Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Липиды и клеточная мембрана

Main page / Живомордность / Липиды и клеточная мембрана

Содержание

    Огромную роль в жизни клетки играют так называемые жирные кислотыfatty acid [‘fætɪ ‘æsɪd] ). Мы обсуждали уже устройство молекул таких кислот, когда говорили о молекулах мыла. Их структура выглядит однотипно:

    1. На одном конце — химически активная, гидрофильная группаhydrophilic group [hʌɪdrə’fɪlɪk gruːp] ) COOH. Термином «группа» называется часть молекулы, структурно и функционально выделяющаяся из остальной массы составляющих молекулу атомов. «Гидрофильный» означает, что эта часть молекулы притягивается к молекулам воды и легко образует с нею химические связи. Как мы уже знаем, если группа гидрофильна, то это означает, что она должна быть полярна, то есть иметь положительно и отрицательно заряженные части. Гидрофильная группа COOH встречается настолько часто в разных органических молекулах, что имеет собственное наименование: «карбоксильная группа», или, короче, «карбоксил». Мы уже встречались раньше с нею в этой книге.

    2. На другом конце любой жирной кислоты — длинная гидрофобнаяhydrophobic [ˌhɪdrə’fɔbik] ) цепочка. Она химически слабоактивна и представляет собой длинную нитку атомов углерода с нанизанными на нее атомами водорода. Термин «гидрофобный» означает «не притягивающийся к молекулам воды». Это означает, что гидрофобные группы неполярны, поэтому-то они и не образуют связей с молекулами воды.

    Распространена ошибка, согласно которой термин «гидрофобный» понимают как «отталкивающийся от молекул воды». Это абсолютно неверно. Гидрофобная группа неполярна, поэтому она не может ни притягиваться к полярным молекулам, ни отталкиваться от них. Откуда такая ошибка произрастает, вполне понятно: если мы поместим каплю жира в воду, то возникнет полная иллюзия того, что молекулы жира именно отталкиваются от молекул воды, сбиваясь в кучу где-то на поверхности. На самом деле, это именно иллюзия. Представим себе, что у нас есть две молекулы воды, между которыми помещена молекула жира. Молекула жира неполярна, то есть гидрофобна, то есть не притягивается к молекулам воды. Но две молекулы воды притягиваются друг к другу за счет своей полярности, и притягиваются с большой силой, и попросту выталкивают молекулу жира в сторону, стремясь присоединиться друг к другу. Если теперь позади оттесненной молекулы жира окажется еще одна молекула воды, то и она сделает то же самое — оттолкнет в сторону жир и устремится на воссоединение с другими молекулами воды. В результате и получается ситуация, при которой молекулы жира вытесняются на периферию водяного объема, так что кажется, что они сами, по своей инициативе, «отталкиваются» от воды.

    palmit

    Можно рассмотреть самую распространенную в природе жирную кислоту: пальмитиновую кислотуpalmitic acid [pæl’mɪtɪk ‘æsɪd] ), см. рисунок слева.

    В правой части молекулы мы видим карбоксильную группу: атом углерода, к которому присоединены два атома кислорода, к одному из которых присоединен атом водорода. А слева — длинная цепочка атомов углерода с присоединенными атомами водорода. В этой цепочке ко всем промежуточным атомам углерода прикреплено по два атома водорода — больше невозможно, поскольку валентность углерода равна четырем, и поскольку каждый промежуточный атом в этой цепочке соединен с предыдущим и последующим атомами углерода, у него остается только два свободных электрона для образования связей. Крайний слева атом углерода имеет три прикрепленных атома водорода по той же причине. Таким образом, формулу пальмитиновой кислоты можно записать так: CH3(CH2)14COOH, что и отражает тот факт, что между концевыми группами CHи COOH расположены четырнадцать групп CH2.

    palmi

    Ту же самую молекулу можно нарисовать в более упрощенном виде. С такой формой записи мы также уже сталкивались: каждый излом означает один атом углерода, а количество присоединных к нему атомов водорода легко рассчитать, учитывая, что эти изломы соединены одним, а не сдвоенным отрезком, что обозначает, что атомы углерода соединены не двойной, а одинарной связью, а значит мы всегда легко можем сказать, сколько свободных валентностей есть у каждого из них и сколько к ним прикреплено атомов водорода.

    Из пальмитиновой кислоты состоит множество хорошо известных нам жиров. Например, сливочное масло на 25% состоит из нее, а (мусульманам дальше не советую читать во избежание духовного оскорбления!) поросячье сало — на 30%. И конечно, её ещё больше в растительных маслах.

    oleic-acid

    Углеводородный хвост пальмитиновой кислоты содержит максимум атомов водорода, насколько это возможно. Такие, максимально насыщенные водородом жирные кислоты, называются насыщенными кислотамиsaturated acid [‘sæʧəreɪtɪd ‘æsɪd]  ). Существуют и ненасыщенные кислотыunsaturated acid [ən’sæʧəreɪtɪd ‘æsɪd] ), в которых какие-то атомы углерода образуют между собой двойную связь, а значит каждый из них может прицепить к себе только один атом водорода. Пример: олеиновая кислота ( oleic acid [əʊˈliːɪk ‘æsɪd] ). Мы видим, что два центральных атома углерода образовали между собой двойную связь, которая стягивает два атома намного сильнее, чем одинарная связь. Поэтому в этом месте отсутствует атом водорода и, кроме того, молекула образует излом. Формулу олеиновой кислоты можно написать так: СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН. Олеиновая кислота также очень широко распространена в природе и в большом количестве содержится во многих растительных и животных жирах.

