липиды - chem.msu.suВ Древнем Египте уже умели получать...
TRANSCRIPT
липиды
Липиды
Общие принципы построениялипидных молекул
Отдельные классы липидов
Пространственная структура липидов
Химический синтез липидов
514
Липиды
Шееле (Scheele) Карл Вильгельм(1742—1786), шведский химик, один изоснователей современной химии. Об-разование получил самостоятельно,работал аптекарем в Гетеборге, Маль-ме, Стокгольме, Упсале. Впервые вы-делил и описал большое число орга-нических соединений, в том числе ща-велевую, мочевую, бензойную, лимон-ную и яблочную кислоты. Открыл фто-рид водорода (1768); получил в чи-стом виде хлор, марганец, сероводо-род, перманганат калия; в продуктахгидролиза оливкового масла обнару-жил глицерин (1779).
Бертло (Berthelot) Пьер Эжен Марсе-лен (1827—1907), французский химик,иностранный член Петербургской АН(1876). Окончил Парижский универси-тет (1849). С 1895 г.— министр иност-ранных дел Франции. Основные на-правления научных исследований —органическая и аналитическая химия.Впервые синтезировал нафталин (1851),бензол, фенол, ряд жиров, этиловыйспирт (1854), муравьиную кислоту(1862).
Липиды (от греческого слова «липос» — жир) — низкомолеку-лярные органические вещества, которые извлекаются из клетокживотных, растений и микроорганизмов неполярными растворите-лями, такими, как хлороформ, эфир, бензол. Долгое время счита-лось, что липидам принадлежит довольно скромная роль в жизне-деятельности клеток — служить формой депонирования запасовметаболического топлива, принимать участие в некоторых защитныхреакциях и т. п. Но в последние годы выявилось кардинальноезначение липидов как активных компонентов биологических мемб-ран.
Исторический очерк. С липидами в форме животных жиров ирастительных масел человек имел дело с незапамятных времен.В Древнем Египте уже умели получать масло из коровьего молока,а в Ассирии масла выделяли путем обработки измельченных семянкипящей водой. Жиры издавна использовались народами многихстран не только в качестве продуктов питания, но и для освещения,приготовления лечебных и косметических средств. Основным источ-ником жиров для жителей Средиземноморья служило оливковоемасло, в странах Северной Европы более распространенными былильняное масло и молоко.
Техническая переработка жиров началась в XVIII в. преждевсего в связи с развитием мыловаренного производства. В течениепоследних столетий жиры все шире применялись для получениямоющих средств, пищевых эмульгаторов, смазочных материалов,лакокрасочных покрытий и т. п. В частности, использование жировдля приготовления высыхающих масляных красок сыграло важнуюроль в истории живописи, позволив сохранить для грядущих поко-лений шедевры мирового искусства.
Первый элементный анализ жиров был выполнен А. Лавуазье,показавшим, что жиры и масла состоят в основном из углерода иводорода. Он полагал, что сахара и крахмал являются «окисламижиров», а в растениях углекислый газ соединяется с водой с обра-зованием жиров и выделением кислорода. Первые работы по химиилипидов были выполнены К. Шееле, который открыл глицерин иустановил, что это вещество содержится в животных жирах л ра-стительных маслах. М. Шеврёль в 1811 г. при кислотной обработкемыла, полученного из свиного жира, выделил кристаллическую жир-ную кислоту, а затем охарактеризовал большое число разнообраз-ных жирных кислот — от масляной до стеариновой. В 1812 г. оноткрыл холестерин (в желчных камнях) и разделил все жиры надва класса — омыляемые и неомыляемые, доказав, что омыляемыежиры представляют собой сложные эфиры жирных кислот и гли-церина. М. Шеврёль ввел в практику метод разделения жирныхкислот на основе их различной растворимости в органическихрастворителях. Итоги этих исследований были опубликованы имв 1823 г. в книге под названием «Химическое изучение жировыхтел».
Продолжая исследования М. Шеврёля, П. Бертло впервые осу-ществил синтез жира из глицерина и жирной кислоты (1854). Онпоказал, что холестерин является спиртом; необходимо отметить,что к этому периоду немецкий врач Ю. Фогель уже обнаружил хо-лестерин в атероматозных бляшках артерий человека. Синтетиче-ские жиры были получены в скором времени и Ш. Вюрцем (1859)путем нагревания трибромпропана с серебряными солями жирныхкислот.
Примерно в этот же период были получены из природных источ-ников первые фосфолипиды и гликолипиды. Вначале М. Гобли(1847), а затем Ф. А. Хоппе-ЗайЛер (1877) выделили из желткакуриных яиц и мозга липид, который был назван лецитином (отгреческого «лекитос» — яичный желток). В 1884 г. английский врач
Дж. Тудикум в своей книге «Руководство по химическому составумозга» развивает представления об универсальном биологическомзначении фосфолипидов. В частности, он писал, что «фосфатидысоставляют химическую душу любой биоплазмы, животной илирастительной. Они способны выполнять разнообразнейшие функциив результате того, что объединяют в себе сильно контрастирующиесвойства. Среди их физических свойств наиболее достойна даль-нейших исследований способность к образованию коллоидов. Безэтой способности мозг не мог бы существовать, да и всякая биоплаз-ма зависит от коллоидного состояния». Из мозга Дж. Тудикумвыделил липидную фракцию, содержащую азот и фосфор, которуюон назвал кефалином, и обнаружил в продуктах его гидролизаэтаноламин. Им же впервые описаны два сфинголипида — сфинго-миелин и цереброзид.
В дальнейшем химия липидов развивалась медленно, что былосвязано с трудностями выделения и очистки индивидуальных ли-пидов; не случайно наука о липидах получила в это время назва-ние Schmierchemie («грязная химия»). Лишь начиная с 50-х годовнашего века, после появления методов хроматографии, липиднаяхимия сумела перейти к идентификации и выяснению строениямногочисленных липидных веществ. В частности, в 1960—1964 гг.в лабораториях Р. Куна и Э. Кленка была полностью установленаструктура четырех основных ганглиозидов мозга GM1, GDJa, GDJb, GT l b
(открыты ганглиозиды были еще в конце 30-х годов Э. Кленком приизучении мозга больных сфинголипидозами). Новейший периодхимии липидов связан с исследованием биологических мембран.
515
Общие принципыпостроения липидныхмолекул
По химическому строению липиды весьма разнообразны. В ихсостав могут входить спирты, жирные кислоты, азотистые основа-ния, фосфорная кислота, углеводы и т. п; нередко к классу липидовотносят терпены, стерины и т. п.
Однако, несмотря на это структурное многообразие, липидыбиологических мембран построены по единому принципу. В составлипидных молекул входят, с одной стороны, длинные углеводород-ные остатки, отличающиеся низким сродством к воде, т. е. гидро-фобные (липофильные) радикалы, а с другой — более компактныегидрофильные группы, получившие название полярных головок.Подобные амфифильные (обладающие двойным сродством) моле-кулы проявляют значительную тенденцию к агрегации. При этомлипофильные участки молекул, стремясь попасть в гидрофобнуюфазу, образуют сплошные неполярные области, а полярные группыформируют границу раздела между гидрофобной фазой и водой.Структура образующихся липидных агрегатов сильно зависитот природы входящих в их состав компонентов.
В качестве определяющего признака для первичной классифи-кации липидов часто используется природа связующего звена,соединяющего между собой гидрофильный и гидрофобный участки
Общие принципыпостроения
липидных молекул
Шеврёль (Chevreul) Мишель Эжен(1786—1889), французский химик-ор-ганик, иностранный член-корреспон-дент Петербургской АН (1865). Окон-чил Коллеж де Франс (1806), с1830 г.— профессор Музея естествен-ной истории. Основные работы посвя-щены химии жиров. Выделил стеари-новую, пальмитиновую и олеиновуюкислоты, а также холестерин. Обнару-жил в жирах глицерин (1813), откры-тый ранее К. Шееле.
Гидрофильнаяполярнаяголовка
Соединительноезвено
Гидрофобныехвосты
516
Липиды
молекулы. Таким звеном обычно являются многоатомные алифати-ческие спирты, содержащие две или три гидроксильные группы.
Липиды, построенные на основе глицерина. Более половинылипидов, встречающихся в природе, относится к классу глицероли-пидов, или глицеридов, все они являются производными трехатом-ного спирта — глицерина (1,2,3-пропантриола)
Гидрофильнаяполярнаяголовка
\
о—сн,сн2
•8
I
о=сСн2
сн2
н2сс
х
/СН2
/ с = о
чсн>
чсн2
/
н9с/
7
н,счССНг
сн2
н2с../
с/
*\
сн2с
сн2
СНзн 2 с ч
н3с
сн2
сн2
Рис. 261. Общая структура полярныхлипидов на основе глицерина.
