3. функциональное значение липидов в клетке

Наименее изученной и наиболее интересной биологической пробле­мой является функциональное значение липидов в клетке. В настоя­щем обзоре сделана попытка кратко осветить основные сведения по этому вопросу.

В последние два 10-летия интенсивно исследуется роль липидов как структурных компонентов биологических мембран. Преобладающими компонентами мембран эукариот являются белки, которые составляют 41 - 54% от массы мембраны; 26 - 32% приходится на долю липидов. Мембрана представляет собой мозаику чередующихся глобулярных бел­ков в состоянии геля и липидного бислоя, находящихся в поступа­тельном движении {Singer^Nicolson, 1972).Мембранные белки

представлены двумя типами: интегральными и периферическими. Первые составляют основную массу мембранных белков и не могут быть пол­ностью отделены от окружающих их фосфолипидов. Периферические бел­ки придерживаются одной из поверхностей мембраны за счет слабого нековалентного взаимодействия и после ввделения обычно не содер­жат липидов.

Мембранные липиды - низкомолекулярные вещества амфипатической природы, построенные из двух частей: полярной "головки", несущей электрические заради и длинных гидрофобных "хвостов". Следует за­метить, что полярные головки всех липидных молекул либо заряжены отрицательно, либо нейтральны, т.е. несут одновременно и отрица­тельный и положительный заряды. Положительно заряженные головки не встречаются, это чрезвычайно важно, т.к. суммарный заряд мемб­ран решающим образом влияет на характер поведения клеток (Бергель­сон, 1982). Наиболее характерными липидами мембран являются фос- фо- и гликолипиды. Существуют значительные различия в распределе­нии липидов как в плоскости мембраны, так и между ее наружной и внутренней сторонами. Во всех изученных плазматических мембранах топологическая асимметрия липидов носит одинаковый характер: хо- лин-содержащие фосфолипиды сконцентрированы в наружной половине липидного бислоя, а этаноламин- и серин-содержащие фосфолипиды - - во внутренней половине (Островский,1977; Бергельсон,Барсуков, 1979; Бергельсон, 1982,1984; Patton,Keenctn, 1975; Chopra,Khutter, 1983).

Сахаросодержащие соединения (гликолипиды и гликопротеины) рас­сматриваются как важнейшие мембранные компоненты, особенно их спе­цифически построенные и разветвленные полисахаридные цепи. Склады­вается впечатление, что именно сахарные компоненты мембран в зна­чительной степени определяют такие явления как взаимодействие меж­ду отдельными клетками, рецепция физиологически активных веществ, способность клеток агрегироваться, принимать химические сигналы и др. (Кулаев, 1979; Бергельсон, 1982;Crdcbhy, Vicker , 1977).

В опытах на модельных бислоях установлено, что гликолипиды, в частности цереброзиды, как правило, повышают электрическую устой­чивость мембран к высокому напряжению и снижают их электростатичес кую емкость (CPowes td.a£., 1971).

Особое место среди функционально активных липидов занимают сте ролы, присутствие которых является типичным для мембран эукариот. Подобно другим мембранным компонентам, стеролы (в частности холе- стерол) также асимметрично встроены в мембрану и локализованы пре­имущественно в наружном слое {Fisher , 1976; Van Dty'ch et.a£.,

1976). Исследования на липидных бислоях показали, что стеролы об­ладают двойственным эффектом: предотвращают образование кристалли­ческих гелевых зон в мембране и в то же время ингибируют полную подвижность углеводородных цепей фосфолипидов, обеспечивая, таким образом, более стабильную жидкостную структуру на внутренней по­верхности бислоя в широком диапазоне температур.

Два основных компонента мембраны - белок и липид - находятся в постоянном взаимодействии. В настоящее время очевидно, что ак­тивность большинства мембраносвязанных ферментов зависит от состо­яния липидной фазы мембран, которое определяется составом липидов, их вязкостью, а также степенью их окисленности, связанной с про­цессами перекисного окисления липидов ( Несмеянова,1973,1982; Бур­лакова, 1977, 1982; Островский, 1977;Green,, 1966; Roth

fiePd, Romeo, 1971; Finean, 1973).

