные группы глицерола. Третья гидроксильная группа образует сложно-эфирную связь с фосфорной кислотой. Гидролизуется при нагревании с кислотами и щелочами, а также ферментативным путем – под действием фосфолипаз.

Сфинголипиды – второй класс мембранных липидов, они имеют полярную голову и два неполярных хвоста, но не содержат глицерола.

Делятся на 3 подкласса: сфингомиелины, цереброзиды и ганглеозиды.

Сфингомиелины содержатся в миелиновых оболочках нервных клеток определенного типа. Церброзиды –в мембранах клеток мозга. Ганглеозиды – важные компоненты расположенных на поверхности клеточных мембран специфических рецепторных участков. Они находятся в тех специфических участках нервных окончаний где происходит связывание молекул нейромедиатора в процессе химической передачи импульса от одной нервной клетки к другой.

Внешние или плазматические мембраны многих клеток, а также мембраны ряда внутриклеточных органелл, например, митохондрий и хлоропластов изучены. Во всех мембранах имеются полярные липиды.

Липидная часть мембраны представляет собой смесь полярных липидов. Природные мембраны характеризуются малой толщиной (6-9нм) и эластичностью. Через мембраны легко проходит вода, но они практически не проницаемы для зараженных ионов типа натрия, хлора или водорода и для полярных, но не зараженных молекул сахаров. Полярные молекулы проникают с помощью специфических переносчиков транспортной системы.

Фосфоглицериды, сфинголипиды, гликолипиды и воска часто называют омыляемыми липидами , поскольку при их нагревании образуются мыла (в результате отщепления жирных кислот). В клетках также содержатся в меньшем количестве неомыляемые липиды, они не гидролизуются с освобождением жирных кислот.

польза или вред? — ФГБУ «НМИЦ ТПМ» Минздрава России

Жиры для нашего организма являются источником энергии. При сгорании один грамм жира «отдает» 9 ккал.

Но не только!

Жир является своего рода «строительным» материалом для построения и обновления клеток и тканей. Жиры различаются как по происхождению (животные и растительные), так и по содержанию жирных кислот (насыщенные, ненасыщенные, в том числе моно- и полиненасыщенные).

Зачем он нужен, этот жир?

Достаточное количество жирных кислот, поступающих с пищей в наш организм, нужно для поддержания баланса гормональных, обменных, клеточных и других биологических процессов. Так, фосфолипиды препятствуют сильному оседанию холестерина на стенках сосудов, витамин А полезен для зрения и роста, витамин D отвечает за фосфорно-кальциевый обмен, а витамин Е — прекрасный антиоксидант. Оптимальное количество жиров в составе продуктов питания необходимо и для липидного обмена, выработки клеточных гормонов, стабильности клеточных мембран.

Большее содержание в липидном слое клеток полиненасыщенных жирных кислот, особенно Омега-3, снижает свертываемость крови, препятствует образованию тромбозов, способствует высокому уровню чувствительности клеток печени и мышц к инсулину, способствует лучшему восприятию импульсов мышечными клетками сердца. Сколько можно без вреда? Ваш рацион может считаться сбалансированным, если его калорийность обеспечивается питательными веществами в следующих пропорциях. Доля углеводов должна составлять 55-70% (в том числе 10% — «простых» углеводов), доля белков — 10-15%, жиров — 20-30%. Как видите, на жиры приходится примерно третья часть калорийности. В пересчете на 1 кг веса человека нормальной комплекции это примерно 1 грамм жира.

Следовательно, ваша дневная норма жиров — 60-70 грамм. Старайтесь при их употреблении (включая приготовление пищи) придерживаться принципа 50/50, то есть растительных и животных жиров в течение дня вы должны употреблять поровну.

Достичь этого можно, зная содержание жира в продуктах. Например, 2 столовые ложки растительного масла — это 30 грамм жира; в 20 граммах сливочного масла содержится 15 граммов жира, в 100 граммах 5-процентного творога или в 30 граммах сыра жирностью 17% доля жира составит 5 граммов. В одном стакане молока или кефира (жирностью 3,2%) будет содержаться около 8 граммов жира. В нежирной говядине (весом примерно 80-90 граммов) доля жира составит 7 граммов, а в рыбе средней жирности (порция в 140 граммов) — 5-10 граммов жира.

Чего избегать?

Особое внимание сегодня уделяется трансжирам и пальмовому маслу, и их влиянию на здоровье. Если говорить о пальмовом масле, то само по себе оно невредно, и даже содержит витамин Е. Опасные для здоровья свойства оно начинает приобретать, если в продуктах (особенно в кондитерских изделиях из магазинов) присутствуют низкокачественные фракции этого масла.

Большую опасность могут представлять трансжиры — промышленно переработанные в твердый маргарин растительные масла. Именно эти жиры наиболее вредны для здоровья, поскольку их потребление провоцирует ожирение, развитие атеросклероза, сахарного диабета, воспалительных процессов в суставах. Много таких жиров содержится в кондитерских изделиях, а также в продуктах, которые готовятся во фритюре — в чипсах, крекерах. Поэтому от употребления таких продуктов лучше воздержаться, особенно тех, где вредные жиры сочетаются с сахаром или солью. К мягким маргаринам-спрэдам лучше тоже относиться с осторожностью, внимательно читая надписи на их упаковках и сведя их потребление к минимуму.

Что выбрать?

Как мы уже говорили, ваш ежедневный рацион должен содержать жиры — растительные и животные в равных пропорциях. Разнообразьте меню растительными маслами — подсолнечным, оливковым, соевым, кукурузным, льняным. Они очень полезны для обменных процессов, способствуют профилактике атеросклероза и даже обладают желчегонным действием. Не исключайте животные жиры. По возможности обогатите свой рацион рыбой. Ее потребление оптимально дважды в неделю, в том числе один раз в неделю можно съесть и рыбу жирных сортов (лосось, палтус, скумбрия).

Самое главное в использовании жиров — это разумный подход к их выбору и употреблению.

Только в этом случае и растительные масла, и животные жиры принесут вашему организму не вред, а пользу.

Автор статьи: Рузанна Азатовна Еганян, кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник ФГБУ «НМИЦ профилактической медицины» Минздрава России

Строение, свойства и функции липидов

Строение липидов, жирные кислоты

Липиды – достаточно большая группа органических соединений, присутствующие во всех живых клетках, которые в воде не растворяются, но в неполярных органических растворителях растворяются хорошо (бензине, эфире, хлороформе, бензоле, и др.).

Замечание 1

Липиды отличаются большим разнообразием химической структуры, однако настоящие липиды – это сложные эфиры жирных кислот и любого спирта.

У жирных кислот молекулы небольшие и имеют длинную цепь, состоящую чаще всего из 19 или 18 атомов углерода. В состав молекулы также входят атомы водорода и карбоксильная группа (-СООН). Их углеводородные «хвосты» гидрофобные, а карбоксильная группа гидрофильная, потому легко образуются эфиры.

Иногда в жирных кислотах присутствует одна или несколько двойных связей (С – С). В этом случае жирные кислоты, а также липиды, которые их содержат, называются ненасыщенными.

Жирные кислоты и липиды, в молекулах которых отсутствуют двойные связи, называются насыщенными. Они образуются присоединением дополнительной пары атомов водорода по месту двойной связи ненасыщенной кислоты.

Ненасыщенные жирные кислоты плавятся при более низких температурах, чем насыщенные.

Пример 1

Олеиновая кислота (Тпл. = 13,4˚С) при комнатной температуре жидкая, тогда как пальмитиновая и стеариновая кислоты (Тпл. составляет 63,1 и 69,9˚С соответственно) при этих условиях остаются твёрдыми.

Определение 1

Большинство липидов — это сложные эфиры, образованные трёхатомным спиртом глицерином и тремя остатками жирных кислот. Эти соединения называют триглицеридами, или триацилглицеролами.

Готовые работы на аналогичную тему

Жиры и масла

Липиды делятся на жиры и масла. Это зависит от того, в каком состоянии они остаются при комнатной температуре: твёрдом (жиры), или жидком (масла).

Температура плавления липидов тем ниже, чем большая в них доля ненасыщенных жирных кислот.

В маслах, как правило, больше ненасыщенных жирных кислот, чем в жирах.

Пример 2

В организме животных, обитающих в холодных климатических зонах (рыбы арктических морей) обычно больше ненасыщенных триацилглицеролов, чем у обитателей южных широт. Потому их тело сохраняет гибкость и при низких температурах окружающей среды.

Функции липидов

К важным группам липидов относятся также

стероиды (холестерол, желчные кислоты, витамин D, половые гормоны, и др.),
терпены (каротиноиды, витамин К, вещества роста растений – гиббереллины),
воски,
фосфолипиды,
гликолипиды,
липопротеиды.

Замечание 2

Липиды являются важным источником энергии.

В результате окисления липиды дают вдвое больше энергии, чем белки и углеводы, то есть являются экономичной формой сохранения запасных питательных веществ. Это связано с тем, что липиды содержат больше водорода и совсем мало кислорода в сравнении с белками и углеводами.

Пример 3

Впадающие в спячку животные накопляют жиры, а растения в состоянии покоя – масла. Тратят их позже в процессе жизнедеятельности. Благодаря высокому содержанию липидов, семена растений обеспечивают энергией процесс развития зародыша и ростка, пока он не перейдёт к самостоятельному питанию. Семена многих растений (подсолнечника, сои, льна, кукурузы, горчицы, кокосовой пальмы, клещевины и др.) являются сырьём для получения масел промышленным способом.

Благодаря нерастворимости в воде липиды являются важным структурным компонентом клеточных мембран, состоящих в основном из фосфолипидов. Кроме того, они содержат гликолипиды и липопротеиды.

Благодаря низкой теплопроводности липиды выполняют защитные функции, то есть обеспечивают теплоизоляцию организмов.

Пример 4

Многие позвоночные животные имеют хорошо развитый подкожный жировой слой, что даёт им возможность жить в холодных условиях, а у китов он выполняет немного другую функцию – способствует плавучести.

Важно отметить также функцию жира как источника воды. Во время окисления 100 г жира образуется приблизительно 105 г води.

Пример 5

Такая метаболическая вода для некоторых обитателей пустынных регионов очень важна. Верблюд способен обходиться без воды 10 – 12 суток. Жир, запасающийся в его горбу, используется именно для этого. Необходимую для жизнедеятельности воду, полученную в процессе окисления жиров, используют и животные, впадающие в спячку (медведи, сурки, ежи и др.).

Урок 2. Липиды, их структура и функции

Липиды – небольшие молекулы, их молекулярная масса составляет несколько сотен дальтон. Обычно в молекулах липидов имеются и гидрофильные, и гидрофобные группы, но в целом липиды имеют гидрофобные свойства. Липиды плохо растворимы в воде, зато хорошо растворяются в органических растворителях (спирте, ацетоне, хлороформе). Исторически липиды были выделены в отдельный класс веществ именно по этому признаку – как соединения, растворимые не в воде, а в менее полярных органических растворителях. К липидам относятся такие соединения, как фосфолипиды, нейтральные жиры, стероиды и воска. В живых организмах липиды выполняют несколько важных функций.

Структурная функция

Все клетки отграничены от окружающей среды наружной мембраной, которая примерно наполовину (по массе) состоит из липидов и наполовину – из белков. Способность липидов выполнять структурную функцию не ограничивается клеточным уровнем: медоносная пчела лепит свои соты из воска, из воскоподобных веществ состоит и кутикула наземных растений – тонкий слой на поверхности листьев и стеблей, уменьшающий испарение.

Энергетическая функция

Клетка может окислять липиды и использовать выделяющуюся энергию для своих нужд. При окислении нейтральных до углекислого газа и воды жиров выделяется много энергии – около 9,3 килокалорий на грамм. Жиры часто служат запасными питательными веществами. У высших позвоночных животных для этой цели используется особая ткань – жировая клетчатка. У растений запасы жиров нередко встречаются в семенах.

Регуляторная функция

Важнейшими регуляторами физиологических процессов в организме являются гормоны. Среди них встречаются соединения различной структуры. Особую группу составляют т. н. стероидные гормоны, которые относятся к классу липидов. Производными жирных кислот являются важные регуляторы клеточных функций простагландины (их иногда называют тканевыми гормонами).

Липиды могут выполнять и ряд других функций. Так, накопление липидов организмами планктона и нектона уменьшает их удельный вес и облегчает плавание в толще воды (такой механизм используют также акулы). Подкожная жировая клетчатка может служить механической защитой для внутренних органов, а у теплокровных животных она является теплоизолятором.

В молекулах фосфолипидов присутствуют различные по химическим свойствам составные части: «головка» и два «хвоста». В состав головки входят остатки глицерина, фосфорной кислоты и спирта. «Головка» гидрофильна и электрически заряжена, вода охотно с ней взаимодействует. «Хвосты» представляют собой остатки жирных кислот, содержащие множество СН₂-групп. Поляризация связи С–Н очень слабая, так что «хвосты» вполне гидрофобны, и они «стремятся» избежать взаимодействия с водой.

Рис. 1. Фосфолипид фосфатидилхолин

В состав фосфолипидов входят как насыщенные жирные кислоты, не содержащие двойных связей, так и ненасыщенные. Очень распространенными жирными кислотами являются пальмитиновая CH₃(CH₂)₁₄COOH, стеариновая CH₃(CH₂)₁₆COOH, олеиновая CH₃(CH₂)₇–СH=CH–(CH₂)₇COOH, пальмитоолеиновая CH₃(CH₂)₅–СH=CH–(CH₂)₇COOH. В состав одной молекулы фосфолипида обычно входят остатки разных жирных кислот, причем ненасыщенная жирная кислота обычно располагается ближе к фосфату. Природные липиды содержат в основном цис-изомеры ненасыщенных жирных кислот. Транс-изомеры образуются при искусственной переработке растительных жиров – например, при получении маргарина. В последнее время выяснилось, что потребление транс-изомеров жирных кислот вредно для здоровья: оно увеличивает риск возникновения атеросклероза и онкологических заболеваний.

Рис. 2. Ионы пальмитиновой и олеиновой кислот

Если молекулы фосфолипидов поместить на поверхность водного слоя, то, очевидно, что гидрофильные «головки» будут обращены в воду, а гидрофобные «хвосты» будут выталкиваться из воды. Образуется монослой – поверхностная пленка толщиной в одну молекулу. Если же «затолкать» молекулы фосфолипидов в воду целиком, то тогда «головки» будут обращены к воде (наружу), а «хвосты» – от воды (внутрь). Такие небольшие скопления молекул называются мицеллами.

Рис. 3. Структуры, образуемые фосфолипидами в воде

К образованию мицелл более склонны не фосфолипиды, а жирные кислоты, имеющие только один гидрофобный «хвост» – мицеллы получаются, например, при растворении мыла в воде

Фосфолипиды чаще образуют другую структуру – липидный бислой. В составе бислоя молекулы фосфолипидов располагаются в два ряда: «головки» будут обращены к воде, а «хвосты» упрятаны внутрь. Липидный бислой составляет основу всех клеточных мембран – мембрана представляет собой «липидное озеро», в котором плавают белки.

Липидный бислой непроницаем для заряженных ионов – они не могут проникнуть через его гидрофобную центральную зону. Для того чтобы транспортировать ионы через мембрану, в клетке имеются специальные белки-переносчики. Через бислой не могут пройти крупные молекулы – белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Липидный бислой проницаем для небольших гидрофобных молекул, а также для совсем мелких полярных, но не заряженных – таких как Н₂О, СО₂, а также О₂.

Нейтральные жиры представляют собой эфиры глицерина и остатков трех жирных кислот. Они более гидрофобны, чем фосфолипиды, и располагаются внутри клетки в виде нерастворимых жировых включений.

Рис. 4. Модель молекулы тристеарата

В состав жиров также могут входить остатки насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Первые преобладают в животных жирах, а вторые – в растительных. Насыщенные жирные кислоты имеют более высокую температуру плавления, поэтому подсолнечное масло при комнатной температуре является жидкостью, а сливочное масло и говяжий жир – твердыми телами. В состав жиров сливочного масла входят насыщенные кислоты с меньшим числом углеродных атомов, чем у жиров говяжьего жира, поэтому сливочное масло плавится при меньшей температуре. Как и молекулы фосфолипидов, молекулы нейтральных жиров обычно содержат остатки разных жирных кислот.

Жирные кислоты могут синтезироваться из углеводов и аминокислот, из-за этого ожирение наступает при избыточном питании не только жирами, но и другими продуктами.

Еще один класс липидов – стероиды. Это небольшие гидрофобные молекулы, производные холестерина. Они содержат в своем составе систему связанных углеводородных колец – три шестиатомных и одно пятиатомное. Стероидами являются такие гормоны надпочечников, как глюкокортикоиды (например, кортизол), играющие важнейшую роль в развитии стресса, и минералокортикоиды (альдостерон), уменьшающие выведение почками воды и ионов натрия из организма. К стероидным относятся мужские и женские половые гормоны (тестостерон и эстрадиол), а также прогестины (прогестерон).

Рис. 5. Холестерин и два стероидных гормона

В печени из холестерина синтезируются желчные кислоты, которые затем поступают в желчь. Эти соединения содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группы. В водной среде они легко образуют мицеллы. В просвете кишечника в эти мицеллы включаются молекулы жиров из съеденной пищи – сами по себе нейтральные жиры почти нерастворимы, а в составе мицелл образуют эмульсию и становятся доступными для действия пищеварительных ферментов.