Рис. 262. Структуры некоторых глицеро-липидов.
сн 2 —онI
с н — о нI
сн 2 —онГлицерин
В глицеролипидах гидрофобную часть молекулы образуютвысшие жирные кислоты, соединенные сложноэфирными связями сдвумя гидроксильными группами глицерина. В полярных глицеро-липидах третья гидроксильная группа связана с гидрофильнойголовкой (рис. 261, 262).
Триацилглицерин Фосфатидовая кислота
Положения при первом и третьем атомах углерода в замещенныхглицеринах неидентичны, поскольку при введении даже одного за-местителя в группу — СН2ОН центральный атом углерода становит-ся асимметрическим, а вся молекула приобретает хиральность(рис. 263). Конфигурация заместителей при асимметрическоматоме (D или L, R или S) определяется на основании принадлеж-
517
Общие принципыпостроения
липидных молекул
CH.OR
Iн о — с — н
ICHjOH
CH2ORI
н — с — о н
СН2ОН
СН2ОН
НО—С—Н
CH2OR
Рис. 263. Энантиомерные формы моно-замещенных глицеринов.
ности к ряду глицеринового альдегида. Положения заместителейв молекуле глицерина при первом, втором или третьем атоме углеро-да различаются согласно системе стереоспецифической нумерации(stereospecific numbering, обозначается символом sn): если в фише-ровской проекции гидроксильная группа при атоме С-2 расположе-на слева, то углеродному атому, находящемуся над атомом С-2,присваивается номер 1, а нижнему атому — номер 3 (рис. 264).
Наряду с глицеролипидами в клетках обнаружены также так на-зываемые диольные липиды, в которых роль спиртового компонентавыполняют этиленгликоль, пропандиолы-1,2 и -1,3, бутандиолы ит. п. (Л. Д. Бергельсон).
Липиды, построенные на основе сфингозина. Другая группашироко распространенных липидов мембранного происхождения
СН2ОН
СН2ОН
Рис. 264. Стереоспецифическая нумера-ция атомов углерода в производныхглицерина.
Церамид(N-нервоноилсфингозин)
518
Липиды
построена на основе аминоспирта сфингозина или его аналогов(например, сфингаиина) и называется сфинголипидами (рис. 265).Наиболее богаты сфинголипидами нервные ткани и особенно мозг.Во всех сфинголипидах сфингозиновые основания связаны амиднойсвязью с жирными кислотами; образующиеся соединения получилиназвание церамидов. Обычно они получаются при расщеплениисфинголипидов или являются промежуточными продуктами их био-синтеза.
Гидрофильнаяполярнаяголовка
\
н,с.
/н,
сн,
сн.
^
н,с.сн,
сн,
/СН2
нс
сн 2 н2с\
Н2С\
Н2<
,снон
сн
;сн2
сн2
сн2
сн2
сн2
СНгОН
I^ С — i N H 2
—с—онI
НСтранс
сн(СН2),2
IСНз
СН2ОНI
^с—онI
(СН2)нСНз
Рис. 265. Общая структура липидов наоснове сфингозина.
Сфингозин([2S, 3R, 4Е]-2—аминоокта-
децен-4-диол-1,3)
Сфинганин(D-эритро-
или[25, 3R]-2—аминооктаде-кандиол-1, 3)
Отдельные классылипидов
519
Отдельные классы липидов
Жирные кислоты. Структурное многообразие липидов в основ-ном обусловлено наличием в их составе различных жирных кислот.В настоящее время известно более 200 жирных кислот, отличающих-ся по степени и характеру разветвления углеродной цепи, числуи положению двойных связей, природе и количеству других функ-циональных групп и, наконец, по длине углеродной цепи. Жирныекислоты, входящие в состав липидов высших растений и животных,как правило, имеют четное число углеродных атомов, причем преоб-ладающими являются кислоты с 16—20 атомами углерода в моле-куле.
К простейшим представителям природных жирных кислот отно-сятся насыщенные кислоты с длинной неразветвленной углеводо-родной цепью общей формулы
СНз(СНг),(СООН.Основные кислоты этого типа приведены в таблице 22. Среди
них особое положение занимает пальмитиновая (Cie:o) кислота,являющаяся первичным продуктом, образующимся под действиемсинтетазы жирных кислот, и исходным материалом для биосинтезадругих кислот группы — стеариновой, лауриновой, миристиновойи т. п.
о=с
Н2С
I
\
Н2С
Н2С
н,с
Н2С
он/\
сн2
сн2
;сн2
чсн2
сн2
;сн2
"сн2
\
VI
\
н2сСНз
Пальмитиновая
оно=с
Н2С
\I
усн2
сн2
сн2
хн2НС
НСцис
\
\
сн 2Н2С
Н2С
\(
\
сн2
сн2НзСОлеиновая
(цис-октадецен-9-овая)кислота
520
Липиды
У млекопитающих и ряда бактерий пальмитиновая и стеариноваякислоты служат предшественниками двух широко распространен-ных моноеновых (мононенасыщенных) жирных кислот — пальми-толеиновой и олеиновой. Практически все природные моноеновыекислоты являются ^ис-изомерами.
Моноеновые кислоты
CH3(CH2)mCH=CH(CH2)nCOOH
Общая формула
СН3(СН2)\
(СН2)ПСООН
с=с\\
н нцис- форма
В жирах млекопитающих и в липидах растений содержатсязаметные количества полиеновых жирных кислот. Все природныеполиеновые кислоты являются несопряженными: г̂ мс-двойные связи
Т а б л и ц а 22.
Наиболее распространенные природные жирные кислоты
Кодовоеобозначение*
С„:„СмС16
с„с20с22с24
сС14
с„с„с„с18с„
с„с18с„С 2 о :
10
10
0
10
0
0
1
1
1
1
1
1
2
3
3
4
Структура.
СН,(СН 2 ) 1 0 СООНСН 3 (СН 2 ) 1 2 СООНСН,(СН 2 ) 1 4 СООНСН 3 (СН 2 ) 1 6 СООНCH 3 (CH 2 ) 1 8 COOHСН Э (СН 2 ) 2 0 СООНСН 3 (СН 2 ) 2 2 СООН
СН 3 (СН 2 ) 3 СН = СН(СН 2) 7СООНСН, (СН 2 ) 5 СН = СН(СН 2 ), СООНСНЭ (СН 2) 7СН = СН(СН2),СООНСН 3 (СН j ) 5 СН = СН (СН 2 ), СООНСН 3 (СН 2) 5СН = СН(СН 2 ), СООНСН 3 (СН 2 ) 1 0 СН = СН(СН 2 ) 4 СООНСН 3 (СН,),СН = С Н ( С Н 2 ) и СООН
•
СН 3 (СН 2 ) 4 (СН = СНСН 2) 2 (СН 2 ) 4 СООНСНз СН2 (СН = СНСН,), (СН 2 ) 6 СООНСН 3 (СН2)„ (СН = СНСН 2) 3 (СН 2 ) 5 СООНСИ, (СН 2 ) 4 (СН = СНСН 2 ) 4 (СН 2 ) 2 СООН
Систематическое название
Н а с ы щ е н н ы е
н-Додекановаян-Тетрадекановаян-Гексадекановаян - Октадекановаян-Эйкозановаян-Докозановаян-Тетракозановая
М о н о е н о в ы е
цис- Тетрадецен-9-оваяцис- Гексадецен-9-оваяЧыс-Октадецен-9-оваяцис - Октадецен -11 -оваятранс- Октадецен -11 -оваяцис- Октадецен-6 -оваячис-Докозен-13-овая
П о л и е н о в ы е
цис, цыс-Октадекадиен-9, 12-оваяцис, цис, чис-Октадекатриен-9, 12, 15-оваяцис, цис, цис-Эйкозатриен-8, 11, 14-оваяцис, цис, цис, цис-Эйкозатетраен-5, 8, 11,14-овая
Тривиальноеназвание
ЛауриноваяМиристиноваяПальмитиноваяСтеариноваяАрахиноваяБегеноваяЛигноцериновая
МиристолеиноваяПальмитолеиноваяОлеиноваяВакценоваятранс- ВакценоваяПетроселиноваяЭруковая
ЛинолеваяЛиноленоваяДигомо-7-линоленоваяАрахидоновая
* Цифры обозначают число атомов углерода и двойных связей в цепи.
