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.