Сам холестерин – не гормон, а необходимый компонент клеточных мембран у высших организмов; у бактерий он встречается редко.

Интересен механизм действия стероидных гормонов на клетки-мишени. Стероиды – это небольшие гидрофобные молекулы, они легко проникают через наружную мембрану клетки. Белки-рецепторы, связывающие эти гормоны, расположены в цитоплазме. После связывания со стероидом белок-рецептор активируется и идет из цитоплазмы в ядро. В ядре гормон-рецепторный комплекс связывается с ДНК и регулирует активность некоторых генов (ДНК и гены рассматриваются на уроке 8). Каждый класс стероидных гормонов имеет свои собственные рецепторы и регулирует только определенные гены.

Рис. 6. Механизм действия стероидных гормонов

Так, глюкокортикоиды – гормоны стресса – активируют различные гены, отвечающие за обеспечения организма энергией, и угнетают гены, отвечающие за накопление запасных питательных веществ. Ведь стрессовая реакция служит для мобилизации организма на борьбу или бегство, а тут уж не до запасания. Минералокортикоиды активируют гены фермента Na⁺/K⁺–АТФазы, который возвращает в кровь из первичной мочи натрий, а вместе с ним и воду.

Еще одна группа важнейших регуляторов жизнедеятельности организма – это простагландины. Они образуются из арахидоновой кислоты – одной из полиненасыщенных жирных кислот. Сперва простагландины были обнаружены в предстательной железе – простате – с чем и связано их название, однако вскоре они были найдены в самых разных клетках, тканях и органах.

Простагландины иногда называют тканевыми гормонами. Дело в том, что в организме у них довольно короткое время жизни, поэтому они действуют локально, в том же органе, в котором и вырабатываются.

Рис. 7. Слева – арахидоновая кислота, справа – простагландин Е2

Существует много разных классов простагландинов, они обладают различным, иногда прямо противоположным физиологическим действием. Так, простагландин Е2 расширяет стенки кровеносных сосудов, увеличивает их проницаемость, это вещество вырабатывается при воспалении и вызывает многие его симптомы. Простагландин F2 действует на сосуды противоположным образом – сужает и уменьшает проницаемость – он обладает противовоспалительным действием. Однако при беременности эти соединения действуют одинаково, усиливая сокращения гладкой мускулатуры матки.

Простагландин I2 (простациклин) препятствует агрегации тромбоцитов и тормозит свертывание крови, тогда как тромбоксан А2 (очень похожее на простагландины вещество, тоже синтезируемое из арахидоновой кислоты) активирует эти два процесса.

Еще один класс производных арахидоновой кислоты – лейкотриены – играют ключевую роль в развитии такой тяжелой болезни как бронхиальная астма. Они вызывают сокращение гладких мышц дыхательных путей, что приводит к спазму бронхов и неукротимому кашлю, без специальной медицинской помощи больной может задохнуться и умереть.

Широко распространенное лекарство аспирин угнетает синтез простагландинов. Оно обладает противовоспалительным и жаропонижающим действием.

В организме человека всасывание липидов происходит в тонком кишечнике. Жирные кислоты и глицерин поступают из просвета кишки в клетки эпителия кишечника. Там из них синтезируются нейтральные жиры, которые в комплексе со специальными белками и холестерином образуют особые частицы диаметром 0,1–1 мкм – хиломикроны. Хиломикроны поступают из клеток кишечника в лимфатическую систему, затем в кровоток и разносятся по всему организму.

Кроме хиломикронов, перенос жиров от одной ткани к другой осуществляют т. н. липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП). Они образуются в печени – там синтезируется и белковая, и жировая часть этих комплексов, а к другим тканям переносятся с кровотоком. ЛПОНП также содержат холестерин. После усвоения жиров различными тканями организма липопротеиновые частицы, содержащие холестерин, становятся т. н. липопротеинами низкой плотности (ЛПНП). На поверхности почти всех клеток человеческого организма есть специальные белки–рецепторы ЛПНП. Когда ЛПНП связываются с этими рецепторами, клетка поглощает их, внутри клетки холестерин освобождается и используется для клеточных нужд.

Рис. 8. Усвоение холестерина клеткой через ЛПНП

При развитии опасного заболевания, атеросклероза, холестерин начинает откладываться на стенках кровеносных сосудов, образуя т. н. склеротические бляшки. Это может привести к закупорке и повреждению сосудов. Больным атеросклерозом часто назначают диету с пониженным содержанием холестерина, однако этот липид в значительных количествах вырабатывается в самом организме, так что такая диета не может предотвратить развитие заболевания.

Механизм развития атеросклероза изучен далеко не полностью. По-видимому, на первом этапе происходит самопроизвольное окисление жирных кислот, содержащихся в ЛПНП. Такие «испорченные» липопротеины откладываются на стенках кровеносных сосудов, что вызывает прикрепление к измененной сосудистой стенке защитных клеток – макрофагов. Макрофаги, прикрепленные к стенке сосуда, начинают активно поглощать из плазмы крови холестерин, причем не через рецепторы ЛПНП, а через совсем другие, т. н. рецепторы-мусорщики. Макрофаг оказывается напичканным холестерином, он и дает начало склеротической бляшке. Известно, что у людей с наследственными дефектами рецепторов ЛПНП атеросклероз развивается уже в детском возрасте.

Запасание триглицеридов происходит в специальной ткани – жировой клетчатке. При голодании в клетках этой ткани происходит распад триглицеридов, и свободные жирные кислоты переносятся к другим органам белком плазмы крови – сывороточным альбумином.

Краткое содержание урока

Липиды – небольшие, довольно гидрофобные молекулы, выполняющие в клетке несколько важнейших функций – структурную, энергетическую, регуляторную. При окислении жиров выделяется много энергии, что делает их особенно удобным запасным питательным веществом. Фосфолипиды образуют в водной среде бислой, который служит основой всех биологических мембран. Стероидные гормоны регулируют целый ряд функций организма – стрессовую реакцию, водный баланс, половую функцию.

Биологические функции липидов

В настоящее время известно, что липиды играют в организме гораздо более важную роль, чем считалось ранее. Ранее было известно, что липиды играют роль только хранения энергии или формирования клеточных мембран. Исследователи обнаружили, что липиды играют гораздо более разнообразную и широко распространенную биологическую роль в организме с точки зрения внутриклеточной передачи сигналов или местной гормональной регуляции и т. Д.

Липиды синтезируются в организме с помощью сложных биосинтетических путей.Однако есть некоторые липиды, которые считаются незаменимыми и нуждаются в добавках в рацион.

В 1929 году, например, Джордж и Милдред Берр продемонстрировали, что линолевая кислота является важным элементом питания. Бергстрём, Самуэльссон и другие в 1964 году дополнили знания о роли липидов в организме, обнаружив, что арахидонат незаменимых жирных кислот является биосинтетическим предшественником простагландинов с их действием на воспаление и другие заболевания.

В 1979 году был открыт первый биологически активный фосфолипид, фактор активации тромбоцитов, и возросла осведомленность о фосфатидилинозитоле и его метаболитах в клеточных сигналах и обмене сообщениями.

Роль липидов в организме

Липиды выполняют несколько функций в организме, в том числе действуют как химические посредники, хранят и снабжают энергией и так далее.

Химические посыльные

Все многоклеточные организмы используют химические мессенджеры для передачи информации между органеллами и другими клетками. Поскольку липиды представляют собой небольшие молекулы, нерастворимые в воде, они являются отличными кандидатами для передачи сигналов. Сигнальные молекулы дополнительно прикрепляются к рецепторам на поверхности клетки и вызывают изменение, которое приводит к действию.

Сигнальные липиды в их этерифицированной форме могут проникать через мембраны и переноситься для передачи сигналов другим клеткам. Они также могут связываться с определенными белками и неактивны до тех пор, пока не достигнут места действия и не встретят соответствующий рецептор.

Хранение и обеспечение энергией

Накопительные липиды — это триацилглицерины. Они инертны и состоят из трех жирных кислот и глицерина.

Жирные кислоты в неэтерифицированной форме, то есть в виде свободных (неэтерифицированных) жирных кислот, высвобождаются из триацилглицеринов во время голодания, чтобы обеспечить источник энергии и сформировать структурные компоненты для клеток.

Пищевые жирные кислоты с короткими и средними цепями не этерифицируются, но быстро окисляются в тканях как источник «топлива».

Жирные кислоты с более длинной цепью сначала этерифицируются до триацилглицеринов или структурных липидов.

Поддержание температуры

Слои подкожного жира под кожей также помогают в изоляции и защите от холода. Поддержание температуры тела в основном обеспечивается коричневым жиром, а не белым жиром. У младенцев более высокая концентрация бурого жира.

Образование липидного слоя мембраны

Линолевая и линоленовая кислоты — незаменимые жирные кислоты. Они образуют арахидоновую, эйкозапентаеновую и докозагексаеновую кислоты. Это для мембранных липидов.

Мембранные липиды состоят из полиненасыщенных жирных кислот. Полиненасыщенные жирные кислоты важны как составляющие фосфолипидов, поскольку они, по-видимому, придают мембранам несколько важных свойств. Одно из важнейших свойств — текучесть и гибкость мембраны.

Образование холестерина

Большая часть холестерина находится в клеточных мембранах. Он также встречается в крови в свободной форме в виде липопротеинов плазмы. Липопротеины представляют собой сложные агрегаты липидов и белков, которые делают возможным перемещение липидов в водянистом или водном растворе и обеспечивают их транспортировку по телу.

Основные группы классифицируются как хиломикроны (ХМ), липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеины низкой плотности (ЛПНП) и липопротеины высокой плотности (ЛПВП) на основе относительной плотности

Холестерин поддерживает текучесть мембран, взаимодействуя с их сложными липидными компонентами, особенно с фосфолипидами, такими как фосфатидилхолин и сфингомиелин.Холестерин также является предшественником желчных кислот, витамина D и стероидных гормонов.

Образование простагландинов и роль в воспалении

Незаменимые жирные кислоты, линолевая и линоленовая кислоты являются предшественниками многих различных типов эйкозаноидов, включая гидроксиэйкозатетраены, простаноиды (простагландины, тромбоксаны и простациклины), лейкотриены (и липоксины), резольвины и т. Д., Которые играют важную роль при боли, лихорадке. , воспаление и свертывание крови.

Витамины «жирорастворимые»

«Жирорастворимые» витамины (A, D, E и K) являются важными питательными веществами с множеством функций.

Ацил-карнитины переносят и метаболизируют жирные кислоты в митохондриях и из них.

Полипренолы и их фосфорилированные производные помогают переносить молекулы через мембраны.

Кардиолипины представляют собой подтип глицерофосфолипидов с четырьмя ацильными цепями и тремя группами глицерина. Они активируют ферменты, участвующие в окислительном фосфорилировании.

Дополнительная литература

1.6: Липиды и передача сигналов — Biology LibreTexts

F1. Введение в липидную сигнализацию

Шведский перевод √ Валерия Александрова

Липиды используются не только как пассивный компонент мембран или как источник накопленной энергии.Они участвуют в процессе передачи сигнала на клеточной мембране, процессе, посредством которого внутренние компоненты клетки реагируют на сигнал, внешний по отношению к клетке, позволяя клетке реагировать на их локальное окружение. Обычно химический сигнал вне клетки является «первичным посланником», который заставляет клетку реагировать. Обычно химический передатчик информации в клетку не попадает. Скорее он связывается с поверхностными рецепторами на поверхности клеточной мембраны. Каким-то образом клетки чувствуют, что лиганд связан снаружи.Активируются ферменты, обычно в мембране или на внутриклеточной поверхности липидного бислоя. Многие из этих ферментов расщепляют липиды в мембране. Расщепленные фрагменты липидных молекул служат внутриклеточными сигналами или «вторичными мессенджерами», которые могут связываться с внутриклеточными ферментами для активации внутриклеточных процессов. На следующей диаграмме показаны некоторые из липидных медиаторов, которые образуются в процессе и сигнализируют клетке об ответе.

Рисунок: Липиды — больше, чем смазка — медиаторы в передаче сигнала

Недавно было показано, что амиды жирных кислот являются мощными медиаторами неврологических процессов.В одном интересном эксперименте овцам недосыпали. Считая, что мозг может передавать биохимический сигнал в спинномозговую жидкость, чтобы вызвать сон, ученые из Скриппса удалили часть этой жидкости и выделили вещество, которое не было обнаружено у отдохнувшей овцы. Анализ показал, что структура представляет собой амид олеиновой кислоты. Было показано, что олеилэтаноламид связывается с рецептором-a, активируемым пролифератором пероксисом (PPAR-a), который находится в ядре. Этот лиганд, влияя на транскрипцию гена, по-видимому, регулирует массу тела и чувство сытости после еды (сытости), поскольку это приводит к сокращению приема пищи.

Аналогичным образом люди искали естественный нейромедиатор, который связывается с тем же рецептором в головном мозге, что и ТГК, активный ингредиент марихуаны. Это было обнаружено несколько лет назад, и было показано, что это амид арахидоновой кислоты, называемый анандамидом. Структуры см. На рисунке ниже.

Рисунок: Амиды жирных кислот: нейрохимические медиаторы

Этот амид жирной кислоты является примером класса производных липидов, называемых N-ацилэтаноламинами (NAE).Эти молекулы с ацильными группами, которые различаются числом атомов углерода и двойных связей, широко встречаются в организмах в природе. Встречающийся в природе анандамид приводит к увеличению потребления пищи после короткого периода ее сокращения. Один из известных физиологических эффектов THC — повышенное потребление пищи (закуски).

В недавнем исследовании Lucanic et al (2011) показали, что уменьшение NAE увеличивает продолжительность жизни небольшого круглого червя C. elegans , который стал модельным организмом для изучения генов у эукариот.Было показано, что ограничение калорийности увеличивает продолжительность жизни у множества организмов. У беспозвоночных анандамид, по-видимому, препятствует потреблению пищи даже у организмов, у которых отсутствует рецептор, аналогичный тому, с которым связываются каннабиноиды. Это может показаться парадоксальным, поскольку анандамид (и ТГК) у людей, по-видимому, вызывает прием пищи. Однако при длительных периодах ограничения калорийности (низкое голодание) у крыс уровни анандамида подавляются, что приводит к состоянию с низким потреблением энергии.

В целом кажется, что уменьшение NAE происходит в периоды ограничения калорийности.Мутантные черви, у которых снижены уровни NAE из-за целенаправленных сбоев ферментов, которые повлияли либо на синтез, либо на деградацию NAE, имеют более длительную продолжительность жизни. Если нормальных червей (дикого типа) ограничить калорийностью, но дать им ЭПК-этаноламин (самый распространенный НАЭ у этих червей), у них не будет увеличенной продолжительности жизни.

Биологические мембраны

Реферат

Биологические мембраны позволяют существовать такой жизни, какой мы ее знаем. Они образуют клетки и обеспечивают разделение между внутренней и внешней частью организма, контролируя посредством своей избирательной проницаемости, какие вещества входят и выходят.Позволяя создавать градиенты ионов через них, мембраны также позволяют живым организмам генерировать энергию. Кроме того, они управляют потоком сообщений между ячейками, отправляя, получая и обрабатывая информацию в виде химических и электрических сигналов. Это эссе суммирует структуру и функции мембран и белков внутри них, а также описывает их роль в торговле и транспортировке, а также их участие в здоровье и болезнях. Обсуждаются также методики изучения мембран.

Структура и организация мембран

Мембраны состоят из липидов, белков и сахаров

Биологические мембраны состоят из двойного слоя (известного как бислой) липидных молекул. Эту структуру обычно называют бислоем фосфолипидов. В дополнение к различным типам липидов, которые встречаются в биологических мембранах, мембранные белки и сахара также являются ключевыми компонентами структуры. Мембранные белки играют жизненно важную роль в биологических мембранах, поскольку они помогают поддерживать структурную целостность, организацию и поток материала через мембраны.Сахара находятся только на одной стороне бислоя и связаны ковалентными связями с некоторыми липидами и белками.

В биологических мембранах обнаружены три типа липидов, а именно фосфолипиды, гликолипиды и стерины. Фосфолипиды состоят из двух цепей жирных кислот, связанных с глицерином и фосфатной группой. Фосфолипиды, содержащие глицерин, называются глицерофосфолипидами. Примером глицерофосфолипида, который обычно встречается в биологических мембранах, является фосфатидилхолин (PC) (a), у которого молекула холина присоединена к фосфатной группе.Серин и этаноламин могут заменять холин в этом положении, и эти липиды называются фосфатидилсерином (PS) и фосфатидилэтаноламином (PE) соответственно. Фосфолипиды также могут быть сфингофосфолипидами (на основе сфингозина), такими как сфингомиелин. Гликолипиды могут содержать либо глицерин, либо сфингозин, и всегда содержат сахар, такой как глюкоза, вместо фосфатной головки, обнаруженной в фосфолипидах (b). Стерины отсутствуют на большинстве бактериальных мембран, но являются важным компонентом мембран животных (обычно холестерин) и растений (в основном стигмастерин).Холестерин имеет совершенно иную структуру, чем фосфолипиды и гликолипиды. Он состоит из гидроксильной группы (которая является гидрофильной «головной» областью), стероидной структуры с четырьмя кольцами и короткой углеводородной боковой цепи (с).

Схематические изображения трех типов мембранных липидов.