в их углеводородных цепях разделены, как правило, одной мети-леновой группой. В результате в молекулах кислот образуютсяодна или несколько повторяющихся группировок — С Н = СН—— СНг—СН=СН—, поэтому они называются кислотами дивинил-метанового ряда. Все они могут быть изображены общей формулой
521
Отдельные классы липидов
CH3(CH2)m(CH -CHCH2)n(CH2)kCOOH Рис. 266. Полиеновые жирные кислоты.
ОН
о=с'\
сн2Н2С
\
Н2Ссн2
сн2
н2ссн 2
НСцис
нс\сн 2
НСцис
нс х
сн 2
Н2С\
Н2Ссн2
СН,
Линолевая(цис, цис-октадекадиен-9, 12-овая)
кислота
Н3С
Линоленовая(цис, цис, цис-октадекатриен-9, 12, 15-овая)
кислота
Линолевая и линоленовая кислоты (рис. 266) не синтезируютсяв организме высших животных и человека, а поступают с пищей.В связи с тем, что эти кислоты необходимы для нормального жиро-вого обмена, их часто называют незаменимыми жирными кислотами.Арахидоновая и дигомо-у-линоленовая кислоты являются предше-ственниками в биосинтезе простагландинов и лейкотриенов.
522
Липиды
Наряду с насыщенными и ненасыщенными кислотами с прямойцепью углеродных атомов в природе встречаются жирные кислотыс разветвленной цепью. В частности, к ним относится наиболеешироко распространенная природная туберкулостеариновая кисло-та, впервые выделенная из туберкулезной палочки (рис. 267).
Рис. 267. Разветвленные жирные кис-лоты.
Н2С
Н2С
Н2С
Н2С
Н2С
Н2С
сн
сн
;сн
сн
2— Гидроксистеариноваякислота.
ОН
о=с \ о=ссн2
п2с\ н2с:сн2
н2с\ н2с
сн2
\
н2с н2ссн2
Н2С Н2С
""сн.Н2С
\ н2с;
H 2 C'
.сн
k\
сн2
Н2С
сн2
Н2С
н2с;
ч с н 2
ч с н 2
/
ч сн 2
Ч:н2
^сн2
^сн2
ч сн 2
~сн2
о=с\
н2с~\
н2с"\
н2с
с
н2с;
он
ч сн 2
ч сн 2
"сн2
ч сн 2
\I
сн2
"\
Н2С\
Н2С\
\ н2с;
чсн
2
чсн
2
СНзТуберкулостеариновая
НзС
Лактобацилловая Стрекуловая((D—10-метилоктадека- (цис-11,12-метиленоктадека- (цис-9, Ю-метилен-
новая) кислота новая) кислота октадецен-9-овая)кислота
В некоторых бактериях и растениях были найдены жирныекислоты, содержащие циклопропановое кольцо,—в качестве приме-ра можно привести лактобацилловую и стрекуловую кислоты. Био-синтез таких кислот происходит путем переноса метиленовойгруппы от S-аденозилметионина на двойную связь моноеновыхкислот.
Наконец, в природных липидах встречаются и гидроксикислоты,входящие, как правило, в состав липидов бактериальных клеток.Их представителями являются 2(3)-гидроксипальмитиновая, 2(3)-гидроксистеариновая и 2-гидроксилигноцериновая (цереброновая)кислоты.
Соли высших кислот, называемые мылами, находят широкоепрактическое применение. Их моющее действие заключается вэмульгировании жиров и масел и суспендировании мельчайшихтвердых частичек грязи. Лучше всего удаляют загрязнения раство-римые в воде мыла (обычно натриевые и калиевые соли высшихжирных кислот), которые составляют основу туалетного, хозяйст-венного и технического мыла. Мыла применяются также для стаби-
лизации эмульсий, синтетических латексов, пен, в качестве присадок,структурирующих добавок и т. п.
Фосфолипиды. Фосфолипиды являются главными компонентамибиологических мембран. По своему строению они представляютсобой эфиры фосфорной кислоты и двух многоатомных спиртов —глицерина и сфингозина.
В глицерофосфолипидах (или фосфоглицеридах) остаток фос-форной кислоты замещает одну из первичных гидроксильных группглицерина. Общим структурным фрагментом всех фосфоглицеридовявляется глицерофосфат, содержащий один асимметрический атомуглерода. Поэтому он может быть О-глицеро-1 -фосфатом илиL-глицеро-З-фосфатом. Изомер глицерофосфорной кислоты, при-сутствующий в природных фосфоглицеридах, относится к L-ряду иназывается sn-глицеро-З-фосфорной кислотой.
Две оставшиеся гидроксильные группы в глицерофосфате обыч-но замещены углеводородными радикалами, связанными с глице-рином сложноэфирной или простой эфирной связью
523
Отдельные классы липидов
'СН2ОН
21но—с—<н
.1с н 2 — о —
sn-Глицеро-З-фосфорная кислота
СНг О R
R—О—С—НI
с н 2 — о — — о — х
Гпицерофосфолипиды
Диацильные глицерофосфолипидыО
IIО СН2—О—С—R
• 1 IR—С—О—С—Н
Iс н 2 — о — о х
ч jY
Фосфатидил-
Алкилацильныеглицерофосфолипиды
О СН2—О—R
— О—С—Н
с н 2 — о — - о — х
Наиболее распространены в природе диацильные формы гли-церофосфолипидов (R—остатки жирных кислот). Они являютсяобязательными компонентами большинства мембран животных,растительных и бактериальных клеток. Фосфолипиды алкильноготипа (R—остатки высших спиртов) обнаружены также в составеразнообразных органов и тканей животных организмов, в том числев различных видах моллюсков, морской улитке, осьминоге и т. д.Относительно высокое содержание алкоксифосфолипидов характер-но для ряда опухолей. Глицерофосфолипиды, имеющие алкен-1-иль-ноэфирную группировку и являющиеся производными высших жир-ных альдегидов, часто называемые плазмалогенами (рис. 268),обнаружены в тканях и органах всех животных, независимо отуровня их организации. В достаточно высокой концентрации плаз-малогены присутствуют также в организме человека, где они состав-ляют около 22% от общего количества фосфолипидов. Особенновелико содержание плазмалогенов в нервной ткани, головном мозге(белое вещество, мозговая оболочка), сердечной мышце, надпочеч-никах и сперме. В меньшей степени плазмалогены представленыв микроорганизмах и растениях.
Плазманил-
Плазмалогены
О СН—О—CH=CHRI
R—С—О—С—Н
сн?-о- - о х
Плазменил-
R и R1 углеводородные радикалыX - Н, остатки холина, этаноламина,серина, инозита и др.
Рис. 268. Родовые термины для обозна-чения замещенных различным образомгли церо фосфолипидов.
524
Липиды
Помимо фосфолипидов с двумя углеводородными цепями, вомногих природных объектах в небольших количествах содержатсятакже производные глицерофосфата, имеющие всего лишь одингидрофобный остаток. Они образуются в клетке под действиемэндогенных фосфолипаз А, и А2 и носят общее название лизофос-фолипиды
СН2—О— С—R
НО—С—'Н
сн2—о о—х
2-ЛизофосфолипидыХ = Н , остатки холина, этаноламина,
серина, инозита и др.
Простейший представитель глицерофосфолипидов — фосфати-довая кислота, в которой фосфатная группа этерифицирована толь-ко остатком глицерина
Jо—сно=с-
Сн2
н2ссн2 н2с(
с=о
Н2С. СН 2
сн 2 н 2 с ч
Н 2 С \ / С Н 2
сн 2 н 2 с ^сн 2
_/
НС Н 2 С \
> 2 . . .Н2С
сн2
Н2<
сн 2
СН2
Н2С
сн2
Н2С
н.,с Нас/сн2
Фосфатидовая кислота(1—пальмитоил -2-олеоил-sn-глицерофосфорная кислота)
СН2—О—С—R. I
R—С—О—С—НI
с н 2 — о —
Фосфатидовая кислота1, 2-диацил-$п-глицерофосфорная
кислота)
Фосфатидовая кислота найдена во многих природных источни-ках — тканях животных, растениях и микроорганизмах. Хотя еесодержание, как правило, невелико (1—5% от общего количествафосфолипидов), она играет существенную роль как предшествен-ник биосинтеза других фосфолипидов. В то же время фосфатидоваякислота служит исходным веществом для химического синтезафосфолипидов; для ее получения используется расщепление природ-ных фосфолипидов фосфолипазой D (из капусты).
