Мембранные липиды: структура и свойства

Совершенно очевидно, что липидный состав различных мембран не является случайным, однако точного объяснения этому феномену пока не найдено. Наиболее поражает в мембранных липидах их огромное разнообразие – любая конкретная мембрана может содержать более ста разных типов липидных молекул.

Становится все более очевидным, что липиды активно участвуют в процессах, протекающих в мембранах, однако причины их разнообразия все-таки не ясны. Основная функция мембранных липидов состоит в формировании бислойного матрикса, с которым взаимодействуют белки.

Липиды (от греч. λίπος, lípos – жир) – обширная группа природных органических веществ, различающихся между собой химической структурой. К ним относят жирные кислоты, нейтральные глицериды, фосфолипиды, сфинголипиды, воски и т.д. Липиды не растворимы в воде.

В клетке и организме липидам присущи три основные функции:

1) важнейшие структурные компоненты клеточных мембран;

2) важнейшие биоэффекторы, регулирующие внутриклеточные реакции и межклеточные взаимодействия;

3) форма запаса метаболического топлива.

В фундаментальных и прикладных научных исследованиях используют липидные монослойные, бислойные («черные») мембраны, липосомы (Fountain M.W., 1982). Основные направления работ в этой области – изучение динамики и подвижности молекул липидов, липид-белковых взаимодействий, фазовых переходов, межмембранных взаимодействий (Крепс Е.М., 1981).

Широкое использование липидов в медицине и косметологии основано на их высокой физиологической активности, малой токсичности, биосовместимости и биодеградируемости (Степанов А.Е., 1991; Дудниченко А.С., Краснопольский Ю.М., Швец В.И., 2001).

Наиболее простые природные молекулы, способные к формированию слоистых структур – это фосфолипиды.

Фосфолипиды (ФЛ) представляют собой основной класс мембранных липидов, содержание которых варьирует от 40% до 90 % общего количества липидов. Фосфолипиды являются основными составляющими мембран живых клеток, в том числе клеток кожи. Недостаток фосфолипидов приводит к серьезным изменениям обмена веществ и, следовательно, к истощению, вялости кожи, нарушению ее функций.

В состав ФЛ входят длинноцепочечные насыщенные или ненасыщенные жирные кислоты, содержащие от 10–12 до 26–28 атомов углерода. Обязательным признаком ФЛ является наличие фосфатной группы, к которой присоединена специфическая полярная группа. Полярными группами являются азотистые основания (этаноламин или холин), аминокислотный остаток (серин) или углеводный фрагмент (инозит) [7–13].

Сопряжение между жирнокислотной и полярной частью молекулы осуществляется в природе, как правило, через один из двух видов сложных спиртов – глицерина или аминосодержащего спирта сфингозина (СФ). В зависимости от этого различают глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды.

Все глицерофосфолипиды могут быть получены из sn -глицеро-3-фосфата и имеют следующую основную структуру:

Диацил- sn -глицеро-3-фосфат

где X, Y – остатки жирных кислот;

Z – спирт этерифицированный с фосфатом (за исключением фосфатидной кислоты, Z – это атом водорода).

Несмотря на различие структуры отдельных классов ФЛ, все они построены по схожему принципу. В структуре ФЛ выделяют полярную «головку» и два гидрофобных «хвоста» (рисунок 1.6). У глицерофосфолипидов гидрофобные хвосты представлены углеводородными радикалами жирных кислот, а полярная головка – остатком фосфата, соединенного сложноэфирной связью с аминосодержащим спиртом.

Именно это сочетание обусловливает основное свойство ФЛ – амфифильность, т.е. сродство к полярной (водной) и к гидрофобной (жировой) средам.

 

А – химическая формула; Б – пространственное расположение атомов; В – принятое условное изображение

Рисунок 1.6 – Структура молекулы типичного глицерофосфолипида

Такое строение молекулы приводит к тому, что в водных растворах фосфолипидные молекулы самособираются в бислойную мембрану. Полярные «головки» молекул фосфолипидов внутреннего слоя мембраны регулярным образом направлены в сторону внутреннего водного раствора, в то время как липофильные «хвосты» наружного и внутреннего слоев бислойной мембраны взаимодействуют друг с другом (подобное растворяется в подобном).