( a ) Фосфатидилхолин, глицерофосфолипид. ( b ) Гликолипид. ( c ) стерол.

Сахара, прикрепленные к липидам и белкам, могут действовать как маркеры из-за структурного разнообразия сахарных цепей.Например, антигены, состоящие из сахарных цепочек на поверхности эритроцитов, определяют группу крови человека. Эти антигены распознаются антителами и вызывают иммунный ответ, поэтому при переливании крови необходимо использовать соответствующие группы крови. Другие углеводные маркеры присутствуют при заболевании (например, определенные углеводы на поверхности раковых клеток) и могут использоваться врачами и исследователями для диагностики и лечения различных состояний.

Амфипатические липиды образуют бислои

Все мембранные липиды являются амфипатическими, то есть они содержат как гидрофильную (любящую воду) область, так и гидрофобную (ненавидящую воду) область.Таким образом, наиболее благоприятной средой для гидрофильной головы является водная среда, тогда как гидрофобный хвост более стабилен в липидной среде. Амфипатическая природа мембранных липидов означает, что они естественным образом образуют бислои, в которых гидрофильные головки направлены наружу в сторону водной среды, а гидрофобные хвосты направлены внутрь друг к другу (а). При помещении в воду липиды мембран спонтанно образуют липосомы, которые представляют собой сферы, образованные из бислоя с водой внутри и снаружи, напоминающие крошечные клетки (b).Это наиболее благоприятная конфигурация для этих липидов, поскольку это означает, что все гидрофильные головки находятся в контакте с водой, а все гидрофобные хвосты находятся в липидной среде.

Двухслойная мембрана и липосома.

Спонтанное образование бислоев липидами мембран. Гидрофильные головки (розовые кружки) всегда будут обращены к водной среде в бислоях ( a ) и липосомах ( b ). Гидрофобные хвосты будут направлены внутрь от воды.

Ранние эксперименты Э. Гортера и Ф. Гренделя в 1925 г. первыми продемонстрировали, что биологические мембраны являются двухслойными. Эти исследователи извлекли липиды из красных кровяных телец и обнаружили, что они занимают пространство, вдвое превышающее площадь поверхности клетки. Эритроциты не содержат внутренних мембран, поэтому они пришли к выводу, что плазматическая мембрана должна состоять из двух слоев липидов.

Биологические мембраны и модель жидкой мозаики

Модель жидкой мозаики, предложенная Джонатаном Сингером и Гартом Николсоном в 1972 году, описывает динамическую и текучую природу биологических мембран.Липиды и белки могут диффундировать через мембрану латерально. Фосфолипиды могут относительно быстро диффундировать в створку бислоя, в котором они расположены. Фосфолипид может перемещаться по периметру эритроцита примерно за 12 с или перемещаться по длине бактериальной клетки за 1 с. Фосфолипиды также могут вращаться по оси «голова-хвост», а их липидные хвосты очень гибкие. Эти различные типы движений создают динамическую жидкую мембрану, которая окружает клетки и органеллы.Мембранные белки также могут двигаться латерально в бислое, но скорость их движения варьируется и обычно ниже, чем у липидов. В некоторых случаях мембранные белки удерживаются в определенных областях мембраны, чтобы поляризовать клетку и дать возможность различным концам клетки выполнять разные функции. Одним из примеров этого является прикрепление якоря гликозил-фосфатидилинозитола (GPI) к белкам для нацеливания их на апикальную мембрану эпителиальных клеток и исключения их из базолатеральной мембраны.

Флуоресцентное фотообесцвечивание — это один экспериментальный метод, который используется учеными для визуальной демонстрации подвижности белков и липидов в бислое (). Липидный или мембранный белок, расположенный на поверхности клетки, маркируется флуоресцентным маркером, таким как зеленый флуоресцентный белок (GFP). Затем с помощью флуоресцентного микроскопа луч лазерного света фокусируется на небольшом участке поверхности клетки, чтобы обесцветить флуоресцентные метки в этой области, чтобы они больше не испускали сигнал флуоресценции.Эта небольшая область мембраны наблюдается с течением времени, и постепенно флуоресценция снова увеличивается, указывая на то, что другие меченые белки или липиды диффундируют в эту область из других мест мембраны. Это демонстрирует, что липидный бислой, окружающий клетки, имеет жидкую природу и обеспечивает латеральную диффузию как липидов, так и мембранных белков.

Фотообесцвечивание.

Клетки, экспрессирующие GFP-меченный белок в эндоплазматическом ретикулуме, подвергали фотообесцвечиванию. ( a ) Ячейка перед отбеливанием.( b ) Та же самая ячейка сразу после обесцвечивания показанного квадратного сечения. ( c ) Та же камера через 5 мин после фотообесцвечивания. Адаптировано из рисунка 1b из материалов Lippincott-Schwartz, J., Snapp, E. и Kenworthy, A. (2001) Изучение динамики белков в живых клетках. Nat. Rev. Mol. Клетка. Биол. 2 , 444–456.

Несмотря на все это перемещение липидов и белков в бислое, вертикальное перемещение, или «перевертывание» липидов и белков от одного листочка к другому происходит с чрезвычайно низкой скоростью.Это происходит из-за энергетического барьера, возникающего при проталкивании гидрофильной головки (в случае липидов) или гидрофильных областей (в случае белков) через гидрофобную среду внутри мембраны. Это почти полное отсутствие вертикального движения позволяет внутренним и внешним листкам бислоя поддерживать разные липидные композиции и позволяет вставлять мембранные белки в правильной ориентации для их функционирования. Однако некоторые ферменты облегчают процесс перехода липидов от одного листочка к другому.Эти флиппазы или транслокаторы фосфолипидов используют АТФ для перемещения липидов через бислой к другому листку. В эукариотических клетках флиппазы расположены в различных органеллах, включая эндоплазматический ретикулум (ЭР), где они переключают вновь синтезированные липиды.

Как создаются мембраны

Биологические мембраны образуются путем добавления к уже существующей мембране. У прокариот это происходит на внутреннем листке плазматической мембраны, обращенном к цитоплазме. У эукариот мембранный синтез происходит в ЭР на цитоплазматической створке мембраны ЭР (называемой «внутренней частью» клетки).Затем липиды покидают ER и перемещаются по секреторному пути для распределения в различные субклеточные компартменты или плазматическую мембрану.

В эукариотических клетках ферменты, охватывающие ER, катализируют образование мембранных липидов. В цитоплазматическом листке мембраны ЭР две жирные кислоты одна за другой связываются с глицеринфосфатом из цитоплазмы. Этот новообразованный диацилглицеринфосфат заякорен в мембране ER цепями жирных кислот. Затем фосфат заменяется головной группой (например,грамм. фосфат и холин). Флиппазы в мембране ER могут затем перемещать некоторые из этих вновь образованных липидов на просветную сторону мембраны ER. Точно так же флиппазы у прокариот могут переносить новые липиды из внутреннего листка плазматической мембраны к внешнему листку. Эти флиппазы отвечают за регулировку липидного состава каждого слоя мембраны. У эукариот липиды должны затем распределяться по различным внутриклеточным мембранам. Перемещение везикул между органеллами в сочетании с сигналами, которые направляют определенные липиды в определенные места, требуется для создания правильного липидного состава во всех клеточных мембранах (2).Везикулы отрастают от ER и путешествуют через промежуточный компартмент ER – Golgi (ERGIC), чтобы соединиться с Golgi, где происходит сортировка липидов. Затем Гольджи отправляет липиды в везикулах в различные пункты назначения, включая плазматическую мембрану и лизосомы. Липиды и белки проникают из плазматической мембраны в эндосомы. Органеллы, такие как митохондрии, приобретают липиды из ЭР по другому механизму. Водорастворимые белки, называемые белками обмена фосфолипидов, удаляют фосфолипиды с мембраны ER и откладывают их в мембранах соответствующих органелл.

Мембранный трафик в эукариотических клетках.

Показаны основные компартменты эукариотических клеток. Стрелки указывают движение липидных везикул между ними, причем цвета на хвостовом конце указывают на их происхождение, а на головном — на место назначения.

Распределение липидов

Внутренние и внешние листочки бислоев различаются по липидному составу. В клетках млекопитающих внешний листок плазматической мембраны содержит преимущественно PC и сфингомиелин, тогда как PS и PE обнаруживаются на внутреннем листке.Во время запрограммированной гибели клеток (апоптоза) PS больше не ограничивается внутренним листком плазматической мембраны. Он обнажается на наружной створке под действием фермента скрамблазы, который является разновидностью фермента флиппазы. PS заряжен отрицательно, в отличие от ПК, у которого нет чистого заряда. Таким образом, движение PS во внешний листочек изменяет заряд плазматической мембраны, если смотреть снаружи клетки. Это изменение поверхностного заряда маркирует апоптотическую клетку для фагоцитоза фагоцитарными клетками, такими как макрофаги.

Липидный состав также варьируется между органеллами внутри эукариотических клеток. Холестерин синтезируется в ER, но мембрана ER имеет относительно низкое содержание холестерина, так как большая часть холестерина транспортируется к другим клеточным мембранам. Преобладание холестерина в мембранах увеличивается через секреторный путь, причем в большей степени в Гольджи, чем в ЭР (сеть транс, -Гольджи богаче холестерином, чем цис, -Гольджи), и больше всего в плазматической мембране.Это увеличение холестерина через секреторный путь приводит к немного более толстым мембранам в поздней стадии Гольджи и плазматической мембране по сравнению с ER, и считается фактором, способствующим сортировке белков по этому пути, поскольку мембранные белки в плазматической мембране обычно имеют более длинные гидрофобные трансмембранные домены, чем мембранные белки, которые находятся в ER.

Мембранные белки

Мембранные белки — это наномашины, которые позволяют мембранам отправлять и получать сообщения, а также транспортировать молекулы в клетки и компартменты и из них.Без мембранных белков фосфолипидная мембрана будет представлять собой непроницаемый барьер, и клетки не смогут общаться со своими соседями, транспортировать питательные вещества в клетку или продукты жизнедеятельности из нее или реагировать на внешние раздражители. Как одноклеточным, так и многоклеточным организмам для жизни необходимы мембранные белки. Белки мембраны, которые присутствуют в конкретной мембране, определяют вещества, для которых она будет проницаема, и какие сигнальные молекулы она может распознавать.

Синтез мембранных белков

В эукариотических клетках синтез мембранных белков, предназначенных для плазматической мембраны, ER или любого другого мембраносвязанного компартмента, начинается на цитозольных рибосомах.После того, как короткий сегмент белка был синтезирован, рибосома, мРНК и возникающая белковая цепь связываются с ER, где остальная часть белка образуется и одновременно вставляется в мембрану. Это явление впервые объяснили Гюнтер Блобель, Давид Сабатини и Бернхард Добберштейн в 1970-х годах. Эти ученые предположили, что существует «фактор связывания», который распознает возникающую белковую цепь и может стыковать рибосому с мембраной ER. Теперь мы знаем, что в мембранных белках есть N-концевая сигнальная последовательность.Эти сигнальные последовательности не идентичны, но имеют общий мотив, а именно гидрофобный участок из 20-30 аминокислот, основную область на N-конце и полярный домен на C-конце сигнала. Эти N-концевые сигнальные последовательности распознаются частицей распознавания сигнала (SRP), которая имеет сайты связывания для сигнальной последовательности, рибосомы и рецептора SRP, встроенного в мембрану ER. После связывания SRP рибосома приостанавливает синтез белка. SRP связывается с рецептором SRP, смежным с порой транслокона в мембране ER.Транслокон — это белковая пора, через которую мембранные белковые цепи могут быть продеты в мембрану. Он имеет латерально открывающиеся ворота, позволяющие вновь синтезированным белкам проникать в мембрану ER. Как только рибосома оказывается на транслоконе, SRP диссоциирует и синтез белка возобновляется. Этот процесс называется ко-трансляционным таргетингом, и основные события кратко описаны в.

Нацеливание на ко-трансляционный белок ER.

Обобщены ключевые этапы таргетинга ER. Каждый компонент помечен, а мембрана ER представлена двойными синими линиями.Сигнальная последовательность (показанная черным) становится первым трансмембранным доменом белка в этом примере.

Ко-трансляционное нацеливание является доминирующим механизмом доставки белка в ER у высших эукариот, тогда как дрожжи и прокариоты предпочитают пост-трансляционное нацеливание, посредством чего белки доставляются в ER после завершения синтеза. Посттрансляционное нацеливание также происходит у высших эукариот, часто когда мембранный белок настолько мал, что сигнальная последовательность не появляется до тех пор, пока весь белок не будет синтезирован.Посттрансляционное нацеливание может осуществляться как с помощью SRP-зависимых, так и с помощью SRP-независимых механизмов.

Структура и функция мембранных белков

Мембранные белки разнообразны по структуре и функциям. Они могут быть построены из α-спиралей или из β-цилиндров. Белки мембраны β-ствола часто функционируют как поры с гидрофобными аминокислотами, обращенными внутрь бислоя. Кроме того, существуют другие непротяжные белки, которые связываются с бислоем, часто используя гидрофобный якорь.Здесь мы сосредоточимся на белках α-спиральной мембраны. Эти белки имеют по крайней мере один α-спиральный гидрофобный участок аминокислот длиной около 20 остатков, что соответствует около 30 Å (толщина среднего бислоя фосфолипидов). Если альфа-спиральный мембранный белок охватывает мембрану более одного раза, он будет иметь более одного из этих гидрофобных участков. Например, Ca ²⁺ -АТФаза ER и саркоплазматического ретикулума (SR) охватывает мембрану 10 раз, поэтому она имеет 10 гидрофобных участков примерно по 20 аминокислот каждый.

Мембранные белки контролируют то, что входит и выходит из клетки

Жизненно важный класс мембранных белков — это те, которые участвуют в активном или пассивном транспорте материалов через клеточную мембрану или другие субклеточные мембраны, окружающие органеллы. Для выживания клетки или организма крайне важно, чтобы в клетки поступали правильные вещества (например, питательные вещества) и чтобы нужные вещества выводились из них (например, токсины).

Пассивный и активный транспорт

Молекулы могут пересекать биологические мембраны несколькими способами в зависимости от их концентрации по обе стороны от мембраны, их размера и заряда.Некоторые молекулы, включая воду, могут просто диффундировать через мембрану без посторонней помощи. Однако большие молекулы или заряженные молекулы не могут пересекать мембраны простой диффузией. Заряженные молекулы, такие как ионы, могут пассивно перемещаться по каналам вниз по электрохимическим градиентам. Это движение описывается как «нисходящее», когда ионы или молекулы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Для этого требуются канальные белки, но не требуется энергии. Пассивный транспорт также может быть опосредован белками-носителями, которые переносят определенные молекулы, такие как аминокислоты, с пониженным градиентом концентрации, опять же без какой-либо потребности в энергии.Активный транспорт перемещает виды против градиентов концентрации и требует энергии, получаемой от АТФ, света или нисходящего движения молекулы или иона второго типа внутри того же переносчика ().

Пассивный и активный транспорт.

Показаны различные типы мембранных белков, участвующих в пассивном и активном транспорте.

Пассивный транспорт

Пассивный транспорт — это движение молекул через биологические мембраны вниз по градиенту концентрации.Этот вид транспорта не требует энергии. Каналы образуют заполненные водой поры и, таким образом, создают гидрофильный путь, который позволяет ионам проходить через гидрофобную мембрану. Эти каналы позволяют ионам двигаться вниз по электрохимическому градиенту. И размер, и заряд поры канала определяют его селективность. Различные каналы имеют поры разного диаметра, что позволяет выбирать ионы в зависимости от их размера. Аминокислоты, выстилающие поры, будут гидрофильными, и их заряд будет определять, проходят ли через них положительные или отрицательные ионы.Например, Ca ²⁺ заряжен положительно, поэтому аминокислоты, выстилающие поры каналов Ca ²⁺, обычно являются основными (т.е. они несут отрицательный заряд).

Каналы открыты не всегда. Они могут управляться лигандами, которые связываются с какой-либо частью белка, либо изменением мембранного потенциала (напряжение стробируется), либо механическим стрессом (механочувствительный). Никотиновый ацетилхолиновый рецептор является примером лиганд-зависимого ионного канала, который открывается после связывания нейромедиатора ацетилхолина ().Никотиновый ацетилхолиновый рецептор представляет собой пентамерный мембранный белок, состоящий из пяти субъединиц, расположенных в кольцо с порой в центре. В закрытом состоянии пора заблокирована большими гидрофобными боковыми цепями аминокислот, которые поворачиваются в сторону при связывании ацетилхолина, уступая место более мелким гидрофильным боковым цепям, позволяя ионам проходить через поры. Открытие никотинового рецептора ацетилхолина обеспечивает быстрое перемещение ионов Na ⁺ в клетку и более медленное перемещение ионов K ⁺ из клетки, в обоих случаях вниз по электрохимическому градиенту иона.Разница в градиентах между Na ⁺ и K ⁺ через мембрану означает, что в клетку поступает больше Na ⁺, чем выходит из нее K ⁺. Это создает чистое движение положительных зарядов в клетке, что приводит к изменению мембранного потенциала. Ацетилхолин, высвобождаемый моторными нейронами в нервно-мышечном соединении, проходит через синапс и связывается с никотиновыми рецепторами ацетилхолина в плазматической мембране мышечных клеток, вызывая деполяризацию мембраны.Эта деполяризация мышечных клеток запускает высвобождение Ca ²⁺ и сокращение мышц.