Один из важнейших представителей глицерофосфолипидов —фосфатидилхолин. Он широко распространен в тканях высшихживотных и растений, где его содержание достигает 50% от суммыфосфолипидов. Интересно, что в бактериальных клетках фосфати-дилхолин не содержится
оI
О СН2—О— С—RR1—С—О—С—Н
Iс н 2 — о — — о —
525
Отдельные классы липидов
Фосфатидилхолин(1,2-диацил-$п—глицерофосфохолин) СН,—N + CH2
/ \ / \СНз СН 2 О —
Благодаря присутствию сильноосновной холиновой группы(рК около 13,0) и кислотной фосфатной группы фосфатидилхолинпредставляет собой цвиттер-ион в широком диапазоне рН. В качест-ве гидрофобных цепей в фосфатидилхолине присутствуют остаткинасыщенных и ненасыщенных жирных кислот с 16—22 углероднымиатомами, но преобладающими являются Ci6- и Cie-кислоты. В при-родных фосфатидилхолинах насыщенные кислоты занимают восновном первое положение, а ненасыщенные — второе положениев молекуле глицерина.
В последнее время значительный интерес привлекает холинсодержащий гли-церофосфолипид необычного строения, называемый тромбоцитактивирующим фак-тором
СН2—О—(СН2)пСН3
СН.ч— С— О—С— Н п = 15 или 17
СН 2 —О— — О—СН2СН2Ы(СН3)з
Тромбоцит-активирующий фактор(1 -алкил- 2-ацетил-5П-г лицеро-3-фосфохолин)
Он обладает чрезвычайно мощным и разносторонним биологическим действием.В концентрациях менее 1 нМ тромбоцитактивирующий фактор изменяет морфоло-гию тромбоцитов, вызывает их агрегацию и приводит к высвобождению 5-гидрок-ситриптамина. Предполагается, что в качестве химического медиатора тромбоцит-активирующий фактор участвует в развитии ряда острых аллергических и воспа-лительных реакций у животных и человека.
\
о—сн,сн2
о=с\с
,сн 2
сн2
С-0
СНа Н2С
н2с сн 2
сн2
НСII
НСн.с
\
/
\
СН 2
сн 2
н2с. н2с
сн2
сн2
Н2С \(
Н2С
\с
\,сн. сн2
Н2С
,сн2
сн>12 /"Н 3 С Х НзС
Фосфатидилхолин(1 — пальмитоил — 2—олеоил-sn-глицерофосфохолин)
526
Липиды
К важнейшим фосфолипидным компонентам клеточных мемб-ран относится также фосфатидилэтаноламин
О СН2—О - С — R
. II IR — С - О — С — Н
IС Н 2 — О — -О—CH 2 CH 2 NH 2
Фосфатидилэтаноламин(1,2-диацил-я1-глицерофосфоэтаноламин)
н1
N/ ч/ \
Н
о=<
н,с
сн2
/ */ \сн2 о-
—-о-"\
сн2
о/ С н 2
-сн
°-;сн2
с=оССНа
сн2Н2С
НС
II
Н2С
Н2С
сн2
СН 2
СН 2
СН 2
(
Н2С\
,сн> ,сн2
н2сх
н ^ чСН, / С Н 2
Н 3 С Х НзС
Фосфатидилэтаноламин(1-пальмитоил-2-олеоил-sn—глицерофосфоэтаноламин)
Он содержится в тканях животных и растений в несколько меньшихколичествах, чем фосфатидилхолин (15—30% от общего количествафосфолипидов), но является одним из основных компонентов мно-гих бактериальных клеток. В состав фосфатидилэтаноламина жи-вотного происхождения обычно входят жирные кислоты той жедлины, что и в фосфатидилхолине.
Бактериальный фосфатидилэтаноламин характеризуется высо-ким содержанием насыщенных и разветвленных жирных кислот ипоэтому более устойчив. 1-Алкильные и 1-алкенильные формыфосфатидилэтаноламина также широко распространены в природе исодержатся, например, в головном и костном мозге, сердечноймышце, тканях моллюсков и других морских организмов, а также внекоторых простейших.
Среди природных фосфолипидов, содержащих в качестве струк-турного компонента аминокислоты, наиболее распространеннымявляется фосфатидилсерин
527
Отдельные классы липидов
О С Н 2 — О - С—R
R—С-О—С—НI
С Н 2 — О — — О — С Н 2 — С Н — N H 2
Iо=с—он
Фосфатидилсерин(1,2-диацил-5П-глицерофосфо-|_-серин)
Наличие двух кислотных и одной основной групп в молекулефосфатидилсерина придает ему кислые свойства.
Хотя фосфатидилсерин входит в состав мембран практическивсех прокариотических и эукариотических клеток, однако, как пра-вило, он является минорным мембранным компонентом. Большевсего фосфатидилсерина в мозге млекопитающих (около 15% отобщего количества фосфолипидов), в тканях других органов, такихкак сердце, печень, почки, селезенка и легкие, содержание его со-ставляет менее 10%.
Фосфатидилсерин играет важную роль в жизнедеятельности кле-ток, являясь регулятором активности целого ряда мембраносвязан-ных ферментов. Во многих клетках фосфатидилсерин может высту-пать в качестве предшественника при биосинтезе фосфатидилэта-ноламина, превращаясь в последний под действием мембранногофермента — фосфатидилсериндекарбоксилазы.
N
/
Н
О
N С Н 2
\ / \сн о—с о
>о—«
\
o=cs
н2сч'
н 2 с '
Н2С
НС
IIНС
сн2
\ссн2
\
\
сн2Н2С
\
хн2Н2С
\
сн2Н;,С
сн2
о\
с=оН2Су
\сн2
Н2С\
сн2
Н2С
сн2
сн2
сн 2 н2сСНо
сн2Н 2 С
сн2
Н3С
Фосфатидилмпоэитт(1 — пальмитоил-2—олеоил-$п-глицеро-З-фосфо-Г мнонпозит)
L -
528
Липиды
Важной группой кислых глицерофосфолипидов являются фос-фоинозитиды: фосфатидилинозит, фосфатидилинозитфосфат ифосфатидилинозитдифосфат
СН2—О—С —R
R—С—О—С—Н
сн2—о—
3'он
он ноон
6'
онФосфатидилинозит
(3-5П-фосфатидил-5п-1-миоинозит)
он
он
HO\I iон он/1 о
\
о—сн\
сн2
о=сСН2
Н2С
Н2С
Н2С
НС
IIНС
\Н2С
чсн2
\Н2С
\<
сн2
сн2
\СНо
н2сч
н2с
N
/
н 2 с ч
сн2
н2с
сн2
н.с
сн2
с = о
;сн2
сн2
сн2
/:н 2
ч с н 2/\
сн,Н3С
НзС
Фосфатидилссрнп(1 — пальмитоил — 2—олеоил—
sn-глицерофосфо—t
СН2—О—С—R
R—С—О—С—Н он ноон
—
сн2—о—
онФосфатидилинозитфосфат
(3-Бп-фосфатидил-5п-1 '-миои нозит-4'~фосфат)
? СН 2 —О— С—R
Э—С—Н
сн 2 — о -
ОН НООН
?—
о—
Фосфатидилинозитдифосфат(3_5п-фосфатидил-5П-Г-миоинозит-4',5'-Дифосфат)
Все фосфоинозитиды содержат в составе полярной группыодин и тот же циклитол — миоинозит, гидроксигруппа которогопри атоме С-1 соединена с остатком фосфатидовои кислоты. Фосфо-
рилирование фосфатидилинозита протекает по гидроксильнымгруппам при атомах С-4 и С-5 миоинозита и приводит к 4'-монофос-фату и 4',5'-дифосфату.
Фосфатидилинозит присутствует почти во всех животных тканях(5—10% липидного фосфора), многих растительных тканях и в ря-де микроорганизмов. Больше всего полифосфоинозитидов содер-жится в нервных тканях. В мозге млекопитающих они составляютоколо половины фракции инозитсодержащих фосфолипидов. Бога-ты полифосфоинозитидами синаптосомы и миелиновая оболочканервных клеток.
Фосфатидилглицерин представляет собой производное фосфа-тидовой кислоты, у которого в состав полярной группы входитеще один остаток глицерина.
Характерно, что глицерофосфатный остаток, несущий жирныекислоты, имеет обычную для фосфолипидов L-конфигурацию, тогдакак у неацилированного остатка глицерина конфигурация противо-положная
529
Отдельные классы липидов
О СНг-О-С—RII
RJ-C—O-C—H
СН2—О —R и R' —углеводо-родные радикалы
СН, ОНI
СН—ОНI
-сн2
Фосфатидилглицерин(1,2-диацил-5п-глицеро-3-фосфо-1 '-sn-глицерин)
Фосфатидилглицерин — один из наиболее распространенныхфосфолипидов бактерий (70% от общего количества фосфолипи-дов). Много фосфатидилглицерина (20—30%) содержится такжев растениях (40—60% в хлоропластах), в животных тканях онприсутствует в минорных количествах (преимущественно в мито-хондриях).
