Фосфолипиды: структура, метаболизм и функция

 

Рис. 4—20. Общая структура фос­фолипидов.

 

Природные фосфолипиды являются производными глицерофосфа­та или сфингозинфосфата, содержащими две жирные кислоты и гидрофильный заместитель, такой, как холин, этаноламин, инозитол или серин. Они служат главными составными частями липопротеинов и клеточных мембран и в большом количестве присутствуют в периферической нервной ткани и головном мозге. Фосфоглицериды обладают общей структурой (рис. 4—20), образующейся путем эстерификации глицерофосфата с двумя длинноцепочечными жир­ными кислотами и гидрофильным компонентом. Важной особен­ностью фосфолипидов является их способность взаимодействовать как с гидрофобными, так и с гидрофильными доменами и зани­мать поверхность раздела между органическими и водными среда­ми. Так, в липопротеинах они выступают в роли связующего звена между белковой частью и транспортируемым нейтральным липи­дом, а в клеточной мембране они образуют характерный липидный бислой, который ограничивает внутриклеточное пространство.

В плазматической мембране около 60% фосфолипидов прихо­дится на долю фосфатидилхолина, который частично синтезирует­ся в самой мембране путем метилирования фосфатидилинозитола. Фосдатидилинозитол и фосфатидилсерин присутствуют в меньших количествах, причем жирокислотные заместители в разных тканях варьируют по длине и степени насыщенности. Фосдатидилхолины, или лецитины, синтезируются в животных тканях тремя путями. В ходе основного пути, аналогичного таковому для синтеза фосфа­тидилинозитола, холин фосфорилируется АТФ, образуя фосфохолин. Последний соединяется с ЦТФ, превращаясь в ЦДФ-холин, который реагирует с диацилглицерином в присутствии фосфохолинтрансферазы, образуя фосфатидилхолин. Второй путь синтеза фосфатидилхолина заключается в ацилировании лизофосфатидилхолина (образующегося при гидролизе лецитина фосфолипазой А). Наконец, 3-й путь, имеющий особенное отношение к современным исследованиям гормональных влияний на фосфолипиды мембраны, сводится к последовательному метилированию фосфатидилэтаноламина в клеточной мембране. Эти реакции в схематическом виде представлены на рис. 4—21.

 

Гормональные влияния на метаболизм фосфолипидов. Стимуляция образования арахидоновой кислоты и синтеза проста­гландинов.

 

Многие пептидные гормоны повышают продукцию про­стагландинов тканью-мишенью, что иногда сопровождается вто­ричными реакциями сосудов и клеток. Хотя простагландины, по-видимому, не играют роли медиаторов действия пептидных гор­монов, но стимуляция этих местно образующихся тканевых гормо­нов при активации клеток-мишеней составляет важный компонент клеточной реакции на взаимодействие пептидных гормонов с их рецепторами [57]. Простагландины и родственные им простацик­лины и тромбоксаны быстро синтезируются из полиненасыщенных жирных кислот—предшественников, особенно из арахидоновой кислоты, при стимуляции клеток-мишеней. Ненасыщенные жирные кислоты присутствуют в клетке в виде фосфоглицеридов, кото­рые для того, чтобы превратиться в субстрат для метаболизма в простагландины и другие активные интермедиаты, должны деацилироваться под действием фосфолипаз. На долю арахидоновой кислоты приходится наибольшее количество ненасыщенных жир­ных кислот в тканевых фосфолипидах; эта кислота подвергается метаболизму в двух основных направлениях, называемых циклооксигеназным и липооксигеназным. Ближайшими продуктами циклооксигеназного пути являются эндоперекиси (ПГG₂ и ПГН₂), которые превращаются в простагландины (ПГЕ₂, ПГF_2a и ПГD₂) под действием ферментов, носящих общее название простагландинсинтетазы, а также в тромбоксаны (ТКА₂ и ТКВ₂) и простацикли­ны (ПГI₂) под действием соответствующих синтетаз (рис. 4—22). Классификация этих метаболитов эндоперекисей связана со сте­пенью ненасыщенности их жирокислотных предшественников; эйкозатетраеновая кислота превращается в продукты 1-го класса (ПГЕ₁, ПГF_1a, TKA₁ и др.), а арахидоновая кислота—в продук­ты 2-го класса (ПГЕ₂, ПГF_2a, ТКА₂, ТКВ₂ и ПГI₂) [58].

 

 

Рис. 4— 21. Пути биосинтеза фосфатидилхолина.