Из рисунка 1.7 видно, что левая часть молекулы, содержащая атомы кислорода, фосфора, азота и заряженные группы (триметиламин и фосфат), активно взаимодействует с молекулами воды (гидрофильна); правая часть состоит из углеводородных цепей жирных кислот и отталкивает воду (гидрофобна).

Рисунок 1.7 – Молекулярная структура фосфатидилхолина

(лецитина)

 

Другим примером амфифильной молекулы может служить молекула фосфатидилэтаноламина, структура которой показана на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Строение амфифильной молекулы

Фосфатидилэтаноламина

Как и другие фосфолипиды, фосфатидилэтаноламин в химическом отношении представляет собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина с двумя жирными кислотами; к третьей гидроксильной группе присоединен ортофосфат, а к нему – небольшая органическая молекула, характерная для каждого вида фосфолипидов. В рассматриваемом случае это этаноламин, но могут быть также холин, инозитол, серин и некоторые другие молекулы.

Благодаря своей амфифильной молекулярной структуре, полярные липиды являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые скапливаются на множестве границ раздела фаз. Получаемое в результате снижение поверхностного натяжения не только облегчает производство дисперсных систем, но также улучшает стабильность таких систем при хранении. Амфифильные фосфолипиды часто называют «био-ПАВами».

Благодаря своим особым свойствам, фосфолипиды в организме могут выполнять следующие функции.

Транспортные функции. Фосфолипидные агрегаты с инкапсулированными лекарственными веществами, а также биологически активными веществами могут целенаправленно транспортировать их к нужным органам и тканям. Фосфолипидные везикулы также способны удалять определенные компоненты из клеточных мембран, что позволяет корректировать течение метаболических процессов в организме.

Регуляторные функции. Отдельные типы фосфолипидов и их метаболиты активно участвуют в процессах клеточной регуляции (Fountain M.W., 1982). Так, например, фосфатидилинозиты определяют функционирование биологического цикла, отвечающего за формирование информационно-регуляторных потоков клетки в ответ на воздействие экзогенных факторов (Швец В.И., 1987).

Иммунологическая активность. Фосфолипиды проявляют адьювантные свойства и поэтому способны влиять на иммунный статус организма. Антигенные свойства (высокая иммуногенность) липидов вызывают в ряде случаев формирование в организме специфических антилипидных иммуноглобулинов. Выявление таких иммуноглобулинов в стандартных иммунологических тестах может быть использовано для диагностики некоторых распространенных заболеваний (Иванова Н.Н., 1990; Краснопольский Ю.М., 1999).

Эмульгирующая способность. Данное свойство определяется амфифильной природой фосфолипидных молекул и широко используется для создания биологически активных эмульсий, в которых липиды являются главным стабилизирующим фактором.

Создание медицинских и косметических препаратов на основе липидов основано на использовании этих функций. При этом необходимы индивидуальные фосфолипиды либо их смеси контролируемого состава, обладающие комплексом определенных свойств.

Состав липидов во внутриклеточных пространствах изменяется на пути от зернистого слоя к роговому. В живом эпидермисе фосфолипидов имеется в избытке, тогда как в роговом слое доминируют нейтральные липиды наряду с церамидами и свободными жирными кислотами. В роговом слое присутствует совсем небольшое количество фосфолипидов (таблица 1.1). Кроме того, в липидах рогового слоя имеются существенные качественные и количественные различия в зависимости от области кожи, что объясняется варьирующейся степенью воздействия, с которыми сталкиваются различные барьерные функции. Чем выше содержание липидов в той или иной области кожи, тем легче липофильным веществам проникать в нее.

 

Таблица 1.1 – Состав эпидермальных липидов в верхних