сн 2 сн 2
но сн о—1он
.су/
о = с \сн2
1
о\̂СНг
>—сн\
х сн 2
\с = о
сн2
Н2С
н2с;
НС
IIНС
\<
/сн2
сн2
\(сн2
сн2
н2ссн2
н. /сн,
НзС
н,с.• \
Н2С
Н2С
\/ С Н 2
\
Н2С
н2сч
,сн2
сн 2
сн 2
^СНг
\и2
/
НзС
Фосфатидилглицерин(1 - пал ьм итоил- 2-опеоил-5п-гл ицеро-3 - фосфо - 1 ' — sn-глицерин)
530
Липиды
Дифосфатидилглицерин, называемый также кардиолипином,имеет в своем составе три остатка глицерина, четыре остатка жир-ных кислот и две фосфатные группы
о сн2—о—с—R с н 2 — о — — о — с н 2 оII I I I!
R—С—О—С—Н Н О - С - Н Н—С—О—С—RI I I
СН 2 —О- R—С— О-СН2
R—углеводород-ные радикалы
Дифосфатидилглицерин[бис—(1, 2-диацил-$п-глицеро-3-фосфо)-Г,3'—глицерин]
В значительных количествах он содержится в большинстве жи-вотных тканей (преимущественно в митохондриях). Наибольшеесодержание дифосфатидилглицерина (около 10% от суммы фосфо-липидов) найдено в сердечной мышце млекопитающих. Кардиоли-пин также распространен в растениях и некоторых бактериях
—О"
Ксн2
сн2/о—сн
\ сн 2
°\сн, с=о
Н 2 С ^ Н2С
/ Н2С
сн2
н,с н2с.
НС Н2С
\н2НС
"Ч
н2с'
Н2С
н2с;
сн2
,сн2
сн2
,сн2
н2с;сн,
сн2
Ch2
НзС
сн оI
оч с н 2
. о — с нN : H 2
о
н2с H 2 C N
/ С н , ; с н ,н2с; н2сч
)сн 2 > н 2
н2с:; н2счч сн 2
нсч
н2с;
н2с^
н2с(
НзС
,СН2
;сн2
сн2
/СН2
)сн 2
чсн?
> н 2
х сн 2
Дифосфатидилглицерин[бис-(1-пальмитоил-2-олеоил-зп—глицеро—3-фосфо)—1', 3'-глицерин]
Один из основных классов фосфолипидов представлен в био-логических мембранах фосфорсодержащими сфинголипидами, яв-ляющимися производными церамида, у которого водород первич-ной гидроксильной группы замещен остатком фосфорной кислоты.
Гидрофобная часть фосфорсодержащих сфинголипидов состо-ит из длинной алифатической цепи аминоспирта сфингозина (и егоаналогов), а также остатка жирной кислоты, соединенного со сфин-гозиновым основанием амидной связью. Наиболее широко распрост-раненным представителем этой группы фосфолипидов являетсясфингомиелин, в состав полярной группы которого входит холин
531
Отдельные классы липидов
СНз(СН2),2СН=СН—СН—ОН
R—С—NH—С—Н
О С Н 2 — О - — О—CH.CKk.N(CH,)..
Сфингомиелин(Ы-ацил-4-сфингенил-1 — фосфохолин или
церамид-1-фосфохолин)
Как и фосфатидилхолин, сфингомиелин существует обычно ввиде цвиттер-иона.
Он содержит преимущественно насыщенные и моноеновые кис-лоты, имеющие 18—24 атомов углерода. В состав жирных кислотвходит значительное количество лигноцериновой (24 :0) и нервоно-вой (24:1) кислот. Главным основанием сфингомиелинов являетсяС18-сфингозин, реже встречаются дигидросфингозин и сфингозины,содержащие иное число атомов углерода.
Сфингомиелин встречается прежде всего в животных тканях:в значительных количествах в миелине, эритроцитах и почках,в других тканях — в меньших количествах (4—10% от общего ко-личества фосфолипидов). В клетке сфингомиелин локализован пре-имущественно в плазматической мембране. Некоторые патологи-ческие состояния организма связаны с изменением содержаниясфингомиелина. Так, увеличение содержания сфингомиелина встенках аорты отмечено при атеросклерозе.
НзС.СНз
N + CH2/ \ / \
СНз СН2 О—
\
NH—CH
СНОН
сн2 не
сн2 н2сн 2 с .сн2\
сн2 н2сН2С
\
\ сн2
сн 2 н2сН2С
\
\ сн2
Н2СH 2 C V
\сн2
н 2 С ;н 2 с ч
х
Н2С
. сн2 /Н 2 С
сн2
\\
сн2
,сн2
Н2СНзС
\СНз
Сфингомиелин(Ы-стеароил-4-сфингенил-1 -фосфохолин)
532
Липиды
Гликолипиды. Этот термин относится к обширной и разнообразной группе липидов, у которых гидрофильная полярная головкасостоящая из одного или нескольких углеводных остатков, соединена гликозидной связью с гидрофобной частью липидной молекулы. В качестве основных углеводных компонентов в составе гликолипидов чаще всего встречаются глюкоза и галактоза, их сульфатированные производные (обычно галактозилсульфат), аминосахара (галактозамин и глюкозамин и их N-ацетильные производные) и сиаловые кислоты (N-ацетилнейраминовые кислоты).
НО
ОНМоногалактозилдиаци л глицерин
[З-О-р-й-галактопиранозил— 1 -пальм итои л—2-олеоил-5п—глицерин]
СН2ОН
но
о—сн2
но но оч о—снон
он„ Дигалактозилдиацилглицерин
[ З - О -а-0-галактопиранозил-(1'—>-6')-О - 3 - D -галактопиранозил-1-пальмитоил-2—олеоил-вп-глицерин]
Глицерогликолипиды представлены в природе главным образолгликозилдйацилглицеринами (гликозилдиглицеридами), у которызмоно-, ди- и трисахариды связаны гликозидной связью с гидроксильной группой диацилглицеринов. Моногалактозилдиацилглице-рин, дигалактозилдиацилглицерин и сульфохиновозилдиацилглице-рин с полярной группой в виде сульфатированного дезоксисахар*являются основными липидами хлоропластов
=/\/\/\/\
Сульфохиновозилдиаци л глицерин[6-сульфо-а-0-хиновопиранозил-(Г->-3')-1'.-стеароил-2'-олеоил-$п-глицерин ]
Среди гликоглицеролипидов обнаружена также небольшаягруппа фосфорсодержащих гликолипидов, найденных в основном вбактериальных клетках. В качестве примера можно привести фос-фатидилглюкозаминилглицерин, содержащийся в клетках Bacillusmegaterium
533
Отдельные классы липидов
О— СН2
Iо—сн
он
н2с—о— —о—сн2 он
Фосфатидилглюкозаминилглицерин[3—sn—фосфатидил-1'— (2'-D—глюкозам и нил)—sn—глицерин]
В гликосфинголипидах углеводсодержащая гидрофильная по-лярная головка соединена гликозидной связью с концевой гидр-оксиметиленовой группой церамида и образующиеся соединениямогут рассматриваться как гликозилцерамиды. Такие липидывстречаются в мозге, селезенке, эритроцитах, почках и печени,где они локализуются преимущественно в плазматических мем-бранах. Гликозильный фрагмент может быть представлен одниммоносахаридным остатком (галактозы или глюкозы) или сложнойолигосахаридной цепью, содержащей D-галактозу, D-глюкозу,D-галактозамин, D-глюкозамин, L-фукозу (6-дезокси-Ь-галактозу)и сиаловую кислоту.
Простейшим типом гликосфинголипидов являются моногексо-зилцерамиды, часто называемые цереброзидами. Наиболее рас-пространенные представители этого класса липидов — галакто- иглюкоцереброзиды.
Цереброзиды содержатся в тканях животных, растений и в мик-роорганизмах. Одним из основных гликолипидов мозга являетсягалактоцереброзид.
НО—СН'I
-,2ОН CH-NH
о—сн2
онГалактоцереброзид (нервон)
(t-p-D-галактопиранозил-М—нервоноилсфингозин)
534
Липиды
Рис. 269. Основные ганглиозиды мозгамлекопитающих.