 

Тромбоксаны и простациклины также образуются при дальней­шем метаболизме эндоперекисей, появляющихся в ходе циклооксигеназного пути; они представляют собой важные регуляторы взаи­модействий тромбоцитов с сосудистой стенкой. Простациклин (ПГI₂) в больших количествах продуцируется эндотелиальными и гладкомышечными клетками сосудов, где его образование модули­руется гидроперекисными метаболитами липооксигеназного пути [59]. ПГI₂ является высокоактивным ингибитором агрегации тром­боцитов, а его продукция в эндотелиальных клетках стимулирует­ся тромбином и тормозится липопротеинами низкой плотности. Имеются также данные, свидетельствующие о возможной роли снижения способности гладкомышечных клеток сосудов продуци­ровать ПГI₂ в развитии атеросклероза.

Позднее обнаруженный липооксигеназный путь обусловливает превращение арахидоновой кислоты в оксижирные кислоты, в том числе в гидропероксиэйкозатетраеновую кислоту (ГПЭТЕ), кото­рая затем разрушаясь превращается в оксиэйкозатетраеновую кис­лоту (ОЭТЕ). Эти метаболиты липооксигеназного пути играют существенную роль в воспалительных реакциях, в том числе хемо­таксисе нейтрофилов и других следствиях активации циклооксигеназы в тромбоцитах и продукции ПГI₂ в ткани сосудов. Недавно полученные данные свидетельствуют также о том, что липооксигенированные метаболиты арахидоновой кислоты могут опосредовать действие ГнРГ на высвобождение гормонов гипофизарными гонадотрофами [60].

 

 

Рис. 4— 22. Образование и метаболизм арахидоновой кислоты. Ненасыщен­ная жирная кислота, высвобождаемая фосфолипазой А₂ из мембранных фосфолипидов, превращается в активные производные в ходе липоксигеназного, циклоксигеназного и простагландинсинтетазного ферментативных процессов.

 

Любой из перечисленных путей продукции активных метаболи­тов арахидоновой кислоты зависит от адекватного поступления ненасыщенного жирокислотного предшественника из мембранных фосфолипидов. В настоящее время известно, что многие формы опосредованной рецепторами активации клеток сопровождаются повышением активности связанных с мембранами фосфолипаз, ко­торые катализируют гидролиз эфирных связей в глицерофосфолипидах. Наиболее важна в этом отношении фосфолипаза А₂, отщепляющая жирные кислоты во 2-м положении диацилглицерофосфолипидов, которая образует лизофосфолипид и ненасыщен­ную жирную кислоту, обычно арахидонат. Деацилированный фос­фолипид быстро реацилируется за счет переноса активированной СоА жирной кислоты, что легко можно измерить по включению меченой арахидоновой кислоты в фосфолипиды клеток. Этот кру­гооборот глицерофосфолипида служит источником арахидоновой кислоты для метаболизма по цикло- и липооксигеназному путям (рис. 4—23) и может влиять на проницаемость мембраны и актив­ность других связанных с мембраной ферментов [61].

Активация фосфолипазы А₂ зависит от кальция; она происхо­дит при стимуляции клеток надпочечников АКТГ, что приводит к ускорению кругооборота арахидонилфосфатидилинозитола [62]. Этот эффект вызывается также кальциевым ионофором А23187 и может отражать повышение внутриклеточного уровня кальция при действии АКТГ и вторичной стимуляцией фосфолипазы А₂ в каче­стве ранней реакции, сопутствующей АКТГ-рецепторному взаимо­действию. Известно, что действие АКТГ на стероидогенез в надпо­чечниках зависит от кальция, а не только от образования цАМФ. По крайней мере, часть потребностей в кальции для действия АКТГ может быть связана с опосредуемым фосфолипазой A₂ кру­гооборотом мембранных фосфолипидов при активации коры над­почечников.

 

 

Рис. 4—23. Кругооборот фосфоглицеридов в плазматической мембране с эф­фектами опосредованного рецепторами (Р) потока кальция на фосфолипа­зу А₂ и продукцию арахидоновой кислоты.

ОЭТЕ — оксиэйкозатетраеновая кислота: Г — гормон; АЦ — аденилатциклаза НСБ — нуклеотид связывающий белок; ГПЭТЕ — гидропероксиэйкозатетраеновая кислота.

 

Хотя механизм, включающий активацию фосфолипазы, может отражать общее свойство гормонрегулируемых секреторных кле­ток, при гормональной стимуляции специфических клеток-мише­ней меняются и другие этапы метаболизма фосфолипидов. Так, в клетках гранулемы яичника, где ЛГ увеличивает продукцию про­стагландинов, гормон не повышает образование арахидоновой кис­лоты, а действует на более поздних этапах, увеличивая активность простагландинсинтетазы [63]. Этот эффект Л Г на синтез проста­гландинов в граафовом фолликуле (пузырчатый яичниковый фол­ликул), по-видимому, не опосредует стероидогенного действия го­надотропина, но играет важную роль в развитии овуляции [64].

 

Стимуляция кругооборота фосфатидилинозитола и образования полифосфоинозитидов.