Установлено, что перекисное окисление липидов, протекающее по свободнорадикальному механизму является процессом свойственным нормально метаболизирующим клеткам. Причем, необходимо отметить двоякое отношение липидов к окислению: с одной стороны, липиды со­держат природные антиоксиданты, тормозящие окисление, с другой - - фосфолипиды и ненасыщенные жирные кислоты, которые легко окисля­ются сами. Высказана гипотеза о роли свободнорадикального механиз­ма в регуляции размножения клеток.Разнообразные воздействия, при­водящие к уменьшению антиоксидантов и усилению свободнорадикальных реакций, вызывают торможение размножения клеток. Напротив, увели­чение антиоксидантов и уменьшение концентрации свободных радикалов приводит к ускорению пролиферации (Журавлев,ІУ68;Бурлакова,1982). Существует закономерная взаимосвязь южду изменением скорости окис­лительных реакций в липидах и их состава. Изменение состава липи­дов мембран, в свою очередь, влечет за собой изменение микровяз­кости липидной фазы, липид-белковых взаимодействий и условий для структурных переходов в мембранах.

Установлено, что липиды мембран и текучесть липидной фазы оп­ределяет работу таких важнейших ферментов, как АТФ-аза, аденилат- циклаза, ДНК-полимераза, глюкозо-6-фосфатаза, цитохром Р-450, сук­цинат-дегидрогеназа и ряда других.Липиды могут влиять на кинетичес­кие характеристики ферментов (константы реакции, энергию активации, субстратную зависимость, скорость реакции), на их синтез и чувстви­тельность к регуляторным и повреждающим агентам, на субстратную специфичность и транслокацию ферментов и др.(Бурлакова,1982; Несме­янова, 1982).

Таким образом, свойства липидной компоненты мембраны имеют исключительно важное значение для функционирования и регуляции ферментных систем клетки.

Кроме того, исследования выполненные на микроорганизмах с ви­доизмененным липидным составом, а также на модельных бислоях, со всей очевидностью свидетельствуют о ключевой роли липидной фазы в транспортных реакциях биологических мембран{Абаева с соавт.,1976). Способность формировать одиночные ионные каналы, ранее приписывае­мая исключительно мембранным белкам, свойственна также мембранным липидам, в частности фосфолипидам (Крепе,1981; Антонов,1982).По­казано, что нейтральный перенос ионов Н+ и С€“ происходит в ре­зультате флип-флопа молекул фосфатидилхолина, связывающих анион четвертичным азотом, а катион - фосфатной группой (Toy oshi т а, Thompson, 1975).

Изменение ионной проницаемости мембран в старых клетках, свя­занное с переменами в липидном составе, лежит в основе механизма клеточного старения, названного "мембранной гипотезой" (Zs-Nagy, 1979).

Имеется точка зрения (Антонов,1982), что липидные механизмы проницаемости являются наиболее древними. Не исключено, что ли** пидные коацерваты были первыми частицами, обладающими регулируе­мой ионной проницаемостью. В ходе дальнейшей эволюции эту функцию взяли на себя белки.

Выяснена исключительно важная роль липидов мембран в реакциях биосинтеза углевод-содеркащих компонентов клеточных стенок микро­организмов. Различают два типа участия липидов в подобных реакци­ях. Во-первых, липиды выступают как своеобразные Ко-факторы, ак­тивирующие реакции, но сами не включаются непосредственно в био­синтез. К таким липидам относятся фосфолипиды и, прежде всего, фосфатидилэтаноламин. Другим типом использования липидов является непосредственное участие своеобразного класса мембранных липидов- - полиизопреноидов в качестве переносчиков сахарных остатков в биосинтезе клеточных стенок за счет образования ковалентно связан- . ных липид-гликозильных интермедиатов ( Кулаев с соавт.,1982; le/warz, Scher, 1972; Lucas ei.al., 1975).

Полифункциональность мембранных липидов обеспечивается, по- -видимому, огромным структурным разнообразием этих соединений.

В следующей главе обзора мы более подробно остановимся на рас­смотрении структурных и функциональных особенностей полярных ли­пидов грибов.