К ганглиозидам относятся гликосфинголипиды, содержащиеодин или несколько остатков сиаловои кислоты в олигосахаридноицепи. Сиаловыми кислотами называют N-ацетильные производныенейраминовой кислоты, которая представляет собой продуктконденсации маннозамина и пировиноградной кислоты. Наиболеечасто встречается в ганглиозидах N-ацетилнейраминовая кисло-та (NeuNAc). Кроме сиаловых кислот, в состав ганглиозидов вхо-дят жирные кислоты (преимущественно насыщенные с 16—22 угле-родными атомами), сфингозиновые основания (чаще всего С18- иС20-сфингозины), гексозы (глюкоза и галактоза) и гексозамины(обычно N-ацетилгалактозамин). Олигосахаридная цепь ганглиози-дов может содержать от 2 до 10 и более углеводных остатков.
В качестве примера на рисунке 269 показана полная химическаяструктура четырех основных ганглиозидов мозга млекопитающих,принадлежащих к церамидолигосахаридам.
Все они построены на основе моносиалоганглиозида GM1, содер-жащего один остаток N-ацетилнейраминовой кислоты. Присоедине-ние дополнительных остатков сиаловых кислот приводит к дисиало-
Галактоза
СН2ОННО J О ч
/ он
О IV
N-Ацетил-галактозамин
СН2ОН
у*~~ °\ГС
Галактоза
СН2ОН
Л \ 1 [NHCOCKW он
III О II
Глюкоза
СН2ОН
он
1
Церамид
О-СН2
•
•
А
Сналовая кислота
В
Сиаловая кислота
L.
L.
G M 1 = I , I I , I I I , I V , В
— G M r - l . И, I I I , IV, А, В
GD,b=l. I I, Ml, IV, В, С
G r i t e l , | | , Ml, | v , А, В, С
с
Сиаловая кислота
_J
ганглиозидам GDla и GDlb, а также к трисиалоганглиозиду GT l b. В от-личие от других липидов, ганглиозиды способны растворяться нетолько в органических растворителях, но и в воде, где они образуютмицеллы.
Впервые ганглиозиды были обнаружены в ганглиях, откудаи произошло их название. Наиболее богат ганглиозидами мозг,особенно его серое вещество. Позднее они были обнаружены и вдругих тканях (почка, селезенка, печень, легкие и т. д.). Несмотряна многочисленные исследования, биологическое значение ганглио-зидов до настоящего времени установлено далеко не полностью.Однако известно, что ганглиозиды локализуются преимущественнов плазматических мембранах и, видимо, в значительной степениопределяют контактное торможение, адгезию и электрофоретиче-скую подвижность клеток. Исследованиями, проведенными в по-следние годы, показано, что ганглиозиды специфично связываюттоксины ботулизма, столбняка, холеры, дифтерийной палочки,а также стрихнин, бруцин, тебаин, вероятно, серотонин и, возможно,играют определенную роль в их рецепции. Существует мнение,
535
Отдельные классы липидов
Ганглиозид GM, Ганглиозид GDia Ганглиозид GD)b Ганглиозид
что ганглиозиды принимают деятельное участие в транспортеионов через мембрану нервных клеток. Следует отметить, чтомалигнизация клетки, т. е. трансформация нормальной клеткив злокачественную, сопровождается изменением состава ганглио-зидов. В клетках, трансформированных вирусами, и в клетках опухо-лей значительно увеличивается количество ганглиозидов с укорочен-ной олигосахаридной цепью, что, видимо, тесно связано с изменени-ем свойств клеточной поверхности.
536
ЛипидыПространственнаяструктура липидов
По данным рентгеноструктурного анализа монокристалловвысших жирных кислот, насыщенные углеводородные цепи пред-ставляют собой зигзагообразные структуры, в которых атомы угле-рода находятся на равных расстояниях друг от друга и укладывают -
Рис. 270. Рентгенограмма (3, -полиморф-ной формы трилауроилглицерина.
ся в два параллельных ряда. Угол между С—С-связями превышаеттетраэдрический (109°28') и лежит в пределах 110—114°. Приувеличении цепи на одно метиленовое звено ее общая длина воз-растает на 0,127 нм. Жирнокислотные цепи в молекулах триацилгли-церинов, образующих монокристалл, также находятся в тетраэдри-ческой зигзагообразной конформации. При этом в целом молекулаимеет форму стержня, в котором две жирнокислотные цепи лежатна одной линии, а начальный участок третьей цепи отходит от неепод прямым углом и затем также располагается параллельноосновной осевой линии (рис. 270).
В настоящее время пространственная структура фосфолипидовв различном агрегатном состоянии хорошо изучена с помощьютаких методов, как рентгеноструктурный анализ, дифракция нейт-ронов и ЯМР на ядрах 'Н, 2Н и 13С. Теоретический анализ пока-зал, что число возможных конформации для фосфолипидных
Рис. 271. Пространственная структурамолекулы димиристоилфосфатидилхо-
sn-1-цепь
молекул, удовлетворяющих их оптимальной упаковке в мембране,весьма ограниченно, относительное расположение жирнокислотныхцепей в молекуле определяется прежде всего конформацией гли-церинового остатка. В диацилглицерофосфолипидах его конформа-ция должна быть такой, чтобы было возможно параллельное рас-положение углеводородных цепей и оптимальные гидрофобныевзаимодействия между ними.
Данные рентгеноструктурного анализа дилауроилфосфатидил-этаноламина (Дж. Шипли с сотр., 1974) и димиристоилфосфатидил-холина (Р. Пирсон и И. Пашер, 1979) показали, что диацилглице-риновая часть их молекул в монокристаллах имеет в целом одина-ковую конформацию. В этих липидах атомы углерода глицериново-го остатка, а также sn-1-ацильной цепи, включая и сложноэфирнуюгруппу, лежат на одной прямой, образуя зигзагообразную конфор-мацию. Ацильная sn-2-цепь сначала отходит от глицеринового осто-ва под прямым углом, а затем в районе второго углеродного атомарезко изгибается и становится параллельной sn-1-ацильному остат-ку (рис. 271). Вследствие этого sn-2-цепь как бы укорачивается и ееконцевая метильная группа смещается на расстояние ~ 0,37 нм,соответствующее трем метиленовым звеньям, относительно конце-вой метильной группы sn-1-цепи.
Другая характерная особенность пространственной структурысостоит в том, что фрагмент О—С—С—N полярной головки на-ходится в гош-конформации, при которой положительно заряжен-ная аммониевая группа и анионный фосфатный атом кислородаориентированы в одну сторону (рис. 272). Наконец, фосфодиэфир-ная связь имеет гош, гош-конформацию, благодаря чему фосфохо-линовая группа расположена перпендикулярно к глицериновомуостатку, а общая пространственная структура молекул фосфатидил-этаноламина и фосфатидилхолина как бы напоминает курительнуютрубку (рис. 273).
Такая конформация, по-видимому, является универсальнойдля большинства природных фосфолипидов в агрегированных сис-темах (природные мембраны, кристаллы, мультислои, мицеллы идаже смешанные мицеллы с детергентами). Так, например, ана-логичный тип конформации был приписан фосфатидилсерину, фос-фатидилглицерину и фосфатидилинозиту на основании данныхспектров ЯМР.
537
Пространственнаяструктура липидов
Рис. 272. Конформация глицерофосфо-холиновой группировки фосфатидилхо-лина.
Рис. 273. Наиболее вероятная простран-ственная структура фосфолипидов.
538
Липиды
В случае липидов с небольшим размером полярной головкижирнокислотные цепи могут иметь иную конформацию. Так, на-пример, в молекуле димиристоилфосфатидовой кислоты остатокглицерина ориентирован параллельно поверхности раздела, причемsn-2-цепь является прямой, а изгибу у второго углеродного атомаподвергается цепь sn-1 (рис. 274).
Характерно, что сходная взаимная ориентация жирнокислотныхцепей и глицеринового остатка наблюдается и для дилауроил-глицерина, также имеющего полярную головку небольшого раз-мера.
Рис. 274. Конформации фосфатидовойкислоты (а) и фосфатидилэтанолами-на (б).
(а) (б)
Рис. 275. Наиболее вероятная конформа-ция молекулы церамида.
Детально изучена пространственная структура и простейшихсфинголипидов; в частности, на рисунке показана предпочтительнаяконформация церамида (рис. 275). Жесткая амидная группа,служащая соединительным звеном между двумя углеводороднымицепями, расположена перпендикулярно к оси углеводороднойцепи сфингозина. Вследствие этого атом водорода при атоме С-2сфингозинового основания лежит в плоскости амидной связи. Близ-кий контакт двух углеводородных цепей молекулы возможен толькоиз-за резкого изгиба одной из них. Это требование выполняетсяза счет двойной гош,гош-конформации при ос-углеродном атомежирнокислотной цепи.