Инозитоловые фосфолипиды составляют не­большую, но важную часть фосфолипидов плазматической мембра­ны в большинстве эукариотических клеток. Главным инозитоловым липидом в большинстве клеток является фосфатидилинозитол (ФИ), в котором миоинозитол присоединен к диэфирной фосфатной груп­пе диацилглицеринового скелета. Полифосфоинозитиды (ди- и трифосфоинозитолы), содержащие моно- или дважды фосфатированные гидроксильные группы пнозитола, присутствуют в плазмати­ческой мембране в меньших количествах. Инозитоловые фосфолипиды превращаются друг в друга под действием АТФ-зависимых киназ и фосфомоноэстераз и разрушаются фосфодиэстеразами до инозитолфосфатов и диацилглицерина.

Уже в течение нескольких лет известно, что при стимуляции секреторных клеток усиливается метаболизм ФИ с увеличением включения радиоактивного фосфата и инозитола в ФИ и его пред­шественник фосфатидат. В настоящее время установлено, что эта реакция отражает распад и ресинтез ФИ и, как постулировал Nichell [65], является общим следствием взаимодействия между лигандами и рецепторами клеточной поверхности. Позднее выясни­лось, что эта реакция характеризует гормонрецепторные взаимо­действия, приводящие к повышению внутриклеточной концентра­ции кальция.

Реакция ФИ часто не зависит от внеклеточной и внутрикле­точной концентрации кальция и представляется общим процессом, сопутствующим активации рецепторов, приводящей к притоку или мобилизации кальция и повышению его концентрации в цитозоле. Отсюда было сделано предположение, что распад ФИ принимает участие в общем механизме, с помощью которого активация ре­цепторов клеточной поверхности контролирует мобилизацию каль­ция [65]. Повышение концентрации кальция в цитоплазме могло бы определяться увеличением проницаемости плазматической мем­браны или высвобождением кальция из запасов в плазматической мембране или митохондриях. До сих пор в стимулируемых гормо­нами тканях отмечали отчетливую корреляцию между реакцией ФИ и мобилизацией кальция. В отличие от этого было показано, что некоторые гормоны, которые повышают внутриклеточный уро­вень цАМФ, но не кальция, практически не влияют на метаболизм фосфоинозитидов. Таким образом, реакция ФИ — это не просто общий ответ клеток на активацию их поверхностных рецепторов, но, по-видимому, характерная особенность стимулов, для которых мобилизация кальция является существенным компонентом реак­ции клеток-мишеней [65].

Дополнительной особенностью гормонрецепторных взаимодей­ствий, обусловливающих реакцию ФИ, является повышение активности гуанилатциклазы и уровня цГМФ в клетке. Как уже отмечалось, это, вероятно, представляет собой следствие повыше­ния внутриклеточной концентрации кальция, а не необходимый этап процесса активации, который вызывает характерную реак­цию клетки-мишени на гормональную стимуляцию. Хотя между реакцией ФИ и мобилизацией кальция при активации многих кле­точных рецепторов наверняка существует тесное сопряжение, при­рода связи между этими процессами пока не ясна. По всей вероят­ности, опосредование рецепторами кругооборота ФИ происходит в плазматической мембране клетки, в результате чего и увеличи­вается проницаемость для кальция и/или высвобождение кальция в цитоплазму. Стимулируемый гормоном распад ФИ мог бы являться важным компонентом некоторых механизмов, связанных с активацией рецепторов, вызывая открытие кальциевых каналов на клеточной поверхности, а также модулируя эффекты других рецеп­торов, которые активируют аденилатциклазу [65].

Другой важный аспект метаболизма ФИ связан с возможной ролью полифосфоинозитидов в действии пептидных гормонов. Эти сильно заряженные липиды подвергаются быстрому метаболиче­скому кругообороту, особенно в головном мозге, и ускоряют свой распад при стимуляции a-адренергических и мускариновых рецеп­торов. В отличие от реакции ФИ, эти изменения зависят от уров­ня кальция и могут представлять собой вторичные ответы на по­вышение его концентрации в цитозоле подобно общему изменению активности гуанилатциклазы [28]. Потенциальная роль полифос­фоинозитидов в действии гормонов установлена для коры надпо­чечников, в которой АКТГ остро повышает содержание дифосфо-и трифосфоинозитидов. Эти эффекты воспроизводятся и цАМФ, причем, как и эффекты АКТГ, они блокируются ингибиторами синтеза белка. Добавление дифосфоинозитида к надпочечниковым митохондриям или изолированным клеткам повышает продукцию прегненолона и кортикостерона, что свидетельствует об опосреду­ющей роли полифосфоинозитидов в стимуляции стероидогенеза в надпочечниках под влиянием АКТГ и цАМФ [66].