Никотиновый рецептор ацетилхолина.

Показана пентамерная структура рецептора с обозначенной областью пор (P). Трансмембранные спирали (M1 – M4) помечены в каждой субъединице. Бислой показан оранжевым цветом. Воспроизведено из Berridge, M.J. (2012) Cell Signaling Biology; DOI: 10.1042 / csb0001003, с разрешения.

Белки-переносчики — это другой класс мембранных белков, помимо каналов, которые могут способствовать пассивному переносу веществ с градиентами концентрации.Белки-носители транспортируют молекулы намного медленнее, чем каналы, поскольку для транспорта растворенного вещества через мембрану требуется ряд конформационных изменений в носителе. Молекула, такая как сахар, связывается с белком-носителем на одной стороне мембраны, где он присутствует в высокой концентрации. После связывания носитель изменяет конформацию, так что молекула сахара затем обращена к противоположной стороне мембраны. Концентрация сахара на этой стороне ниже, поэтому происходит диссоциация и высвобождение сахара.Это движение под гору, и хотя оно медленнее, чем движение по каналам, оно не требует энергии.

Регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе (CFTR) представляет собой АТФ-зависимый канал хлорид-иона (Cl ^—), который играет важную роль в регулировании вязкости слизи на внешней стороне эпителиальных клеток. АТФ используется для закрытия канала, но движение Cl ^— происходит вниз по его электрохимическому градиенту, поэтому не требуется энергии. Наследственное изменение гена CFTR , которое приводит к делеции одной аминокислоты в белке, вызывает муковисцидоз.Это серьезное заболевание, при котором в легких скапливается густая слизь, из-за чего ожидаемая продолжительность жизни пациентов с этим заболеванием значительно ниже средней. Неповрежденный ионный транспорт жизненно важен для нашего выживания и здоровья, а такие состояния, как кистозный фиброз, подчеркивают необходимость исследования этих типов белков.

Активный транспорт

Транспорт молекул через мембрану против градиента концентрации требует энергии и называется активным транспортом.Эта энергия может быть получена в результате гидролиза АТФ (первичный активный транспорт), света (как, например, в случае бактериородопсина бактериального протонного насоса) или электрохимического градиента иона, такого как Na ⁺ или H ^{. +} (вторичный активный транспорт).

Ионы кальция сигнализируют о многих событиях, включая сокращение мышц, высвобождение нейромедиаторов и подвижность клеток. Однако высокие цитоплазматические концентрации Ca ²⁺ токсичны для клетки. Следовательно, Ca ²⁺ должен строго регулироваться и удаляться из цитоплазмы либо во внутренние хранилища (ER и SR в мышечных клетках), либо во внеклеточное пространство.Это удаление Ca ²⁺ осуществляется семейством Ca ²⁺ -АТФаз, включая сарко / эндоплазматический ретикулум Ca ²⁺ -АТФазы (SERCA), которые гидролизуют АТФ для перемещения Ca ²⁺ против его электрохимический градиент в ER и SR (). Са ²⁺ -АТФазы присутствуют в ER, Гольджи и плазматической мембране, и, несмотря на сходство их последовательностей, эти белки по-разному нацелены на соответствующую мембрану. Эти насосы Ca ²⁺ являются основными активными транспортерами.SERCA перемещает два иона Ca ²⁺ в ER или SR для каждой молекулы АТФ, которая подвергается гидролизу. Насос проходит цикл связывания АТФ и фосфорилирования и претерпевает большие конформационные изменения каждый раз, когда транспортирует пару ионов Ca ²⁺. SERCA — это АТФаза P-типа (названная так, потому что она фосфорилируется во время транспорта ионов). Существует много АТФаз P-типа, и они сохраняются в эволюции у многих видов. Na ⁺ / K ⁺ -АТФаза является одной из этих АТФаз P-типа, и она работает аналогично SERCA, выкачивая Na ⁺ из клетки и K ⁺ в клетку с использованием энергии. полученные в результате гидролиза АТФ.Теперь мы получили трехмерные структуры SERCA в ряде конформационных состояний, которые позволяют ученым визуализировать процесс переноса.

Сарко / эндоплазматический ретикулум Ca ²⁺ -АТФаза (SERCA).

Показана кристаллическая структура SERCA в состоянии, связанном с ADP и Ca ²⁺. D351 (красный) — это остаток, фосфорилированный во время движения ионов Ca ²⁺ в ER или SR. Обозначены три цитоплазматических домена, фосфорилирование (P), связывание нуклеотидов (N) и активатор (A).АДФ показан желтым цветом, а ионы Ca ²⁺ — зеленым. Protein Data Bank (PDB) с кодом 2ZBD, обработанный с помощью PDB Protein Workshop.

Вторичный активный транспорт требует ионно-электрохимического градиента, чтобы управлять восходящим переносом другого растворенного вещества. Движение вниз одного вида приводит к движению другого вида вверх. Это может быть симпорт (в котором оба типа молекул или иона перемещаются через мембрану в одном и том же направлении) или антипорт (в котором два вида перемещаются в противоположных направлениях), как показано на.

Симпорт и антипорт.

Показаны два типа совместной перевозки с примерами.

Чтобы транспортировать глюкозу в клетки, симпортер Na ⁺ – глюкоза использует электрохимический градиент Na ⁺ через плазматическую мембрану. Концентрация Na ⁺ намного выше вне клетки, а внутренняя часть клетки заряжена отрицательно по отношению к внешней стороне, поэтому, позволяя Na ⁺ перемещаться вниз по его электрохимическому градиенту, эти переносчики могут перемещать глюкозу вверх в гору. клетки и против ее градиента концентрации.Это называется симпортом, поскольку и Na ⁺, и глюкоза движутся в одном направлении — в данном случае в клетку. Чтобы этот симпорт был устойчивым, необходимо поддерживать градиент Na ⁺. Это делается с помощью Na ⁺ / K ⁺ -АТФазы, которая использует АТФ для перекачки Na ⁺ обратно во внеклеточное пространство, таким образом поддерживая низкую внутриклеточную концентрацию Na ⁺.

И Na ⁺, и Ca ²⁺ присутствуют в гораздо более высоких концентрациях вне клетки, чем внутри нее.Подобно симпортеру Na ⁺ – глюкозы, обменник Na ⁺ –Ca ²⁺ использует электрохимический градиент Na ⁺ через плазматическую мембрану для перемещения второго компонента (Ca ²⁺) против его электрохимического воздействия. градиент. Однако в этом случае переносчик является антипортером, поскольку он использует градиент концентрации одного движущегося вещества (Na ⁺) для перемещения другого (Ca ²⁺) из клетки. Этот антипортер имеет скорость обмена трех ионов Na ⁺ на два иона Ca ²⁺ на выходе.Он перемещает Ca ²⁺ из клетки быстрее, чем эквиваленты SERCA на плазматической мембране, но имеет более низкое сродство к Ca ²⁺, чем эти АТФазы P-типа. Опять же, этот переносчик полагается на Na ⁺ / K ⁺ -АТФазу для поддержания низкой внутриклеточной концентрации Na ⁺.

Решение структуры мембранных белков

Чтобы более полно понять механизмы действия мембранных белков, таких как транспортеры, описанные здесь, мы можем определить их трехмерные белковые структуры.В результате огромного прогресса в структурной биологии за последние 50 лет у нас теперь есть доступ ко многим тысячам белковых структур в онлайн-базах данных. Это позволяет исследователям визуализировать структуру интересующего их белка и, таким образом, получить представление о его механизме.

Рентгеновская кристаллография

Структура миоглобина кита была решена в 1958 году с помощью рентгеновской кристаллографии, за что Джон К. Кендрю и Макс Перуц были удостоены Нобелевской премии по химии. Это была первая структура белка, которая была решена с помощью этого метода, и с тех пор с помощью этого метода были решены тысячи белков.Рентгеновская кристаллография работает, направляя пучок рентгеновских лучей на кристаллическую структуру и измеряя дифракцию рентгеновских лучей после того, как они прошли через интересующую структуру. Это создает карту электронной плотности, показывающую, где расположены различные атомы в структуре. Для обычных кристаллических твердых веществ, таких как соли, это относительно просто, но для больших нерегулярных молекул, таких как белки, это может вызвать множество технических проблем. Прежде чем белок подвергнется воздействию рентгеновских лучей, он должен быть очищен и кристаллизован.В природе белки существуют в загруженной среде клетки, в окружении тысяч других типов белков, а также липидов и других молекул. Обычный метод получения достаточного количества интересующего белка включает экспрессию соответствующего гена в такой системе, как бактерии. Ген помечен небольшой белковой меткой, которую можно использовать для выделения интересующего белка. Бактериальные системы позволяют дешево и быстро производить большое количество белка. Однако, если интересующий белок принадлежит к виду, который лишь отдаленно родственен тому, у которого он обычно экспрессируется (например,грамм. человеческий белок, продуцируемый в Escherichia coli ( E. coli )), отсутствие правильных ферментов гликозилирования и различия в укладке и сборке белка могут препятствовать производству биологически активного белка. Кроме того, экспрессия мембранных белков, образующих поры или каналы, может убить организм-хозяин.

Затем образец чистого белка кристаллизуют, давая воде испариться, точно так же, как раствор соли образует кристаллы естественным образом, когда его оставляют для высыхания.Для этого необходимо определить оптимальные условия, а условия кристаллизации не всегда просты, поскольку они различаются от одного белка к другому. Для растворимых белков, таких как миоглобин, это проще, чем для нерастворимых мембранных белков. Мембранные белки имеют жирорастворимые домены, которые не растворяются в водной среде. Это значительно снижает легкость, с которой структуры мембранных белков могут быть решены с помощью дифракции рентгеновских лучей. Однако есть способы, которыми ученые могут преодолеть эту трудность.Обычно мембранные белки удаляют из мембраны, в которой они были созданы, и помещают в среду липидов и детергентов для кристаллизации. Иногда липиды, связанные с белком, проявляются в кристаллической структуре.

Количество решенных кристаллических структур белков постоянно растет по мере совершенствования технологий и обмена опытом между учеными, чтобы помочь оптимизировать условия для производства кристаллов. Банк данных о белках (PDB) — это онлайн-архив белковых структур, к которому ученые со всего мира имеют свободный доступ.На момент написания 88% структур в PDB были решены с помощью рентгеновской кристаллографии, и в настоящее время в базе данных находится чуть менее 70 000 рентгеновских кристаллических структур. Количество структур мембранных белков в PDB быстро увеличивается с совершенствованием методов кристаллизации ().

Рентгеновские кристаллические структуры мембранных белков.

Увеличение числа решенных кристаллических структур мембранных белков показано с 1985 года, когда была решена первая такая структура.По материалам White, S.H. (2009) Биофизическое вскрытие мембранных белков. Природа 459 , 344–346.

Другие структурные методы

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — еще один ценный метод для выяснения структуры мембранных белков. Молекулы помещаются в магнитное поле, и измеряются резонансные свойства различных атомных ядер, что дает представление о том, где в конкретной молекуле расположены разные атомы. Как правило, ЯМР ограничивается более мелкими белками, размером менее 35 кДа.Это также дает возможность визуализировать белки в более физиологически релевантной среде (например, в липидных бислоях или мицеллах). Еще одно преимущество ЯМР состоит в том, что он не требует, чтобы белок был заперт в кристаллической решетке — структуре, которая может исказить естественную форму белка.

Электронную микроскопию можно также использовать для изучения структуры мембранных белков. Замораживая мембранные белки в их естественной липидной среде, можно исследовать их структуру с помощью электронной микроскопии высокого разрешения.Это обеспечивает моментальный снимок естественной конформации отдельных белков в бислое.

Взаимодействие между липидами и белками в биологических мембранах

Липиды, которые окружают мембранные белки в биологических мембранах, играют важную роль в активности этих белков. Как упоминалось ранее, некоторые кристаллические структуры мембранных белков включают липиды, связанные с внешней поверхностью трансмембранных доменов белков. Считается, что эти липиды прочно связываются с белком и имеют долгоживущее взаимодействие с трансмембранной областью.В других случаях считается, что липиды кратковременно взаимодействуют с мембранными белками, быстро удаляются и заменяются другими мембранными липидами. Считается, что активность мембранных белков в некоторой степени зависит от липидов, которые их окружают в мембране. Считается, что определенные типы каналов K ⁺ связываются с отрицательно заряженными липидами мембран, поскольку активность этих каналов увеличивается при более высоких концентрациях анионных липидов. Эти типы взаимодействия можно изучить, поместив очищенную форму интересующего белка в искусственный бислой и измерив его активность.Изменяя типы липидов, присутствующих в искусственном бислое, можно сделать выводы о липидах, которые необходимы белку для того, чтобы быть активным. Флуоресцентная спектроскопия и электронный спиновой резонанс — это два метода, которые используются для измерения того, насколько сильно мембранные белки взаимодействуют с определенными липидами вокруг них.

При моделировании молекулярной динамики используются компьютерные алгоритмы для решения теоретических задач. Эти смоделированные эксперименты полезны для исследования взаимодействий между мембранными белками и липидами, поскольку в реальных мембранах эти взаимодействия часто настолько быстротечны, что их очень трудно измерить.Моделирование молекулярной динамики предсказало, что в случае никотинового рецептора ацетилхолина для активности необходим отрицательно заряженный липид, фосфатидная кислота. Это моделирование также показало, что холестерин стабилизирует рецептор и что фосфатидная кислота образует оболочку вокруг белка, которая является более долговечной, чем взаимодействие с другими мембранными липидами. Хотя моделирование молекулярной динамики чрезвычайно полезно, оно ограничено предположениями и приближениями, на которых они основаны.Как и во многих областях биологии, требуется сочетание экспериментальных и вычислительных исследований, если мы хотим добиться реального прогресса в понимании сложности биологических мембран.

Внутренние мембраны эукариотических клеток образуют органеллы.

Внутри плазматической мембраны, окружающей эукариотические клетки, находится множество других мембран, которые определяют внутриклеточные компартменты или органеллы. Каждая из этих органелл выполняет различные функции и содержит определенные наборы белков, адаптированные для этих ролей.За исключением нескольких белков, которые кодируются митохондриальным геномом, синтез всех белков, которые требуются в этих органеллах, начинается с рибосом в цитоплазме, и поэтому белки должны быть направлены в правильное место назначения. Ранее мы видели, как это достигается с помощью мембранных белков, и большинство органелл имеют какую-то сигнальную последовательность, которая может распознаваться различными рецепторами и которая обеспечивает попадание белка в правильную органеллу.

Органеллы имеют различные липидные составы

Помимо специфического белкового комплемента каждой органеллы, липидный состав бислоев, окружающих органеллы, варьируется.Липиды синтезируются в ER, а флиппазы перемещают молекулы липидов между листками бислоя. Для органелл секреторного пути и плазматической мембраны транспорт липидов в эти компартменты опосредуется переносом везикулярной мембраны через этот путь. Концентрация холестерина в мембранах увеличивается от ER через Гольджи к плазматической мембране. Холестерин делает мембраны более толстыми и жесткими, поэтому низкие уровни холестерина в мембране ER делают ее тонкой и облегчают внедрение вновь синтезированных мембранных и секреторных белков.PC становится относительно менее распространенным благодаря этому пути, его больше обнаруживается в ER, чем в плазматической мембране. PS и PE обнаруживаются по всему секреторному пути в цитозольном листке мембран. Такой дифференцированный липидный состав через секреторный путь достигается за счет нацеливания определенных липидов в транспортные пузырьки. Белки, входящие в эти везикулы, действуют как метки и направляют липиды в нужное место. Продвигающиеся (антероградные) везикулы, предназначенные для плазматической мембраны, богаты холестерином.Липиды также движутся назад по секреторному пути от плазматической мембраны к ER. Это называется ретроградным движением. Ретроградные везикулы из Гольджи обогащены липидами, такими как ПК, которые сконцентрированы в ER.

Липидный состав митохондрий сильно отличается от компартментов секреторного пути. Митохондриальные мембраны намного богаче PE и кардиолипином, чем ER. Кардиолипин синтезируется в митохондриях и преимущественно ограничивается этой органеллой.Поскольку мембранные белки эволюционировали вместе с их органеллами и окружающими липидами, отсюда следует, что разные липидные составы требуются в разных органеллах для оптимальной активности белков внутри их мембран. Структура носителя АДФ / АТФ в митохондриях была решена, и было обнаружено, что она включает молекулы кардиолипина и ПК, связанные с белком. Активность этого белка-носителя зависит от присутствия кардиолипина, которого относительно много в митохондриальных мембранах.

Белки должны быть нацелены на правильную органеллу, чтобы клетки функционировали

Нацеливание вновь синтезированных мембранных и секреторных белков на ER уже кратко обсуждалось. Однако в клетке есть много разных мест назначения, куда может быть отправлен белок, и иногда белки находятся более чем в одном из них. Сигналы и белковые механизмы, необходимые для нацеливания белков в нужный компартмент, многочисленны и разнообразны, и многие детали точных задействованных механизмов еще предстоит прояснить.