Среди гликосфинголипидов пространственная структура уста-новлена только для |3-0-галактозил-М-(2-В-гидроксиоктадека-ноил)-D-дигидросфингозина (цереброзида) методом рентгено-структурного анализа его монокристалла. В этом случае (рис. 276)параллельное расположение углеводородных цепей обеспечивается
за счет резкого изгиба цепи сфингозинового основания в районешестого атома углерода. Благодаря еще одному изгибу при атомеС-1 сфингозиновой цепи кольцо галактозы имеет почти перпенди-кулярную ориентацию относительно осей углеводородных цепей,так что вся молекула принимает форму «совковой лопаты».
Предпринимаются попытки исследования пространственнойструктуры более сложных гликолипидов. Так, например, на основа-нии анализа изменений химических сдвигов в спектрах 13С-ЯМРганглиозида GM1 в присутствии Еи 3 + была предложена структуракатионсвязывающего участка в его молекуле (рис. 277).
539
Пространственнаяструктура липидов
Рис. 276. Пространственная структураР-О-галактозил-1Ч-(2-О-гидроксиоктаде-каноил) -D-дигидросфингозина.
Рис. 277. Пространственная организациякатионсвязывающего участка ганглио-зида GM1 .
540
ЛипидыХимический синтезлипидов
Бергельсон Лев Давидович (р. 1918),советский химик-органик и биоорга-ник, член-корреспондент АН СССР(1968). Окончил Московский универси-тет (1941), с 1958 г. работает в Ин-ституте биоорганической химии им.М. М. Шемякина АН СССР. Основныеработы — в области синтеза липидов,антибиотиков, стероидов. Совместнос М. М. Шемякиным исследовал сте-реохимию и механизм реакции Виттига,осуществил стереоселективный син-тез ряда ненасыщенных высших жир-ных кислот. Известен работами в об-ласти диольных липидов и простаглан-динов. Лауреат Государственной пре-мии СССР (1985).
Для исследовательских и практических целей липиды обычнополучают путем выделения из доступных природных источников.Однако во многих случаях целесообразным или необходимымоказывается химический синтез. Прежде всего, именно синтез обе-спечивает окончательное доказательство строения новых типов ли-пидных веществ, изолируемых из животных, растительных или мик-робных организмов. Далее, развитие мембранных исследований,и в особенности физико-химии мембран, поставило на повестку дняпроблемы препаративного получения многих мембранных липидовс заранее заданной структурой полярных и неполярных участковмолекулы. И наконец, для изучения тонких механизмов функцио-нирования мембранных систем с помощью молекулярных зондовпонадобились разнообразные модифицированные липиды, содержа-щие изотопные, спиновые и флуоресцентные метки, а также раз-личные фотоактивируемые группировки. Все это привело к тому, чтов настоящее время химический синтез липидов является хорошоразработанной областью биоорганической химии.
Сложность химического строения липидов и большое разнооб-разие их структур требуют использования широкого набора мето-дов тонкого органического синтеза. Если не касаться приемовполучения насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, а обсуж-дать проблему конструирования непосредственно липидных моле-кул, то наиболее важными оказываются стандартные процедуры,общие для всех типов липидов.
А ц и л и р о в а н и е гидроксильных групп глицерина или ами-ногруппы сфингозина является наиболее распространенным мето-дом введения ацильных остатков. В качестве ацилирующих аген-тов используются сами жирные кислоты, их галогенангидриды,ангидриды, эфиры, имидазолиды или соли.
А л к и л и р о в а н и е применяется при синтезе липидов спростой эфирной связью. Для введения алкильного остатка вмолекулу глицерина используются алкилгалогениды или алкиловыеэфиры п-толуол- или метансульфокислот. При синтезе плазмало-генов в качестве алкилирующих реагентов применяются цис-ал-кенилметансульфонаты, уис-алкенилбромиды, диалкилацетали выс-ших жирных альдегидов, а также 1,2-эпоксиалканы. Высокаяактивность г^ис-алкенильной группировки в реакциях присоедине-ния, исключительная лабильность к действию кислотных агентови необходимость избирательного введения ее в молекулу полиола(что обусловливает применение специфических защитных групп)крайне затрудняют синтез плазмалогенов.
Ф о с ф о р и л и р о в а н и е является обязательным этапом присинтезе фосфолипидов и приводит к образованию эфиров фосфор-ной кислоты с участием гидроксильных групп глицерина, миоино-зита, этаноламина, холина, серина и других производных. Отличи-тельной особенностью образования фосфоэфирных связей в фосфо-липидах является предварительная активация взаимодействующих
фосфатных и гидроксилсодержащих компонентов: первых в видехлорфосфатов, ангидридов фосфорных кислот, серебряных солейзамещенных фосфорных кислот и т. д., вторых, как правило, в видесоответствующих галогенпроизводных. При проведении реакциифосфорилирования должна быть предусмотрена защита всех неподлежащих фосфорилированию функциональных групп и возмож-ность последующего деблокирования их на заключительных ста-диях синтеза в условиях сохранения всех элементов структурысинтезированного фосфолипида. Сложность синтеза увеличиваетсяи такими характерными свойствами фосфолипидов, как склонностьк гидролизу и легкая окисляемость. В настоящее время синте-тическая химия фосфолипидов располагает разнообразными мето-дами фосфорилирования, большим набором блокирующих группи-ровок для временной и селективной защиты функциональных групп,что позволяет получать в препаративных количествах фосфолипидыпрактически любой структуры.
Г л и к о з и л и р о в а н и е широко применяется при синтезегликолипидов. Методы гликозилирования обычно те же, что и в хи-мии углеводов. В ряду гликосфинголипидов специфическим ката-лизатором гликозилирования, как правило, является цианид ртути,так как при использовании обычных катализаторов реакции Кёниг-са — Кнорра (карбонат серебра или оксид серебра) во всех случаяхвыделяемые вещества оказываются смесью а- и р-аномеров.
Защитные группировки, используемые при синтезе липидов(прежде всего для блокирования H2N-, HOOC- и НО-групп), обычномало отличаются от применяемых в химии пептидов или углеводов.
541
Химическийсинтез липидов
В качестве примера рассматриваются синтезы отдельных пред-ставителей липидов различных классов.