    Как мы видим, конфигурация ненасыщенных кислот такова, что им гораздо сложнее плотно упаковываться вместе, чем насыщенным. Это приводит к тому, что ненасыщенные кислоты образуют жидкие масла, а твердые образованы в основном насыщенными.

    Теперь мы знаем, что из жирных кислот состоят жиры и масла. Но мы еще не знаем — как именно эти жирные кислоты при этом скомпонованы. Жирные кислоты запасаются в цитоплазме многих клеток не в виде отдельных молекул, а в виде более сложной конструкции — в виде молекул триглицеридов, собранных в мелкие капельки. Триглицеридtriglyceride [trʌɪ’glɪsərʌɪd] ) — это молекула, состоящая из трех жирных кислот, присоединенных к одной молекуле глицерина, и именно из таких молекул и состоят животные жиры и растительные масла.

    glycer

    Я понимаю, что мы пока еще не знаем — что такое глицеринglycerin [‘glɪs(ə)rɪn] ) и каковы его свойства, но все в одну кучу валить невозможно, потому просто можно посмотреть на внешний вид глицерина — см. на рисунке — и представить себе, что на этой «вешалке» висит три жирных кислоты, что и является молекулой триглицерида. Не забываем про атомы водорода, присоединенные к атомам углерода, так что формула глицерина (следи по картинке слева направо по мере чтения химической формулы): HOCH2-CH(OH)-CH2OH

    Если клетке требуется энергия, то она берет молекулы триглицеридов из своего запаса и разрывает их, отрывая жирные кислоты и расщепляя их на мелкие кусочки, содержащие два атома углерода. Эти мелкие кусочки представляют собою такое же топливо, какое образуется из молекул глюкозы: они вступают в химические реакции, в результате которых клетка и получает энергию. Но триглицериды представляют собой более серьезный запас энергии: из них клетка получает в 6 раз больше энергии, чем она могла бы получить из глюкозы той же массы.

    Жирные кислоты и разные жироподобные вещества, получаемые из них, имеют название «липиды» ( lipid [‘lipid] ). Также вместо термина «липиды» иногда говорят «жиры», но надо каждый раз понимать — что именно имеется в виду: та или иная жирная кислота или триглицерид или еще более сложные комплексы.

    Липиды играют в клетках огромную роль — в частности, они являются основным строительным материалом мембран клеток. Если бы не было мембран, то клетки попросту не могли бы существовать: все их содержимое свободно уплывало бы в разные стороны. Мембрана образует прочную пленку, внутри которой и находится содержимое клетки.

    phos

    Для построения мембраны используется довольно сложные липиды: фосфолипидыphospholipid [fɒsfə’lɪpɪd] ). Для того, чтобы построить молекулу фосфолипида, необходимо для начала взять молекулу триглецерида и оторвать от неё одну из жирных кислот. Затем к глицерину надо прицепить фосфатную группу — уже знакомое нам соединение фосфора и атомов кислорода — см. на картинке слева. И уже к фосфатной группе присоединяем еще одну группу молекул, азотсодержащую, называемую «холин» ( choline [‘kəʊliːn] ). Я не думаю, что стоит сейчас вдаваться в структуру и свойства холина, поскольку нашей задачей сейчас является лишь общее понимание того, как устроена молекула фосфолипида. Роль холина в работе нашего организма очень велика помимо его участия в структуре фосфолипидов. Надо только отдавать себе отчет в том, что и фосфат, и холин являются гидрофильными, и таким образом вместе они образуют «гидрофильную головку» фосфолипида, и в итоге молекула фосфолипида представляет собою объект, один конец которого гидрофобный, а другой — выраженно гидрофильный. Именно это качество фосфолипидов и делает их такими удобными для постройки мембран.

    Я думаю, что если теперь посмотреть на изображения фосфолипидов, то можно уже без труда понять и запомнить то, как они устроены. Ниже размещены две картинки специально для этой цели.

    фосфолипид-1

    фосфолипид-2

    мембр-1

    мембр-2

    На следующих картинках видно — каким образом два слоя, состоящих из фосфолипидов, образуют мембрану клетки. Своими гидрофильными головками фосфолипиды направлены, разумеется, внутрь и вовне клетки, поскольку внутри клетки — цитоплазма, состоящая в основном из воды, а вовне — внеклеточная жидкость, тоже состоящая в основном из воды.
    Своими гидрофобными хвостами фосфолипиды направлены внутрь мембраны.

    мембр-3

    Молекулы, имеющие в своем составе как гидрофильные, так и гидрофобные области, называются амфифильнымиamphiphilic [amfə’filik] ). Таким образом, фосфолипиды являются амфифильными молекулами. Молекулы мыла — тоже. Фосфолипиды являются гораздо более выраженными амфифильными молекулами, чем триглицериды, поскольку комплекс «фосфат+холин» является намного более гидрофильным, чем глицерин. Когда фосфолипиды растекаются по поверхности воды, их гидрофильные концы сильно притягиваются к воде, так что они сразу же располагаются так, что их головки погружены в воду, а хвосты торчат наружу. Так образуется жирная пленка — нечто похожее на жир, плавающий на поверхности воды в процессе ее превращения во вкусный куриный бульон.

    2000px-Lipid_bilayer_and_micelle.svg

    Гидрофобные хвосты хотя и не сильно, но все же притягиваются друг к другу, и кроме того молекулы воды оттесняют их, так что в результате группа фосфолипидов легко сворачивается в шарик с торчащими наружу головками — и такая жировая капля (отмечена цифрой 2 на рисунке) может спокойно плавать в толще воды, спрятав хвосты внутрь. В клетке возникает двойной липидный бислой (отмечен цифрой 1), который служит отличной преградой, мешающей бесконтрольно смешиваться жидкостям, находящимся внутри и снаружи клетки.

    (Автор статьи: Бодх)