Везикулярный транспорт

Передача секреторных путей осуществляется за счет везикулярного транспорта как в антероградном, так и в ретроградном направлениях. Белки и липиды можно включать и исключать из везикул различными способами, чтобы выборочно определить, какие молекулы движутся вперед или назад по пути. Везикулы покрыты белками, которые определяют их предназначение. Обычно эти белки оболочки (COPs) являются направленными — COPII покрывает антероградные пузырьки, а COPI покрывает ретроградные пузырьки.Белки, которые путешествуют в везикулах (называемые грузом), отбираются либо путем взаимодействия с рецепторами в везикулах, либо путем прямого взаимодействия с белками оболочки. Выбор груза происходит на стадии почкования, когда белки оболочки начинают деформировать донорскую мембрану (например, ER) в пузырьки. После того, как груз выбран и белки оболочки собраны, везикула отрывается и перемещается к акцепторной мембране (например, к мембране Гольджи в случае везикул COPII из ЭР) либо путем диффузии, либо с помощью моторных белков, которые ‘ пройти по везикуле по цитоскелету.Затем везикула сливается с акцепторной мембраной, откладывая свой груз и составляющие липиды ().

Производство, транспорт и синтез везикул.

Показаны основные события при везикулярных перевозках грузов. Груз отбирается и упаковывается в пузырьки, образованные белками оболочки (1 и 2). GTPase Rab также встроена снаружи везикулы и облегчает проиллюстрированные этапы. Затем везикула перемещается вдоль белков цитоскелета к месту назначения после диссоциации белков оболочки (3).Везикула привязывается к донорской мембране с помощью связывающих белков и комплексов SNARE (4), обеспечивая слияние мембран и высвобождение груза (5).

Образование и слияние везикул требуют энергии, так как эти процессы требуют разрыва стабильного бислоя, чтобы отщипнуть новую везикулу, а затем слиться с другой мембраной. Для преодоления этого энергетического барьера требуются как энергия, так и специализированные белковые механизмы.

После того, как везикула отпочковалась, прошла через цитозоль и достигла места назначения, она должна слиться со своей рецепторной мембраной.Опять же, это энергетически невыгодный процесс, и необходимо использовать белковый аппарат, чтобы позволить слияние двух бислоев. Белки SNARE играют центральную роль в процессе слияния везикул. Везикулы несут v-SNARE, которые связываются со специфическими t-SNARE на мембранах-мишенях. Это не только придает специфичность в нацеливании на везикулы, но также и SNAREs облегчают слияние мембран по прибытии везикулы. Взаимодействующие v-SNARE и t-SNARE образуют пучок из четырех спиралей на границе между двумя мембранами, состоящий из трех спиралей от t-SNARE и одной спирали от v-SNARE.Считается, что это стабильное взаимодействие обеспечивает свободную энергию, необходимую для того, чтобы две мембраны стали очень близко друг к другу и слиться. По мере того, как два бислоя становятся ближе, липиды в двух внешних листочках могут контактировать друг с другом, тем самым увеличивая гидрофобную природу сайта и позволяя мембранам соединяться и преодолевать энергетический барьер. Трансмембранные домены SNARE также считаются вовлеченными в слияние мембран, поскольку, когда они экспериментально заменяются липидами, слияния не происходит.После слияния груз попадает в целевой отсек, а липиды и мембранные белки, которые сформировали везикулу, диффундируют в целевую мембрану.

Определение механизмов образования мембран важно для понимания того, как вирусы, такие как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), производят новые вирусные частицы. В отличие от отпочкования секреторного пути, описанного ранее, частицы ВИЧ отращиваются от цитоплазмы во внеклеточное пространство. Это вирусное почкование происходит в той же ориентации, что и почкование внутри эндосом.Белки, которые обеспечивают это почкование, называются эндосомными сортировочными комплексами, необходимыми для транспорта (ESCRT). ВИЧ «захватывает» механизм ESCRT, позволяя ему выходить из плазматической мембраны, из цитоплазмы во внеклеточное пространство. Взаимодействия между белками ВИЧ и белками ESCRT задействуют механизм ESCRT клетки-хозяина в отростковую везикулу, делая возможным расслоение мембраны и высвобождение везикул. Другие вирусы могут размножаться без помощи ESCRT, и считается, что ВИЧ также может размножаться независимо от ESCRT.Понимание этих событий почкования и разрыва мембран имеет решающее значение для выяснения того, как вирусы размножаются и как мы можем ингибировать процессы с помощью лекарственного вмешательства.

Транспорт белка в секреторном пути

Как описано ранее, гидрофобный участок из 20-30 аминокислот с основным N-концом и полярной областью на C-конце, выходящей из рибосомы, заставляет белок нацелиться на ER, где синтез завершен. Этот гидрофобный участок может быть отщеплен в случае растворимых белков или может оставаться прикрепленным.Нерасщепленная сигнальная последовательность называется сигнальной якорной последовательностью, поскольку она одновременно сигнализирует нацеливание на ER, а затем переходит к закреплению белка в мембране и становится трансмембранным доменом в полностью свернутом белке. Этап SRP-зависимого нацеливания является общим для белков ER, а также для белков, предназначенных для Гольджи или плазматической мембраны или секретируемых из клетки.

Выход из ER, как полагают, делает возможным некоторый выбор того, какие белки остаются в ER, а какие белки покидают и перемещаются в пузырьках по направлению к Golgi.Сайты выхода ER расположены в областях ER, близких к Golgi, и богаты белками оболочки COPII. Неизвестно, какие именно свойства белка определяют, покинет ли он ER в везикулах COPII, но в настоящее время считается, что длина трансмембранного домена является важным фактором. Более длинные трансмембранные домены, по-видимому, предрасполагают белки к выходу из ER и перемещению к Golgi. Это согласуется с тем фактом, что толщина мембраны увеличивается по секреторному пути из-за повышенного содержания холестерина, как описано ранее.

По прибытии на цис -Гольджи, белки могут быть извлечены в ER, оставаться в Гольджи или перемещаться дальше к плазматической мембране. Извлечение в ER не совсем понятно, но некоторые белки содержат мотивы извлечения, такие как мотив из четырех аминокислот KDEL, который распознается рецептором и позволяет упаковывать белок в ретроградные везикулы COPI. Другие белки, по-видимому, совершают цикл между ER и Golgi без известных мотивов поиска. Белки движутся как в антероградном, так и в ретроградном направлении через стек Гольджи.Затем они могут покинуть транс и -Гольджи и перейти к плазматической мембране в везикулах.

Белки на плазматической мембране могут перемещаться в клетку в пузырьках посредством эндоцитоза (например, когда поверхностные рецепторы интернализуются для разложения в лизосомах). Эндоцитарные везикулы часто покрыты клатрином. Клатрин, как и COP, деформирует мембрану, превращая ее в изогнутые структуры, что способствует образованию пузырьков. Клатрин имеет форму клетки, которая способствует образованию и разделению везикул за счет жесткой формы белковых комплексов, которые образуются на мембране.Не весь эндоцитоз зависит от клатрина, и существуют другие белки, такие как кавеолин, которые могут способствовать образованию эндоцитарных везикул.

Митохондриальные и ядерные белки, нацеленные на

Недавно синтезированные белки, предназначенные для митохондрий или ядра, нацелены другим способом, независимо от секреторного пути. Некоторые митохондриальные белки кодируются митохондриальным геномом, а другие — ядерным геномом. Митохондрии имеют двухслойную мембрану.Следовательно, нацеленные сигналы для митохондриальных белков должны содержать информацию не только для направления белка к органелле, но и для определения, в какой мембране он будет расположен (в случае мембранных белков) или будет ли он находиться внутри митохондрий ( матрикс) или в межмембранном пространстве между внутренней и внешней мембранами (в случае растворимых белков). Мотивы нацеливания на митохондрии сильно различаются, но обычно они расположены на N-конце белка и богаты положительно заряженными и гидрофобными аминокислотами.Белки, предназначенные для ядра, нацелены на последовательности ядерной локализации, которые направляют белки, которые были синтезированы в цитоплазме через комплексы ядерных пор. Опять же, эти последовательности не очень консервативны, но обычно содержат кластеры положительно заряженных аминокислот.

Отправка сообщений через мембраны

Мы уже видели, как ионные каналы и другие транспортные белки могут позволить веществам пересекать липидный бислой. Знание того, как жиро- и водорастворимые вещества проникают через мембраны, важно для понимания того, как сообщения проходят через мембраны и, таким образом, как одна клетка может общаться с другой.Клетки постоянно получают и отправляют сообщения (например, чтобы реагировать на гормональные сигналы, проводить потенциалы действия и ощущать внешние раздражители, такие как вкус и запах).

Мессенджеры: жирорастворимые или водорастворимые?

Вещества, передающие сообщения, известны как посланники, и они сильно различаются по своему химическому составу, размеру и гидрофобности. Чтобы понять, как клетка получает сообщение, важно сначала выяснить, является ли посланник липидным или водорастворимым.Гормоны — это один из примеров мессенджеров, которые выпускаются клетками. В организме человека содержатся как жирорастворимые, так и водорастворимые гормоны. Жирорастворимые гормоны обычно переносятся через кровь в связке с белками-носителями. Стероидные гормоны, такие как андрогены и эстрогены, растворимы в липидах благодаря их кольцевым молекулярным структурам, которые происходят из холестерина. Это позволяет этим гормонам свободно диффундировать через плазматическую мембрану клеток и связываться с их рецепторами, расположенными внутри клеток.В случае эстрогена рецептор располагается в цитоплазме и после связывания лиганда перемещается в ядро, где он связывает ДНК и действует как фактор транскрипции, изменяя экспрессию гена. Рецептор содержит последовательность ядерной локализации, которая скрыта до тех пор, пока эстроген не свяжется, что позволяет ему попасть в ядро.

Другие гормоны, такие как инсулин и адреналин, растворимы в воде и поэтому не могут свободно проходить через мембраны клеток. Их рецепторы расположены снаружи плазматической мембраны, чтобы они могли передавать сообщение, не проникая в клетки.Инсулин связывается с проникающим через мембрану рецептором инсулина на поверхности клеток-мишеней и инициирует сигнальный каскад, который приводит к увеличению количества переносчиков глюкозы на клеточной мембране и последующему увеличению поглощения глюкозы.

G-белки и вторичные мессенджеры

Многие рецепторы клеточной поверхности имеют общие структурные особенности, включая семь пронизывающих мембрану спиралей. Эти рецепторы 7TM связывают свой лиганд (молекулу-мессенджер) на внеклеточной стороне мембраны и связывают GTP-связывающий белок (G-белок) на внутриклеточной стороне.Из-за такого взаимодействия с G-белками эти рецепторы называются рецепторами, связанными с G-белками (GPCR). Когда лиганд связывает GPCR, рецептор претерпевает конформационные изменения, которые передаются через мембранную область на связанный G-белок. Это изменение в структуре позволяет белку G обменивать связанную молекулу GDP на молекулу GTP и тем самым переключаться из неактивного состояния в активное состояние. G-белки состоят из трех субъединиц — α, β и γ. Неактивный, связанный с GDP, G-белок состоит из всех трех субъединиц, с нуклеотидом, связанным в субъединице α.Когда GPCR связывает лиганд, активируется G-белок, и субъединица α, теперь уже связанная с GTP, отделяется от комплекса (). Эта активированная субъединица α теперь имеет открытую поверхность (где были связаны субъединицы β и γ) и может связываться с белками для распространения сигнала. Примером этой нижестоящей передачи сигналов от GPCR является активация аденилатциклазы α-субъединицей, связанной с GTP, в случае β-адренергического рецептора, когда он связывает свой лиганд, адреналин (эпинефрин). Эффект активации аденилатциклазы заключается в увеличении продукции цАМФ из АТФ, что приводит к последующим эффектам.Диссоциированный димер βγ также имеет последующие эффекты. Субъединица α обладает активностью GTPase, так что она может преобразовывать связанный GTP обратно в GDP. Затем связанная с GDP субъединица возвращается и связывает субъединицы β и γ, готовые к следующему циклу передачи сигналов.

GPCR и передача сигналов гетеротримерного G-белка.

Лиганд, связанный с GPCR, показан красным. Связывание делает возможным обмен GDP на GTP ассоциированным G-белком и диссоциацию белка на субъединицы Gα и Gβγ. Затем они оказывают влияние на ряд белков, тем самым распространяя сигнал от связанного лиганда.Желтые стрелки указывают на активацию (стрелка вверх) или ингибирование (стрелка вниз) целей. Регуляторы сигнальных белков G-белка (RGS) помогают GTPase-активности G-белка отключать сигнал. Аррестин может связывать рецептор после фосфорилирования GPCR киназой рецептора G-белка (GRK), снижая чувствительность рецептора к дальнейшей передаче сигналов. Воспроизведено из Berridge, M.J. (2012) Cell Signaling Biology; DOI: 10.1042 / csb0001002, с разрешения.

После начального взаимодействия лиганда с GPCR и диссоциации G-белка сообщение затем передается вторичными посредниками, активируемыми сигнальным каскадом.В только что приведенном примере белок G, связанный с β-адренергическим рецептором, активирует аденилатциклазу, увеличивая выработку цАМФ, который является широко используемым вторичным мессенджером. Большинство эффектов цАМФ обусловлено активацией протеинкиназы A (PKA). PKA фосфорилирует целевые ферменты, чтобы изменить их активность. В случае адреналина PKA активирует ферменты, участвующие в производстве глюкозы из запасов гликогена, и ингибирует ферменты, участвующие в производстве большего количества гликогена.

Около 25% лекарств нацелены на GPCR, поэтому понимание их структуры и функций имеет решающее значение в борьбе с болезнями. Как объяснялось ранее, мембранные белки, как известно, трудно кристаллизовать из-за их гидрофобной природы, а GPCR имеют очень маленькую гидрофильную площадь. Некоторые методы, такие как получение комплекса антитело-рецептор для увеличения гидрофильности, оказались успешными в содействии кристаллизации. Родопсин () был кристаллизован в 2000 году, за ним последовал родственный β ₂ -адренергический рецептор в 2007 году.С тех пор было решено еще несколько структур GPCR, что дало ценную информацию, которая может помочь биологам-вычислительным биологам разработать детальные механизмы передачи сигналов GPCR. Моделирование молекулярной динамики было выполнено на взаимодействиях между GPCR и их партнерскими G белками с использованием кристаллических структур, доступных для информирования процесса моделирования. Эти исследования будут играть важную роль, помогая нам понять, как спирали в GPCR движутся и скручиваются, чтобы передавать внеклеточный сигнал внутриклеточному G-белку.

Кристаллическая структура родопсина.

Ленточное изображение первой кристаллической структуры родопсина показано в плоскости мембраны ( a ) и с цитоплазматической стороны (b). Помечены N- и C-концы, а также семь трансмембранных спиралей (I-VII). Адаптировано из рисунка 2 из Palczewski, K., Kumasaka, T., Hori, T., Behnke, CA, Motoshima, H., Fox, BA, Le Trong, I., Teller, DC, Okada, T., Stenkamp, RE и другие. (2000) Кристаллическая структура родопсина: рецептор, связанный с G-белком.Наука 289 , 739–745.

Нервные импульсы

Нервные импульсы могут возникать, потому что биологические мембраны непроницаемы для ионов, поэтому на них может генерироваться мембранный потенциал, с одним зарядом с одной стороны, чем с другой. Эти мембранные потенциалы генерируются и изменяются ионными каналами. Нервный импульс или потенциал действия генерируется, когда мембрана деполяризуется при притоке положительно заряженных ионов в клетку. Потенциал покоя в нейроне составляет около –70 мВ, поддерживаемый каналами K ⁺ и Na ⁺ / K ⁺ -АТФаза.Когда генерируется потенциал действия, потенциал-зависимые каналы Na ⁺ открываются, как только клеточная мембрана пересекает пороговый потенциал около –60 мВ. Это обеспечивает быстрый приток Na ⁺ вниз по его электрохимическому градиенту, увеличивая мембранный потенциал (т.е. уменьшая его отрицательное значение). Этот приток положительных зарядов позволяет внутренней части клетки становиться положительно заряженной по сравнению с внеклеточной средой, поскольку мембранный потенциал превышает 0 мВ. Сама деполяризация подавляет каналы Na ⁺, поэтому ионы больше не попадают в клетку.Чтобы восстановить отрицательный потенциал покоя, открываются зависимые от напряжения каналы K ⁺, позволяя ионам K ⁺ выходить из ячейки, тем самым делая внутреннюю часть ячейки более отрицательной. Затем может возникнуть постпотенциал (гиперполяризация), в результате чего мембранный потенциал уменьшается ниже –70 мВ, прежде чем он восстанавливается под действием ионных каналов и АТФаз.

Мембраны в здоровье и болезнях

Мы видели, как мембраны и мембранные белки внутри них функционируют в здоровых клетках и организмах.Теперь мы рассмотрим, что происходит при болезни, и как мы можем использовать наши знания о мембранных белках для создания новых лекарств для лечения болезней.

Серьезное заболевание возникает из-за нефункциональных ионных каналов

Муковисцидоз — аутосомно-рецессивное заболевание, которое возникает в результате мутаций в гене CFTR . Этот ген кодирует канал Cl ^—, который играет жизненно важную роль в регулировании вязкости слизи на мембранах, например, в легких. У здоровых людей перенос ионов Cl ^— из клеток через CFTR сопровождается водой, и образуется слизь нужной вязкости.Однако отсутствие каналов Cl ^— приводит к образованию густой обезвоженной слизи, и, следовательно, у пациентов с муковисцидозом возникают затруднения с дыханием и предрасположенность к инфекциям грудной клетки. Большинство случаев муковисцидоза вызвано мутацией ΔF508, которая представляет собой делецию остатка фенилаланина в положении 508 белка. Как почти все мембранные белки, CFTR транслируется на рибосомах в ER, а затем перемещается по секреторному пути к плазматической мембране, где он выполняет свою транспортную роль.Единственная делеция аминокислоты F508 вызывает неправильную укладку белка, и вместо того, чтобы перемещаться на плазматическую мембрану, он удерживается в ER механизмом контроля качества белка. Поэтому очень немногие молекулы CFTR достигают плазматической мембраны у людей с мутацией ΔF508, и это приводит к серьезным заболеваниям.