Моноацилглицерины получаются обычно ацилированием бензи-лиденовых или изопропилиденовых производных:'
\
2,3 -Изопропи лиден-sn-глицерин
^С(СН2)7СН=СН(СН2)7СНОлеоилхлорид
П ириди н
20° С
СН2ОС(СН2)7СН=СН(СН2)7СН,Н , О +
НО—С—Н
СН2ОС(СН2)7СН=СН(СН2)гСНз
2,3-Изопропилиден—1—олеоил-sn—глицерин
СН2ОН1 —О леоил—sn—глицерин
542 1,2-Диацил-зп-глицерины— ключевые соединения в синтеземногих природных фосфолипидов. Их получение нередко ослож-
Липиды няется за счет ацильной миграции, приводящей к 1,3-диацилпроиз-водным. Для предотвращения такой миграции первичный гидроксилглицерина защищается подходящей группой
СН2ОН CH2OCOR1 CH2OCOR'2Р 1 ГПП
НО— О Н > R'COO-C-H R'COO-C^HI I I
CH2OR CH2OR CH2OH
R = CH2CsH5, (CeHsbC R=- У COOCH.CChили
R =(СН2)иСНз R
Получение насыщенных 1,2-диацил-5П-глицеринов не представ-ляет трудностей и осуществляется на основе З-О-бензил- и З-О-три-тил-вп-глицеринов с последующим удалением защитных группкаталитическим гидрированием. В случае ненасыщенных 1,2-ди-ацшизп-глицеринов обычно используются З-О-тетрагидропиранил-sn-глицерин и 3-О-р,р,р-трихлорэтилкарбонат sn-глицерина, таккак в условиях удаления этих защитных групп (соответственномягкий кислотный гидролиз и действие цинка в уксусной кислотеили метаноле) сохраняются двойные связи и их конфигурация.Для получения смешанных 1,2-диацилглицеринов часто применяют-ся методы, сочетающие химические и ферментативные превраще-ния. Так, при обработке 1,2-ди-О-ацил-З-О- (тетрагидро-2-пиранил) -глицеринов панкреатической липазой, которая избирательно рас-щепляет первичную сложноэфирную группу, образуется 2-О-ацил-3-0-(тетрагидро-2-пиранил)-глицерин, который далее подвергаетсяпоследовательно ацилированию и кислотному гидролизу
CH2OCOR'
CH2OR
CH2OCOR2
R'COO—C—H
CH2OH
CH2OH
CH2OR
>-<2>R l=(CH;.)?CH=CH(CH:)rCHj
R2=(CH2)14CH.,
CH 2 OCOR 2
CH2OR
Фосфолипиды могут синтезироваться с помощью приемов, ко-торые иллюстрируются на примере получения фосфатидилхолина.Известный вариант синтеза 1,2-диацил-5П-глицеро-3-фосфохолинапо методу активированных фосфатов включает фосфорилирование1,2-дйацил-5п-глицерина фенилдихлорфосфатом с последующимвзаимодействием с холинхлоридом
543
Химическийсинтез липидов
CH2OCOR ,
R'COO-C-H
CH2OH1,2-Диацил-5п-глицерин
НО(СНг),М(СН,).СГ
/OCHs
CH2OCOR
R'COO-C-H о
СН.О—Р—Cl
ОС6Н5
CH2OCOR
R'COO-C^H ОI II
СН2О—Р—О(СН,),М(СН,)л
1,2-Диацил-5п-глицеро-3-фосфохолин
R= (СН2ЬСНз R= (CH2)7CH=CH(CH2)7CH3
Для синтеза фосфатидилхолинов используют также ацилирова-ние глицерофосфохолина, получаемого либо из 1,2-изопропилиден-sn-глицерина, либо щелочным или ферментативным деацилирова-нием смеси природных фосфатидилхолинов с различными жирно-кислоТВыми остатками. Ацилирование проводится действиемхлорангидридов или ангидридов высших жирных кислот на комплексsn-глицеро-З-фосфохолина с хлоридом кадмия
СН2ОН
НО-С-Н ОI II +
СН2О —Р—O(CH2)2N(CH3)3
Кадмиевый комплексsn-глицеро-З-фосфохолина
CH2OCOR
•~C-«H ОI II
CH2O— P -О(СН2)2Й(СНз) зI
= (CH;)|4CH,
Для перехода от фосфатидилхолинов, содержащих остаткиодинаковых жирных кислот, к фосфатидилхолинам смешанноготипа используется деацилирование их с помощью фосфолипазыА2 и последующее ацилирование образующегося при этом лизофос-
544
Липиды
фатидилхолина ангидридами жирных кислот с использованиемдиметиламинопиридина или пирролидинопиридина в качествекатализаторов
CH2OCOR
RCOO-C—Н ОФосфолипаза
(R'CO).O
СН2О — Р—O(CH2)2N(CH3)3
О "
CH2OCOR
RCOO—C^H О
СН2О -Р—O(CH2)2N(CH3)3
CH2OCOR
НО—С-Н О — —I 1 +
СН2О— Р—O(CH2)2N(CH3).,
Лизофосфатидилхолин
R=(CHa)nCH,
R
Синтез различных фосфолипидов может быть осуществлени путем реакции трансфосфатидилирования, т. е. действия фосфо-липазы D, с помощью которой проводится обмен, например, остат-ка холина, связанного с диацилглицерофосфатом, на другой спирт,имеющий первичную гидроксильную группу.
CH2OCOR
Ft'COO^C — Н О
СН2О Р—О(СН ,),N(CH ),
Фосфатидилхолин
Фосфолипаза О
носн.снонсконФосфолипаза D
NH СН.СН.ОН
Фосфолипаза D
СООНI
HOCH.CHNH,
Фосфолипаза D
CH2OCOR
CH2O—P—OH
IOH
Фосфатидовая кислота
CHiOCOR
R'COO-C—H о
I IICH2O—P—O—CH.Фосфат идилглицерин
CH2OCOR
R'COO-C-H О
СН2О—Р— О(СН,)2Ь1Н*
о~Фосфат и дил этанол амин
CH2OCOR
R'COO-C-H О
сн2о—р—OCH^CHNH,
о соонФосфат и дилсерин
Фосфолипиды различного типа могут быть получены и непосред-ственно из фосфатидовой кислоты путем ее этерификации соот-ветствующим аминоспиртом в присутствии подходящих конденси-рующих агентов. В частности, фосфатидовые кислоты могуть бытьпревращены в фосфатидилхолины взаимодействием с тозилатомили ацетатом холина в присутствии трихлорацетонитрила или2,4,6-триизопропилбензолсульфохлорида. Присоединение этанол-амина к фосфатидовой кислоте осуществляется действием тритил-аминоэтанола и триизопропилбензолсульфохлорида или о-нитрофе-нилсульфенилэтаноламина в присутствии дициклогексилкарбоди-имида. Фосфатидилсерины могут быть получены из фосфатидовойкислоты конденсацией с тритилсерином с использованием триизо-пропилбензолсульфохлорида.
545
Химическийсинтез липидов
CH2OCOR
R'COO—C—H ОI II
СН2О-Р—ОНон
Фосфатидовая
CCI3CN или2,4,6-[(CH3)2CH]3C6H2SO2CI
HOCH2CH2NHy
2,4,6-[(CH3)2CH]:)C6H2SO2CIили
С6Н| |—N=C=N—CiH, 1
COOHI
HOCH2CHNHC(CiiH5).)
2,4,6-[(CH3)2CH].1C,iH2SO2CI
X = n-CH ,ChH4 SOr ИЛИ АсО
У =o-NO 2 CeH<SHflM(c e H r ,)C
CH2OCOR
R'COO—с—н о
CH2O— Р-О(СН2)2Й(СН3)з
Фосфатидилхолин
CH2OCOR
R'COO—C-"H О
CH2O—Р—O(CH2)2NH3
О~
Фосфат ид ил этаноламин
CH2OCOR
R'COO—с-н о
I II +СН2О—Р—OCH2CHNH3
О " СООНФосфатидилсерин
Сфинголипиды синтезируются, как правило, из З-О-бензоилце-рамидов, которые получаются из соответствующих оксазолиновили церамидов. Использование церамидов в качестве исходныхсоединений имеет свои преимущества, поскольку синтез нужногосфингозинового основания может быть осуществлен любым спосо-бом. Церамиды природной D-эрмгро-конфигурации можно получатьиз доступных природных источников путем омыления фракцийсфинголипидов.
В качестве примера можно привести синтез сфингомиелина:сначала проводится фосфорилирование исходных З-О-бензоилцера-мидов Р-хлорэтилдихлорфосфатом и затем обработка выделенныхдиэфиров фосфорной кислоты с помощью триметиламина.
546 РNHCO(CH2) l ( iCH3 CfefQ
ЛиПИДЫ I OfCHohCICH3(CH2),2CH=CHCHCHCH2OH — ^ ~
З-О-БензоилцерамидOBz
CH3(CH2),6CONH CH:i(CH2)ir,CONHI N(CH,)3 I .
CH.!(CH2)12CH=CHCHCHCH2O—P—O(CH2)2CI — CH:)(CH2)i2CH=CHCHCHCH2O—P—O(CH2)2N(CH3)i
OBz OHСфингомиелин
При получении гликосфинголипидов в качестве исходных сое-динений также используются З-О-бензоилцерамиды, которые вво-дятся в реакцию с ацетобромсахарами. Специфической особенно-стью реакции гликозилирования в этом ряду является стерео-направленное образование |3-аномеров в присутствии цианида ртути.На схеме приведен синтез ]Ч-ацил-1-(Р-О-галактозил)-4-сфингени-нов: после проведения гликозилирования исходного З-О-бензоилце-рамида образуется защищенный цереброзид, ацетильные и бензо-ильные группировки в котором удаляются в один прием метилатомнатрия в метаноле
СНгОАсАсО J—О
NHCO(CH2)22CH3
СН3(СН2)1 2СН=СНСНСНСН2ОНHg(CN)2
OBz
СН2ОАС ? B Z CHjON. O H
.АсО J — о ОСН2СНСНСН=СН(СН2)12СНз 3 —• э ОСН2СНСНСН=СН(СН2)|2СНз
N H C O ( C H ) C HNHCO(CH2)22CH3 ЫНСО(СН2)22СН
OAc OH
В настоящее время методы химического синтеза позволяютполучать нейтральные гликосфинголипиды довольно сложногостроения, содержащие несколько сахарных остатков. Однако хими-ческий синтез ганглиозидов до сих пор представляет собой труднуюзадачу в связи со сложностью введения в молекулу остатков сиало-вой кислоты.