Подобные заболевания нелегко вылечить. Блокирование механизма контроля качества белка не вариант, потому что это приведет к высвобождению других неправильно свернутых белков с потенциально катастрофическими последствиями.Хотя некоторые современные лекарственные препараты могут облегчить симптомы заболевания, есть надежда, что генная терапия может стать рутинной, поскольку она устраняет причину проблемы. Лечение пациентов с помощью искусственной функциональной версии гена позволяет им производить рабочий белок CFTR, который может экспрессироваться на плазматической мембране. Хотя это не полное излечение, это потенциально эффективный способ значительно уменьшить симптомы муковисцидоза в легких. Поскольку ДНК представляет собой большую гидрофильную молекулу, ее нельзя просто вводить, как многие другие лекарства.Проведение генной терапии является сложной задачей, и это одна из причин, по которой пациентам трудно лечить таким образом, но методы доставки нового генетического материала в клетки были разработаны. Вирусы можно использовать для доставки гена CFTR в клетки, используя их способность вводить в клетки чужеродную ДНК или РНК. Пациентам также можно дать липосомы, содержащие функциональный ген, которые сливаются с клеточными мембранами и доставляют терапевтический ген. Генная терапия — это растущая и важная область исследований, и есть надежда, что многие болезни, включая некоторые виды рака, в конечном итоге можно будет лечить с помощью ДНК.

Мембранные белки обеспечивают точку входа для вирусов

Вирусы, атакующие человеческий организм, могут использовать собственные мембранные белки организма для распознавания своих клеток-мишеней. ВИЧ атакует клетки иммунной системы. Белок на поверхности ВИЧ, называемый gp120, связывается с молекулами белка CD4 на поверхности Т-клеток, которые участвуют в иммунорегуляции, и обеспечивает слияние вируса с клеткой-хозяином. Как только содержимое вируса попадает в CD4-положительную клетку, геном ВИЧ интегрируется с геномом хозяина и использует аппарат хозяина для создания новых копий вируса.Со временем количество Т-лимфоцитов CD4 уменьшается из-за вируса, и иммунная система пациента в конечном итоге становится настолько скомпрометированной, что они не могут бороться с вторгающимися патогенами. Многие терапевтические агенты были созданы, чтобы помочь в борьбе с ВИЧ, и взаимодействие между CD4 и gp120 — лишь одна из точек, в которой можно использовать лекарства, чтобы остановить прогрессирование вируса.

Токсины используют эндоцитоз для проникновения в клетки и блокирования нейротрансмиссии

Различные токсины препятствуют передаче сообщений через биологические мембраны.Нейротоксин столбняка (TeNT) и нейротоксин ботулина (BoNT) представляют собой белковые токсины, которые влияют на передачу нервных импульсов между нервами и мышцами. TeNT вырабатывается почвенной бактерией и вызывает спазмы скелетных мышц, характерные для столбнячной инфекции. Бактерии, продуцирующие TeNT, обычно проникают в организм через раны, а TeNT связывает гликолипиды, обогащенные пресинаптическими мембранами моторных нейронов (2). Затем TeNT подвергается эндоцитозу и перемещается вверх по аксону к дендритам, которые соединяют двигательный нейрон с тормозным интернейроном.TeNT высвобождается в синапс между этими двумя клетками и эндоцитозируется в тормозной интернейрон. Подкисление везикул, содержащих TeNT, приводит к распаду белкового токсина на два домена. Один из них, L-домен, перемещается в цитоплазму интернейрона, где он использует свою протеолитическую активность для расщепления мембранного белка, ассоциированного с везикулами (VAMP). В нормальных условиях VAMP является частью белкового комплекса, который позволяет синаптическим пузырькам сливаться с пресинаптической мембраной и высвобождать тормозные нейротрансмиттеры.Действие протеазы L-домена TeNT означает, что VAMP больше не может функционировать, подавляя высвобождение нейромедиатора через синапс. Поскольку это происходит в тормозных интернейронах, результатом является длительное сокращение скелетных мышц, поскольку двигательный нейрон не передается в тормоз, позволяющий расслабиться.

Механизм действия столбнячного токсина.

Столбнячный токсин (синие кружки) проникает в пресинаптические мембраны мотонейронов путем эндоцитоза и перемещается вверх по аксону к дендритам, которые соединяют мотонейрон с тормозным интернейроном.Микротрубочки (синие и зеленые линии) и актиновые филаменты (красные линии) обеспечивают ретроградный транспорт токсина. TeNT действует на тормозной интернейрон, где он предотвращает высвобождение глицина (красные точки), показанного красным крестом. Маленькие зеленые точки представляют собой нейромедиатор как внутри, так и выделяемый из пузырьков. Взято из рисунка 2 из Россетто, О., Скорцето, М., Мегигиан, А. и Монтекукко, К. (2013) Нейротоксин столбняка. Toxicon 66 , 59–63.

Ботулинический нейротоксин действует аналогично TeNT, но имеет противоположный эффект.Как и TeNT, он выделяется бактериями. BoNT связывается с пресинаптической мембраной моторных нейронов в нервно-мышечном соединении и усваивается ею. Он высвобождается из эндоцитарных везикул в цитоплазму мотонейрона, где действует на комплекс SNARE, подавляя слияние синаптических везикул и высвобождение возбуждающих нейротрансмиттеров в нервно-мышечном соединении. Это блокирует сокращение мышц и вызывает паралич у людей, инфицированных ботулизмом. Несмотря на то, что он иногда смертельно токсичен, BoNT все чаще используется людьми, которые хотят выглядеть моложе.Токсин вводится в мышцы лица, чтобы вызвать паралич, тем самым уменьшая морщины и складки на коже. При таком использовании его называют ботоксом.

Мембранные белки являются мишенью для многих лекарств

Мембранные белки являются важными мишенями для лекарств. По мере расширения наших структурных и функциональных знаний о мембранных белках появляется возможность создавать более эффективные лекарства. Вычислительные инструменты становятся все более важной частью процесса.Одним из важных классов мишеней для лекарств являются порообразующие мембранные белки, кодируемые вирусами. ВИЧ, грипп и полиомиелит, среди других вирусов, кодируют мембранные белки, которые образуют поры в мембранах клетки-хозяина, чтобы вызвать утечку и способствовать инфекции. Один из этих порообразующих белков ранее использовался в качестве лекарственной мишени при лечении гриппа. ЯМР-исследования предоставили структурную информацию о порообразующем белке Vpu из ВИЧ-1. Используя эти данные вместе со структурной информацией о порах с аналогичными последовательностями, можно создать вычислительные модели структуры канала в мембране хозяина.Эти модели в сочетании с передовыми биофизическими методами имеют неоценимое значение для прогнозирования участков потенциального связывания молекулы лекарственного средства, которые затем могут быть протестированы как с помощью вычислений, так и экспериментально.

Больше лекарств нацелено на GPCR, чем любая другая отдельная группа белков. Как объяснялось ранее, конформационные изменения в GPCR позволяют сигналам пересекать мембрану. Однако эти большие изменения в конформации придают белкам гибкость, что затрудняет для исследователей точное определение структур GPCR в какой-либо одной конформации.Решение структур различных конформаций с помощью рентгеновской кристаллографии является сложной задачей. Поскольку GPCR являются такими важными мишенями для лекарств, многие исследования были сосредоточены на выяснении их структур, чтобы сообщить об открытии новых лекарств. Вычислительные методы снова оказались решающими для понимания детальной молекулярной структуры этих белков. Моделирование молекулярной динамики использовалось, чтобы помочь нам понять молекулярные изменения, которые происходят во время активации GPCR, а также какие липиды необходимы для функционирования GPCR.Хотя молекулярно-динамическое моделирование является ключевым методом в этой области исследований, оно имеет некоторые ограничения. Биологические мембраны, окружающие клетки, чрезвычайно сложны и содержат разные типы липидов и белков, как внутри, так и связанные с мембраной. В настоящее время время и финансовые ресурсы, необходимые для обеспечения вычислительной мощности для моделирования такой сложной среды, часто непомерно высоки. Поэтому создаются более простые модели, которые, хотя и способны предсказывать конформационные изменения в рецепторах, таких как GPCR, могут опускать другие взаимодействия, которые важны для активности мембранных белков.Как это часто бывает, потребуется комбинация методов, чтобы лучше понять конформационную гибкость GPCR. Из исследований, проведенных на сегодняшний день, очевидно, что эти рецепторы могут принимать множество различных конформаций, а не иметь простой механизм «включения» и «выключения». Использование разных молекул лекарств для стабилизации различных конформаций в разных сигнальных путях может быть лучшим подходом к поиску более эффективных лекарств в будущем. В настоящее время на исследователей оказывается большое давление с целью заменить, усовершенствовать и сократить использование животных при открытии лекарств (подход, называемый «тремя Р»).Используя компьютеры на ранних стадиях процесса для моделирования взаимодействий лекарство-мишень, исследователи могут производить гораздо более многообещающие соединения для тестирования в экспериментах и испытаниях лекарств.

Работа над толкованием липидов в биологии

Nat Chem Biol. Авторская рукопись; доступно в PMC 2013 27 сентября.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC3785062

NIHMSID: NIHMS514056

H Алекс Браун

Кафедра фармакологии, Школа медицины Университета Вандербильта, Нэшвилл, США .

Роберт С. Мерфи

Кафедра фармакологии, Медицинская школа Денверского университета Колорадо, Аврора, Колорадо, США.

H Алекс Браун, Департамент фармакологии, Медицинский факультет Университета Вандербильта, Нэшвилл, Теннесси, США.

Окончательная отредактированная версия этой статьи издателем доступна на сайте Nat Chem Biol. См. Другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

Как область, липидомика находится в зачаточном состоянии, но уже начала влиять на биохимию липидов множеством способов.Как и в случае с другими атомными технологиями, эта область определяется достижениями аналитической химии, особенно масс-спектрометрии. В основе возрождения липидной биохимии системная биология используется для определения клеточного липома, построения всеобъемлющей картины метаболических взаимосвязей, открытия новых молекулярных видов и определения того, как липиды модулируют биологические функции.

В течение последнего десятилетия наблюдалась активная деятельность в области биохимии липидов, обусловленная достижениями как биохимии, так и аналитической методологии, особенно в области масс-спектрометрии и вспомогательных методов.Это исследование было направлено на улучшение нашего понимания роли, которую липиды играют в клетке и биологии в целом, и привело к пересмотру определения липидных веществ и признанию сложной биохимии, лежащей в основе их синтеза, метаболизма, взаимодействия с белками и роли в регуляции экспрессии генов. Роль липидов еще несколько десятилетий назад была довольно широкой и разнообразной. Эти гидрофобные виды включают семейство молекул, которые служат в качестве единиц метаболизма и хранения энергии, а также в качестве объектов, критически вовлеченных в структуру мембраны и каркас для мембранных белков.Ясно, что полупроницаемая мембрана, образованная сложным набором фосфолипидов, играет центральную роль в развитии самого жизненного процесса в результате своей способности отделять клетки и субклеточные органеллы друг от друга ( ). Другие липиды действуют как сигнальные молекулы, которые координируют биохимические процессы между клетками; к ним относятся эйкозаноиды (простагландины и лейкотриены) в клетках млекопитающих ¹, эстрогены, которые представляют собой циркулирующие гормоны ², и диацилглицерины, которые играют важную роль в событиях передачи внутриклеточного сигнала ³.Разнообразие применения липидов иллюстрируется стероидами, которые не только выполняют физическую роль в плазматической мембране клеток (холестерин или эргостерин), но также выполняют гормональные функции в координации биохимических процессов во всем организме. Обширное разнообразие липидных веществ растительного происхождения иллюстрируется большим количеством натуральных продуктов биосинтетических путей изопреноидов и поликетидов, которые нашли свое применение в нашей фармакопее и нашли применение в медицине.Тем не менее, за последние несколько лет наше понимание роли липидов в клеточной биологии значительно расширилось и включает репрессоры и дерепрессоры, участвующие в качестве агонистов ядерных белковых рецепторов, таких как рецепторы, активирующие пролиферацию пероксисом (PPAR), рецепторы ретиноевой кислоты ( RXR) и Х-рецепторы печени (LXR). Гомосериновые лактоны теперь известны как посредники у чувствительных к кворуму бактерий ⁴. Полифосфатидилинозитолы действуют как внутриклеточные мессенджеры, модулируя структуры мембранных белков, таких как ионные каналы ⁵, и обеспечивая стыковочные участки для транслокации цитозольных сигнальных белков.Таким образом, те соединения, которые мы называем липидами, глубоко интегрированы во всю ткань и химию клеточной биологии из-за своих уникальных свойств и структур.

Биологические мембраны часто изображают как море гомогенных липидов, в котором находятся мембранные белки и перемещаются цитозольные белки. В действительности клеточные мембраны состоят из химически разнообразных липидов, которые регулируют основные биофизические, метаболические и сигнальные процессы.

Даже в настоящее время липиды определяются как молекулы, растворимые в органических растворителях или, по крайней мере, экстрагированные из водных систем с использованием несмешивающегося растворителя ⁶.Существует так много примеров липидных веществ, которые не подчиняются этому простому правилу, что определение этих веществ на основе их биосинтетического происхождения гораздо более наглядно ⁷. Мы знаем, что липиды в природе происходят от одного из двух различных биосинтетических путей. Первый путь включает конденсацию промежуточных продуктов ацильного белка-носителя (АСР), полученных из эфиров малонил-КоА и ацетил-КоА, и промежуточную структуру карбаниона ( ). Этот механизм приводит к большому количеству липидов, содержащих жирную ацильную цепь, включая жирные кислоты, фосфолипиды и глицеролипиды.Очень похожий процесс, хотя и отличающийся ферментативно, — это путь биосинтеза поликетидов у растений ⁸. Второй путь (и, возможно, самый старый путь, ведущий к липидоподобным веществам на Земле) — это путь карбокатиона, который включает конденсацию 5-углеродных пирофосфатных промежуточных соединений с разветвленной цепью и промежуточное звено карбокатиона в этом процессе ( ). Этот путь карбокатиона приводит ко всем липидам, которые присутствуют в домене Archaea, и большому количеству липидов в доменах Bacteria и Eukarya, таких как стероиды, полиизопреноиды и сильно пигментированные молекулы, такие как каротиноиды ⁹.Рассмотрение липидов с точки зрения их биосинтетического механизма происхождения устраняет многие технические проблемы, связанные с их определением на основе растворимости органических растворителей.

Известные начальные биохимические стадии, ответственные за синтез всех липидов. Синтез происходит либо через промежуточный карбанион (жирные ацилы и поликетиды, отсюда глицеролипиды, сфинголипиды, сахаролипиды и глицерофосфолипиды у млекопитающих и растений), либо через промежуточный карбокатион (пренолы, стероиды и глицеролипиды архей, сфинголипиды и глицерофосфолипиды 75 по эталонам Fahy75). ⁷.

Разнообразие липидов

В основе возрождения липидной биохимии лежит попытка ответить на два очень простых вопроса: сколько существует видов липидов и как они взаимодействуют с другими молекулами? Неожиданные ответы: (i) чрезвычайно большое количество — сотни тысяч липидов — и (ii) постоянно расширяющийся список взаимодействий с белками и другими липидами. Это разнообразие является отражением важности уникального свойства — амфипатичности липидов с их гидрофобными ацильными хвостами и гидрофильными головными группами — вовлеченных в жизненный процесс, и необходимости иметь механизмы, поддерживающие локализованные компартменты.

Увеличение количества и типов идентифицированных липидов, которые присутствуют в одном типе клеток, стало возможным благодаря применению масс-спектрометрии и разработке мощных методов, которые могут структурно исследовать эти молекулы и количественно определять их присутствие в клетке. . Важным компонентом липидного анализа в прошлом было использование хроматографического разделения, и этот подход остается актуальным и сегодня. Анализ липидов сто лет назад был довольно трудным, как показано в работе Koch and Woods ¹⁰ по оценке фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов (лецитанов) в различных тканях.На том раннем этапе развития биологической химии анализ фосфолипидов в значительной степени основывался на гравиметрическом измерении фосфора, выделенного из определенного экстракта.

Начало современной эры липидного анализа было положено применением новых химических методов хроматографии, таких как тонкослойная хроматография ¹¹, а также для низкомолекулярных липидов, таких как жирные кислоты и метиловые эфиры жирных кислот, газовая хроматография. Оба подхода позволили отделить сложную смесь липидов, которые обычно присутствовали в экстрактах органических растворителей, от биологических матриц ¹².К 1960-м годам стало возможным также использовать масс-спектрометрию для детального анализа липидов ¹³, а появление комбинированной системы газовый хроматограф / масс-спектрометр / компьютер ¹⁴ позволило быстро создать базы данных с помощью этого тандемного аналитического прибора. которые можно искать для обнаружения элюирования неожиданных липидов на основе свойств хроматографического разделения и уникальных масс-спектрометрических характеристик ¹⁵.

Тем не менее, основные успехи в способности анализировать все липиды с помощью мощной техники масс-спектрометрии были достигнуты только после разработки методов ионизации: электрораспылительной ионизации ¹⁶ и матричной лазерной десорбционной ионизации ¹⁷.Электрораспылительная ионизация (ESI) предоставила реалистичный подход к анализу любого липида, который можно экстрагировать либо методами экстракции растворителем, либо технологией гидрофобной твердофазной экстракции. Поскольку ESI можно было легко связать с выходящим потоком жидкостного хроматографа, для прямого анализа ЖХ / МС стала рутинной доступной ВЭЖХ как с нормальной, так и с обращенной фазой. Параллельное развитие масс-спектрометрических методов, включая вызванную столкновениями диссоциацию ионов газовой фазы, тандемную масс-спектрометрию и стратегии количественного анализа, позволило применять масс-спектрометрию как чувствительный и специфический количественный инструмент.

Вскоре стало очевидно, что мир липидов чрезвычайно разнообразен по структуре, количеству и биохимическому применению. Было обнаружено, что для многих липидов, таких как фосфолипиды, глицеролипиды и сфинголипиды, в тканях и клетках присутствуют тысячи различных молекулярных видов. Возможность качественно определять такие липиды на уровне молекулярных видов привела к следующему уровню вопросов, касающихся абсолютного количества каждого из этих молекулярных видов липидов. Может ли количественная информация выявить уникальные биохимические пути на их пересечении? Таким образом, область липидомики началась и была применена к системам млекопитающих, растений, грибов и бактерий.

Метаболомика и системная биология

Было применено несколько различных подходов для сбора информации о количестве и идентичности липидов, присутствующих в клетках или тканях. Один из методов позволил свести к минимуму использование хроматографии и максимально использовать уникальные свойства масс-спектрометра и техники ионизации для получения картины липидов, которые можно было обнаружить в экстракте. Определяющим подходом стал одновременный анализ всех липидов как положительных, так и отрицательных ионов.Этот метод стал известен как «липидомика дробовика», и были получены впечатляющие результаты по профилированию липидов (включая фосфолипиды, глицериновые липиды и сфинголипиды), которые присутствуют во многих различных типах биологических экстрактов ^18,19.

Более традиционный подход заключается в использовании возможностей хроматографического разделения для разделения сложной смеси на основные категории, такие как нейтральные липиды, фосфолипиды и сфинголипиды, и последовательного анализа каждого из подклассов липидов с использованием масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением, а также газа. методы фазовой ионной химии тандемной масс-спектрометрии для идентификации конкретных молекулярных видов.Существует важная структурная информация, которую можно найти в порядке элюирования из колонок для ВЭЖХ, которая может значительно помочь в характеристике липидов, которые нельзя легко идентифицировать только с помощью масс-спектрометрического анализа, например, наличие связанных с эфиром триглицеридов (моноалкилдиацилглицеридов) в смесях триацилглицерины в липидных телах ²⁰. Методы хроматографического разделения также позволили исследователям определить положение двойной связи в жирных ацильных группах или расположение жирных ацильных групп в основной цепи глицерина.В первом случае недавно был описан интересный подход, который использует вызванную столкновением диссоциацию в присутствии озона и фиксирует легкую химию воздействия озона на изолированные двойные углерод-углеродные связи в образовании уникальных альдегидов и гидроксигидропероксисоединений, которые указывают на положение двойных связей в конкретной жирной ацильной группе ²¹. Хотя использование хроматографической стратегии и тандемной масс-спектрометрии снижает некоторые проблемы липидомики дробовика (например, подавление ионов и обнаружение второстепенных компонентов в сложных смесях), тем не менее, для ее реализации требуется значительно больше времени и усилий.Вершиной этого общего подхода является анализ эйкозаноидов, присутствующих в биологическом образце (эйкозаномика), который требует мощности хроматографического разделения в сочетании с масс-спектрометрическим детектированием для количественного определения субпикомолярных уровней этих метаболитов арахидоната, образующихся после клеточной активации ²². Такие анализы были бы невозможны при использовании «дробовика», поскольку эти липиды являются лишь второстепенными составляющими традиционных липидных экстрактов.

Проблемы количественного определения

Основной проблемой во всех областях липидомики является доступность как стандартных образцов, так и конкретных липидов, которые могут служить внутренними стандартами для метода масс-спектрометрического количественного определения.Количественный анализ с помощью масс-спектрометрии требует наличия эталонных соединений для построения стандартной кривой, однако в большинстве случаев коммерчески доступно очень мало молекулярных разновидностей подтипа липидов. В настоящее время доступно менее 10 стандартных образцов для построения количественных кривых для всех арахидонатсодержащих глицерофосфолипидов, которых, как мы теперь знаем, превышает 100 в такой клетке, как макрофаг ²³. Мы также знаем, что активация рецепторов клеточной поверхности приводит к изменениям многих видов липидов, а не только нескольких конкретных молекулярных видов ²⁴, что требует построения непомерно большого количества количественных стандартных кривых.Масс-спектрометрический анализ также зависит от ряда переменных, которые изменяют абсолютную чувствительность, которую необходимо оценивать и контролировать, чтобы преобразовать наблюдаемое содержание иона в количественную меру концентрации липидов. Без наличия настоящих эталонных стандартов и соответствующего внутреннего стандарта (такого как молекула, меченная стабильным изотопом для каждого целевого молекулярного вида), единственный открытый путь — ряд компромиссов. Ясно, что эффективность ионизации, стабильность ионов и относительное образование положительных и отрицательных ионов в значительной степени зависят от тонких химических свойств исследуемого липида.Кроме того, небольшие структурные различия — например, положение двойных связей, положение жирного ацилирования в основной цепи глицерина, длина углеродной цепи, ионные аддукты, количество двойных связей и составная молекулярная масса — могут изменить абсолютные уровни сигнала, которые измеряются как количественный показатель липида. Хотя компромиссы явно необходимы, результаты могут быть достаточно точными, чтобы дать ответы на биохимические вопросы. Например, при сравнении образцов из параллельных липидомических измерений, в которых точность очень высока, более низкая точность в абсолютном количестве не так важна.Можно даже более точно выявить различия между контрольными и обработанными образцами. Разработаны стратегии маркировки аминофосфолипидов (глицерофосфоэтаноламин и -сериновые липиды) различными производными, меченными стабильными изотопами, что позволяет очень точно сравнивать все молекулярные виды аминофосфолипидов ²⁵.

Помня об этих ограничениях, важно задать следующий вопрос: насколько точным нужно быть, чтобы собрать важную информацию о липидах, присутствующих в клетках на уровне молекулярных видов? Используя доступные в настоящее время инструменты, вполне вероятно, что можно получить 20–50% абсолютную точность количественного определения липида в очень сложных смесях ²⁶.Во многих случаях это все еще ниже биологической изменчивости. Используя подходы с изотопной меткой, можно уменьшить это в десять раз при относительной количественной оценке ²⁵.

Для некоторых биологических систем по-прежнему невозможно провести абсолютный количественный анализ отдельных молекулярных видов в пределах определенного класса. Это совершенно очевидно с глицеролипидами и сложными эфирами воска. В значительной степени это связано с количеством молекул с одинаковой точной молекулярной массой (изобарными), которые присутствуют в сложных смесях.Молекулярно-ионный анализ с помощью масс-спектрометрии показывает общее количество жирных ацильных атомов углерода и общее количество двойных связей. Для некоторых смесей триглицеридов, выделенных из клеток млекопитающих, молекулярные ионы могут представлять собой смеси 6-10 различных молекулярных форм триацилглицерина ²⁷. Еще более сложные смеси триацилглицерина выделяют из рыбьего жира, который содержит большое количество полиненасыщенных жирных кислот и изобарических ионов, соответствующих 20–30 различным молекулярным видам липидов.Таким образом, измерение единственного отношения массы к заряду не дает картины индивидуального молекулярного видового состава, и если наблюдается изменение в содержании ионов, этот ион не показывает, какая из десяти изобарических разновидностей фактически изменилась. Хотя хроматографическое разделение предлагает некоторую помощь, тем не менее проблемы остаются.

Динамика молекул липидов

Несмотря на мощь масс-спектрометрии и общепризнанные ограничения количественного анализа, основной упор делается на использование информации, полученной в результате таких исследований, с помощью методов информатики для понимания липидных путей и биохимических механизмов.Молчаливое предположение состоит в том, что при наличии достаточной информации можно будет действительно определить биохимию липидов (во многом как библейский документ, состоящий из простого набора символов идентичности липидов и абсолютной концентрации липидов), а затем применить эту информацию для определения нормальных клеточных и патологических процессов. . Значительные усилия были вложены в анализ липидов в течение ряда лет, и одно из явных выводов состоит в том, что концентрация отдельных молекулярных видов является динамической переменной.Идентичные количества фосфолипидов и видов глицеролипидов трудно воспроизвести из лаборатории в лабораторию и даже в одной и той же лаборатории в разное время, даже если не предпринимается попыток повредить клетки. Отражает ли это отсутствие точной количественной оценки или раскрывается биологическое сообщение? Мы думаем, что так оно и есть. Можно предположить, что эти результаты показывают, что популяция липидов внутри клеточной мембраны и внутри субклеточных мембран очень динамична и что можно получить только моментальную картину присутствующих молекулярных видов липидов, когда проводят экстракцию и останавливают ремоделирование липидов. События.В течение некоторого времени было признано, что ремоделирование липидов, в частности фосфолипидов, является активным процессом и является результатом активности ацилтрансферазы, о которой мало что было известно ²⁸. Однако теперь совершенно ясно, что семейство лизофосфолипид-ацилтрансфераз существует во всех клетках, и каждая из них имеет довольно специфические особенности как для полярной головной группы лизофосфолипидов, так и для жирных ацил-КоА.

Если точный состав и концентрации видов липидов, присутствующих в покоящейся клетке, динамически изменяются, весьма вероятно, что клетка может выдерживать критические реакции с множеством различных липидных составов, а не с одним составом.Это делает липидомный подход к пониманию биологии и патологии намного более сложным, чем предполагаемый при сравнении с областью геномики.

Новые рубежи и направления будущего

Фундаментальная проблема остается в анализе липидов на клеточном или даже тканевом уровне. Очень важно знать, где находится конкретный липид в определенном клеточном компартменте, будь то плазматическая мембрана, аппарат Гольджи, митохондрии, ядерная оболочка или липидные тела.Доступны довольно традиционные методы выделения субклеточных органелл с помощью дифференциального центрифугирования для исследования внутриклеточных местоположений конкретных липидных молекулярных видов. Тем не менее, когда кто-то извлекает клетку, он, безусловно, смешивает липиды в процессе гомогенизации и экстракции, что может привести к потере информации о конкретном расположении липидов. Когда мембраны разрушаются, химия говорит нам, что они реформируются, так почему бы им не переформироваться в химерные мембраны?

Многие достижения в клеточной биологии являются прямым результатом знания (i) внутриклеточных сайтов, в которых находятся определенные белки, и (ii) где и как белки перемещаются во время клеточной активации и во время основных клеточных событий, таких как гибель клеток.Липиды по своей природе не имеют легкодоступных хромофоров, которые являются достаточно уникальными, чтобы их можно было непосредственно наблюдать с использованием очень мощных оптических микроскопических методов. Кроме того, из-за их небольшого размера невозможно модифицировать липиды таким образом, чтобы придать такое свойство без нарушения естественного химического характера липида. Наиболее близким подходом является включение радиоактивно меченных индикаторов, таких как меченые тритием липиды, и использование методов микроскопической авторадиографии для определения местоположения атомов трития в клетке.Однако точная химическая природа атома трития остается неизвестной, и только его бета-частица может быть обнаружена с помощью химии ионов серебра.

Недавно профилирование на основе масс-спектрометрии было использовано для назначения новых функций липидным посредникам и для облегчения разработки новых низкомолекулярных ингибиторов. Long et al. ²⁹ недавно описали роль эндогенного 2-арахидоноилглицерина в нескольких формах поведения, классически связанных с фармакологией каннабиноидов.Эти авторы использовали ингибитор моноацилглицеринлипазы для селективной модификации уровней 2-арахидоноилглицерина без изменения близкородственных видов анандамида. Аналогичным образом Scott et al. ³⁰ использовали профили на основе масс-спектрометрии, чтобы облегчить разработку изоформ-селективных ингибиторов фосфолипазы D и изучить роль сигнальных липидов в моделях метастатического рака молочной железы. Эти подходы иллюстрируют, как улучшения в аналитических методологиях и химической биологии применяются к важным вопросам биохимии и фармакологии.

Появляются новые технологии, которые показывают многообещающие решения этой уникальной пустоты в биохимии липидов. Масс-спектрометры могут использоваться для визуализации тканей и выявления местоположения эндогенных липидов с помощью большого количества вторичных ионов, испускаемых с поверхности, либо при лазерной десорбционной ионизации с использованием матрицы (визуализация MALDI) ( ) ³¹, либо в методах вторичной ионной эмиссии (SIMs). . Хотя SIM-карты могут достигать поперечного разрешения поверхностей в нанометровом масштабе ³², они страдают от использования высокоэнергетических ионных пучков, которые имеют тенденцию разлагать хрупкие липиды на довольно невзрачные ионы-продукты, такие как ион фосфохолинии ( m / z 184).Несколько групп расширяют границы обоих методов, чтобы получить информацию о липидах на тканевом уровне, наблюдая за субклеточной областью. Одним из наиболее привлекательных достижений стало использование многоатомных ионных частиц, таких как C ₆₀ ⁺ bucky-ball ³³. Разрабатываются новые инструменты, которые обещают значительно улучшить латеральное разрешение, которое, возможно, может быть применено для анализа тканей и (что более важно) липидов в отдельной клетке.Разрабатываются другие инструменты, которые используют альтернативные средства для разделения ионов и тем самым повышают аналитическую мощность масс-спектрометрического эксперимента — например, между источником ионизации электрораспылением и масс-спектрометром может быть введена дрейфовая трубка, которая позволяет разделение на основе свойств столкновения и форма молекулы, а не абсолютная масса иона ³⁴.

Компьютерное изображение мозга, полученное с помощью масс-спектрометрии MALDI. Масс-спектральная визуализация среза мозга мыши 10 мкм (срединный сагиттальный срез) для фосфатидилхолина, содержащего докозагексаеновую кислоту (18: 0/22: 6-PC), в виде положительного иона при m / z 834.6 с использованием масс-спектрометрии MALDI. Самая высокая интенсивность ионов (самый яркий оттенок) наблюдалась в сером веществе мозжечка (методы см. В ссылке 31). c.p.s., отсчетов в секунду.

Резюме

Возможность анализировать большое количество липидов, присутствующих в биологической системе, позволяет по-новому взглянуть на биохимию липидов, что ранее было невозможно. Ясно, что большой объем информации заключен в распределении и концентрации липидов в молекулярных формах.Кроме того, ряд уникальных липидов присутствует в клетках и тканях в очень низких концентрациях, которые служат сигналами для клеточных событий. В то время как большинство биосинтезированных липидов довольно хорошо известно для организмов млекопитающих, значительно меньше известно о липидах, присутствующих в прокариотах, архее и растениях. К счастью, инструменты, которые могут решать конкретные задачи и способствовать исследованиям в этой области, постоянно совершенствуются и развиваются. С постоянным прогрессом в чувствительности и пропускной способности масс-спектрометрии мы, вероятно, обнаружим новые связи и перекрестные связи в метаболизме видов в различных классах липидов, которые ранее считались несопоставимыми и изолированными друг от друга.Однако механистическое понимание таких новых отношений не появится просто из наблюдения ковариации в количествах. Скорее, эти открытия вызовут новые вопросы, на которые необходимо ответить с помощью классических биохимических подходов. Липидомика не дает никаких волшебных путей к пониманию роли липидов в биологии; скорее, эта новая технология дает представление о гештальте биологической системы. Из-за разнообразия классов, огромного разнообразия молекулярных видов и динамики ремоделирования липидомика предлагает мощный инструмент для изучения надежной природы липидной биохимии с прицелом на критическое рассмотрение и возможное понимание биохимии липидов в жизненном процессе.

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта работа была частично поддержана крупномасштабным грантом консорциума Национальных институтов здравоохранения США (GM 069338).

Информация для авторов

Роберт С. Мерфи, Департамент фармакологии, Медицинская школа Денверского университета Колорадо, Аврора, Колорадо, США.

Ссылки

2. Hewitt SC, Harrell JC, Korach KS.Анну. Rev. Physiol. 2005. 67: 285–308. [PubMed] [Google Scholar] 6. Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. 5-е изд. 115. Наука о гирляндах; Нью-Йорк: 2008. [Google Scholar] 10. Кох В., Вудс Х.С. J. Biol. Chem. 1906; 1: 203–211. [Google Scholar] 14. Hites RA, Biemann K. Anal. Chem. 1968; 40: 1217–1221. [Google Scholar] 15. Мерфи Р.К., Джуричич М.В., Марки С.П., Биманн К. Наука. 1969; 165: 695–697. [PubMed] [Google Scholar] 16. Фенн Дж. Б., Манн М., Мэн СК, Вонг С.Ф., Уайтхаус СМ. Наука. 1989; 246: 64–71.[PubMed] [Google Scholar] 17. Хилленкамп Ф., Карас М., Бивис Р.С., Чайт Б.Т. Анальный. Chem. 1991; 63: 1193A – 1203A. [PubMed] [Google Scholar] 23. Rouzer CA, Иванова П.Т., Бирн М.О., Браун Х.А., Марнетт Л.Дж. Биохимия. 2007; 46: 6026–6042. [PubMed] [Google Scholar] 27. McAnoy AM, Wu CC, Murphy RC. Варенье. Soc. Масс-спектрометрия. 2005; 16: 1498–1509. [PubMed] [Google Scholar] 34. Маклин Дж. А., Риденур ВБ, Каприоли РМ. J. Mass Spectrom. 2007. 42: 1099–1105. [PubMed] [Google Scholar]

3.4 Клеточная мембрана — Концепции биологии — 1-е канадское издание

К концу этого раздела вы сможете:

Понять жидкую мозаичную модель мембран
Опишите функции фосфолипидов, белков и углеводов в мембранах

Плазматическая мембрана клетки определяет границу клетки и определяет характер ее контакта с окружающей средой.Клетки исключают одни вещества, поглощают другие и выделяют третьи в контролируемых количествах. Плазматические мембраны ограничивают границы клеток, но они не являются статическим мешком, а динамичны и постоянно находятся в движении. Плазматическая мембрана должна быть достаточно гибкой, чтобы определенные клетки, такие как эритроциты и лейкоциты, могли изменять форму при прохождении через узкие капилляры. Это наиболее очевидные функции плазматической мембраны. Кроме того, поверхность плазматической мембраны несет маркеры, которые позволяют клеткам узнавать друг друга, что жизненно важно, поскольку ткани и органы формируются на раннем этапе развития, и которые позже играют роль в различении «я» и «не-я». иммунный ответ.

Плазматическая мембрана также несет рецепторы, которые являются местами прикрепления определенных веществ, взаимодействующих с клеткой. Каждый рецептор устроен так, чтобы связываться с определенным веществом. Например, поверхностные рецепторы мембраны создают изменения внутри, такие как изменения ферментов метаболических путей. Эти метаболические пути могут иметь жизненно важное значение для обеспечения клетки энергией, выработки определенных веществ для клетки или расщепления клеточных отходов или токсинов для утилизации.Рецепторы на внешней поверхности плазматической мембраны взаимодействуют с гормонами или нейротрансмиттерами и позволяют передавать свои сообщения в клетку. Некоторые сайты распознавания используются вирусами как точки прикрепления. Хотя они очень специфичны, патогены, такие как вирусы, могут развиваться, чтобы использовать рецепторы для проникновения в клетку, имитируя конкретное вещество, которое рецептор должен связывать. Эта специфичность помогает объяснить, почему вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) или любой из пяти типов вирусов гепатита проникает только в определенные клетки.

В 1972 году С. Дж. Сингер и Гарт Л. Николсон предложили новую модель плазматической мембраны, которая, по сравнению с более ранним пониманием, лучше объясняла как микроскопические наблюдения, так и функцию плазматической мембраны. Это было названо моделью жидкой мозаики. Модель со временем несколько эволюционировала, но по-прежнему лучше всего объясняет структуру и функции плазматической мембраны в том виде, в каком мы их теперь понимаем. Модель жидкой мозаики описывает структуру плазматической мембраны как мозаику компонентов, включая фосфолипиды, холестерин, белки и углеводы, в которых компоненты могут течь и изменять положение , сохраняя при этом базовую целостность мембраны.Как молекулы фосфолипидов, так и встроенные белки способны быстро и латерально диффундировать в мембрану. Текучесть плазматической мембраны необходима для активности определенных ферментов и транспортных молекул внутри мембраны. Плазменные мембраны имеют толщину от 5 до 10 нм. Для сравнения, красные кровяные тельца человека, видимые с помощью световой микроскопии, имеют толщину примерно 8 мкм, или примерно в 1000 раз толще плазматической мембраны.

Рис. 3.21. Жидкая мозаичная модель структуры плазматической мембраны описывает плазматическую мембрану как жидкую комбинацию фосфолипидов, холестерина, белков и углеводов.

Плазматическая мембрана состоит в основном из бислоя фосфолипидов со встроенными белками, углеводами, гликолипидами и гликопротеинами, а в клетках животных — холестерином. Количество холестерина в плазматических мембранах животных регулирует текучесть мембраны и изменяется в зависимости от температуры окружающей среды клетки. Другими словами, холестерин действует как антифриз на клеточной мембране, и его больше у животных, живущих в холодном климате.

Основная ткань мембраны состоит из двух слоев молекул фосфолипидов и полярных концов этих молекул (которые выглядят как набор шариков в изображении модели художником) (рис. 3.22) контактируют с водной жидкостью как внутри, так и вне клетки. Таким образом, обе поверхности плазматической мембраны гидрофильны. Напротив, внутренняя часть мембраны между двумя ее поверхностями представляет собой гидрофобную или неполярную область из-за хвостов жирных кислот. В этой области нет притяжения для воды или других полярных молекул.

Рис. 3.22. Эта молекула фосфолипида состоит из гидрофильной головки и двух гидрофобных хвостов. Гидрофильная головная группа состоит из фосфатной группы, присоединенной к молекуле глицерина.Гидрофобные хвосты, каждый из которых содержит насыщенную или ненасыщенную жирную кислоту, представляют собой длинные углеводородные цепи.

Белки составляют второй по величине химический компонент плазматических мембран. Интегральные белки встроены в плазматическую мембрану и могут охватывать всю или часть мембраны. Интегральные белки могут служить каналами или насосами для перемещения материалов в клетку или из клетки. Периферические белки находятся на внешней или внутренней поверхности мембран, прикреплены либо к интегральным белкам, либо к молекулам фосфолипидов.Как интегральные, так и периферические белки могут служить ферментами, структурными прикреплениями волокон цитоскелета или частью сайтов узнавания клетки.

Углеводы — третий важный компонент плазматических мембран. Они всегда находятся на внешней поверхности клеток и связаны либо с белками (образуя гликопротеины), либо с липидами (образуя гликолипиды). Эти углеводные цепи могут состоять из 2–60 моносахаридных единиц и могут быть прямыми или разветвленными. Наряду с периферическими белками углеводы образуют на поверхности клетки специализированные участки, которые позволяют клеткам узнавать друг друга.

Эволюция в действии

Как вирусы заражают определенные органы Специфические молекулы гликопротеинов, экспонированные на поверхности клеточных мембран клеток-хозяев, используются многими вирусами для заражения определенных органов. Например, ВИЧ способен проникать через плазматические мембраны определенных видов белых кровяных телец, называемых Т-хелперами и моноцитами, а также через некоторые клетки центральной нервной системы. Вирус гепатита поражает только клетки печени.

Эти вирусы способны проникать в эти клетки, потому что клетки имеют на своей поверхности участки связывания, которые вирусы использовали с одинаково специфичными гликопротеинами в своей оболочке.(Рисунок 3.23). Клетка обманывается имитацией молекул вирусной оболочки, и вирус может проникать в клетку. Другие сайты узнавания на поверхности вируса взаимодействуют с иммунной системой человека, побуждая организм вырабатывать антитела. Антитела вырабатываются в ответ на антигены (или белки, связанные с инвазивными патогенами). Эти же сайты служат местами для прикрепления антител и либо уничтожают, либо подавляют активность вируса. К сожалению, эти сайты на ВИЧ кодируются генами, которые быстро меняются, что очень затрудняет производство эффективной вакцины против вируса.Популяция вируса внутри инфицированного человека быстро эволюционирует посредством мутаций в разные популяции или варианты, различающиеся различиями в этих сайтах распознавания. Это быстрое изменение вирусных поверхностных маркеров снижает эффективность иммунной системы человека при атаке вируса, поскольку антитела не распознают новые вариации поверхностных структур.

Рис. 3.23. ВИЧ присоединяется к рецептору CD4, гликопротеину на поверхности Т-клеток, и связывается с ним, прежде чем проникнуть в клетку или инфицировать ее.

Современное понимание плазматической мембраны называется моделью жидкой мозаики. Плазматическая мембрана состоит из бислоя фосфолипидов, причем их гидрофобные хвосты жирных кислот контактируют друг с другом. Ландшафт мембраны усыпан белками, некоторые из которых покрывают мембрану. Некоторые из этих белков служат для транспортировки материалов в клетку или из клетки. Углеводы присоединяются к некоторым белкам и липидам на обращенной наружу поверхности мембраны.Они образуют комплексы, которые функционируют, чтобы идентифицировать клетку с другими клетками. Жидкая природа мембраны обязана конфигурации хвостов жирных кислот, присутствию холестерина, встроенного в мембрану (в клетках животных), и мозаичному характеру белков и комплексов белок-углевод, которые не закреплены прочно. место. Плазматические мембраны ограничивают границы клеток, но они не являются статическим мешком, а динамичны и постоянно находятся в движении.

модель жидкой мозаики: модель структуры плазматической мембраны в виде мозаики компонентов, включая фосфолипиды, холестерин, белки и гликолипиды, в результате чего получается жидкость, а не статический характер

Авторство в СМИ

Рисунок 3.23: модификация работы Национальных институтов здравоохранения США / Национального института аллергии и инфекционных заболеваний

Передача сигналов липидов — обзор

3.10 Ось печень – мозг ARBD

Церамиды — это молекулы, передающие липиды, которые способствуют разнообразным клеточным ответам, включая пролиферацию, подвижность, пластичность, воспаление, апоптоз и инсулинорезистентность. ¹⁸¹ Церамиды образуются во время биосинтеза или деградации сфингомиелина. ^64,182–185 При липолизе, связанном с заболеванием, резистентность к инсулину инициируется стрессом ER и митохондриальной дисфункцией ^74,186 из-за активации провоспалительных цитокинов церамидами и ингибирования передачи сигналов инсулина через киназу PI3-Akt.^66–69 В человеческих и экспериментальных моделях ALD уровни церамидов в печени и сыворотке повышены, а их профили (молекулярные формы) изменяются, и эти ответы частично опосредуются изменениями в экспрессии матричной РНК и ферментативной активности. ^11,187

Многие исследования продемонстрировали прямые токсические и дегенеративные эффекты этанола с использованием моделей in vitro. ⁴¹ Следовательно, этанол, который обходит периферические системы детоксикации, может напрямую вызывать повреждение и дегенерацию ЦНС за счет увеличения окислительного стресса, повреждения ДНК, перекисного окисления липидов, дисфункции митохондрий и нарушения липидного состава мембран, что приводит к резистентности к инсулину / IGF.^{34 141 152} Нейроны и олигодендроциты ЦНС чувствительны к инсулину. ^34,133,145 Инсулин и IGF способствуют их жизнеспособности, энергетическому метаболизму, синтезу нейромедиаторов, пластичности и гомеостазу миелина. Метаболические стрессы нарушают функции олигодендроглии, включая поддержание миелина. ^134,135,150 Поскольку церамиды образуются в головном мозге во время оборота и деградации миелина, можно ожидать, что факторы, нарушающие функцию олигодендроглии, увеличивают синтез церамидов.^188,189 Локально повышенное производство церамидов может ухудшить резистентность мозга к инсулину / IGF, нейровоспаление и окислительный стресс. ^{181 183 185 190 191} Степень, в которой этот сценарий опосредует связанную с алкоголем нейродегенерацию (то есть атрофию WM), вероятно, будет коррелировать с неэффективностью периферических (желудочно-кишечных и печеночных) систем детоксикации или перееданием, которое подавляет сеть.

Стеатогепатит, вызванный ALD, NAFLD или хронической инфекцией вируса гепатита C, может быть связан с когнитивной и нейропсихиатрической дисфункцией.^128,192,193 Кроме того, стеатогепатит, вызванный хроническим кормлением с высоким содержанием жиров и / или воздействием низких доз нитрозаминов, также вызывает когнитивные нарушения и нейродегенерацию. ^{31,179,194–196} В этих моделях стеатогепатит был связан с инсулинорезистентностью как в печени, так и в головном мозге, что проявлялось снижением связывания с рецептором инсулина, экспрессией генов и активацией тирозинкиназы; снижение экспрессии генов, необходимых для метаболизма и синтеза нейромедиаторов в головном мозге ^{31,179,194–196}; и повышенный окислительный стресс.Дальнейшие исследования показали, что стеатогепатит был связан с повышенной экспрессией нескольких генов, которые увеличивают уровни церамидов в печени, и более высокими уровнями иммунореактивности церамидов в печени и периферической крови. Кроме того, у крыс, получавших этанол, развивалась резистентность ЦНС к инсулину с нейродегенерацией и когнитивными нарушениями ^9,130 в тандеме со стеатогепатитом, хотя со временем дисрегуляция церамидного гена измерялась как в печени, так и в мозге по мере прогрессирования заболевания. ¹⁴

Механически токсичные липиды, включая церамиды, могут преодолевать гематоэнцефалический барьер и вызывать инсулинорезистентность, препятствуя критическим событиям фосфорилирования ¹⁷² и активируя провоспалительные цитокины.^181,197 Мы предполагаем, что ALD косвенно вызывает инсулинорезистентность ЦНС и дегенерацию WM, когда гепатоцеллюлярное повреждение достаточно серьезное, чтобы цитотоксические липиды, полученные из печени, попали в кровоток. Цитотоксические керамиды, проникающие через гематоэнцефалический барьер, вызывают инсулинорезистентность ЦНС, окислительный стресс и активацию провоспалительных цитокинов. Эти эффекты могут активировать самоусиливающийся патогенный каскад из-за активации сигнальных механизмов, которые приводят к увеличению местного производства и накопления цитотоксических церамидов в ЦНС.По сути, мы предполагаем, что ARBD опосредуется двумя механизмами: (1) прямыми нейротоксическими / нейродегенеративными эффектами алкоголя и его метаболитов, которые вызывают резистентность к инсулину из-за нарушений липидного обмена, снижения целостности мембран и повышенного окислительного стресса; и (2) вторичное повреждение, вызванное повышенной выработкой печенью токсичных липидов, включая церамиды, которые пересекают гематоэнцефалический барьер и вызывают инсулинорезистентность. Эта концепция предлагает новые и интересные стратегии для мониторинга риска нейродегенерации и предотвращения когнитивных нарушений путем лечения основного заболевания печени.

Липиды в свете фонарей | Science

Термин липид может вызвать множество ассоциаций. К сожалению, они часто бывают отрицательными, например, из-за того, что избыток жиров в рационе приводит к сердечным заболеваниям. Но липиды также являются важными компонентами клеточных мембран, и за последние несколько лет клеточные биологи обнаружили, что липидные молекулы также играют гораздо больше динамических ролей, помогая контролировать большую часть клеточной активности. Следовательно, липиды являются основными детерминантами многих патологий, помимо болезней сердца.В этом выпуске журнала Science освещаются некоторые из недавно появившихся тем в липидной биологии.

Несмотря на растущее внимание к липидам в передаче сигналов клетками, вопрос о том, как клетки реагируют на пищевые жиры, остается в центре внимания липидных исследований. Chawla et al. (стр. 1866) предложили общую схему для понимания того, как рецепторы в ядре могут действовать как сенсоры липидов, получаемых с пищей. Сценарий требует сложной генной сети для предотвращения перегрузки липидов.

Разработка новых лекарств, таких как так называемые ингибиторы Цокс-2, для лечения боли, лихорадки и воспаления подчеркивает быстрый прогресс, достигнутый в биологии липидов эйкозаноидов. Обновленная информация предоставлена Функом (стр. 1871), который фокусируется на двух основных участниках в этой области: простагландинах и лейкотриенах. Полученные из мембранных липидов, эти молекулы высвобождаются и транспортируются к различным клеткам-мишеням, где они могут влиять на иммунный ответ. Выяснение молекулярных деталей их действия может помочь в разработке еще более эффективных противовоспалительных препаратов.

Лизофосфолипиды мембранного происхождения, которые влияют на процессы, включая ангиогенез, выживание нейронов и иммунитет, также вовлечены в заболевание. Демонстрация того, что клетки несут поверхностные рецепторы этих липидов, показывает, что они могут работать как снаружи клетки, так и изнутри. Hla et al. (стр. 1875) дает представление о том, как биология лизофосфолипидных рецепторов может предоставить новые возможности для понимания сложных заболеваний, таких как рак и аутоиммунитет.

Добавки липидов могут быть важны для функции белка. Важный для развития белок Hedgehog — яркий тому пример. Его уникальная модификация липидов холестерином и пальмитоилом, а также его действие через рецептор клеточной поверхности, в котором находится домен, чувствительный к стеролу, сгущают сюжет этой сигнальной истории. Ingham (стр. 1879) критикует недавнюю историю Hedgehog и размышляет, какую роль играют липидные аддукты.

Как описано Sato et al. (стр. 1881), липиды также могут помогать направлять белки в их правильные места в клетке.Многие из белков, которые регулируют перенос пузырьков, несут липид-связывающий мотив, который направляет их на отдельные локализованные на мембране фосфолипиды, тем самым определяя, когда и где эти белки действуют.

Помимо управления переносом пузырьков, липиды мембран, особенно когда они организованы в отдельные микродомены, известные как кавеолы и рафты, играют и другие роли, такие как транспортировка материалов внутрь и через клетки и организация путей передачи клеточного сигнала.

Сообщение по биологии липиды: Липиды | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга