Липиды в структуре и функционировании биологических мембран

практически все мембраны более чем на 95% состоят из белков и липидов, последние представлены почти всеми группами данных соединений, и их содержание, в зависимости от вида клеток, составляет в среднем 30-55%.

В состав мембран клеток животного происхождения входят в основном фосфолипиды, гликолипиды и нейтральные липиды. Липиды внутренних клеточных мембран (эндоплазматического ретикулома, митохондрий и др.) практически полностью представлены фосфолипидами. Плазматические мембраны, кроме фосфолипидов, содержат также, но значительно в меньшем количестве, гликолипиды и нейтральные липиды, включающие холестерин и глицериды [1].

Мембраны разного происхождения значительно различаются по своему фосфолипидному составу. Для многих мембран общим является наличие фос-фатидилхолина и фосфатидилэтаноламина, третьим основным фосфолипидом может быть фосфа-тидилсерин (для мембран синаптосом мозга крыс, саркоплазматического ретикулома мышц кролика и наружных сегментов палочек сетчатки глаза быка), сфингомиелин (для мембран сарколеммы скелетных мышц кролика, эритроцитов человека и некоторых животных), фосфатидил-глицерин (кардиолипин) и фосфатидилинозит (для наружных и внутренних мембран митохондрий) [2].

На поверхности мембран располагаются преимущественно такие липиды, как фосфатидилхолин и сфингомиелин, а на внутренней стороне более всего представлены фосфатидилэтаноламин и фосфати-дилсерин [3–6]. Синтезируемые в эндоплазматическом ретикуломе клетки липиды наиболее активно переносятся липидпереносящими белками к внутренней (цитозольной) стороне мембраны, при этом интенсивнее всего обмениваются фосфатидилэтано-ламины [7, 8].

Строение наиболее часто встречающихся липидов мембран однотипно. Их головка, обладающая полярными свойствами, представлена пептидным остатком, содержащим, как правило, компонент фосфатидной кислоты. Неполярной частью липида является двухцепочечный жирнокислотный хвост [8, 9]. Разные липиды обладают различным жирнокислотным составом. Так, для фосфатидилхолинов типичными являются пальмитиновая (С16: О), олеиновая (С18:1) и линолевая (С18:2) кислоты, а для фосфатиди-лэтаноламина еще добавляется арахидоновая (С20:4). Сфингомиелин обычно содержит жирные кислоты более ненасыщенные, чем содержит их фосфати-дилсерин [10, 11]. Вместе с тем показано, что изменение состава диеты, особенно ее жирового компонента, смена условий среды обитания могут быстро и довольно существенно изменить жирнокислотный состав липидов мембран [12, 13].

Имея в своей структуре гидрофильные и гидрофобные участки и являясь в связи с этим амфипатическими, молекулы липидов образуют в мембранах своеобразную пространственную ориентацию. При этом гидрофобные участки молекул направлены во внутреннюю неполярную область бимолекулярного липидного слоя, а полярные участки располагаются с наружной стороны липидного бислоя [2, 3]. В соответствии с жидкостно-мозаичной моделью, которая лежит в основе современных представлений о структуре биологических мембран, бимолекулярный фосфолипидный слой, представляющий собой две гидрофильные поверхности, разъемные внутри гидрофобной зоной, образует жидкокристаллическую матрицу, в которую полностью или частично погружены глобулы мембранных белков. Фосфолипидный бислой, являясь главным структурным компонентом мембран, определяет их общую морфологию и основные свойства, обусловливает различную степень проницаемости для соединений, растворимых в воде [14, 15].

В основе многих форм патологии лежит изменение свойств клеточных мембран. Нарушение структуры и функции биомембраны может быть как причиной, так и следствием различных патологических процессов и заболеваний. Благодаря наличию в структуре мембран множества разнородных химических составляющих она может служить мишенью действия бактериальных токсинов, многих ядов, лекарственных препаратов.

В настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что состояние липидов мембран, их количество, качественный состав и модификация под влиянием различных факторов имеют важнейшее значение для функций как самих мембран и клеток, так и всего организма в целом [9, 16].

Известно, что уменьшение парциальной доли арахидоновой кислоты в фосфолипидах мембран вызывает отставание роста животных, а снижение ее синтеза в связи с алиментарным дефицитом предшественников (линолевой кислоты) либо по причине генетически обусловленной или приобретенной ферментативной недостаточности превращения линолевой кислоты в арахидоновую приводит к нарушению биохимических свойств мембран, сдерживает процесс их построения [17, 11]. Дефицит линолевой кислоты, снижающий в мембранах долю арахидоновой и увеличивающий долю эйкозотриеновой кислот, определенная метаболическая ситуация в организме (эндогенная триглицерид- и- холестеринемия) нарушают активность мембранно-связанных ферментов, в том числе участвующих в активном транспорте ионов, повышают проницаемость мембран [11, 18, 13, 19].

Активность мембранных ферментов связана с фосфолипидами мембран, с их количеством, классом, динамическим свойством образуемого ими липидного матрикса, что обеспечивает ферментами солюбилизацию, необходимую конформацию, облегчающее их взаимодействие с гидрофобным субстратом [20–22]. Количественное уменьшение фосфолипидов мембран увеличивает вязкость последних, изменяет структуру ферментов (в том числе и Са-АТФ-аз) и снижает их каталитическую активность [11, 13].

Взаимодействие мембранных ферментов и фосфолипидов происходит не только в рамках мембранной локализации, они могут быть ассоциированы с плазменными фосфолипидами и липопротеидами, а также могут использоваться для формирования фосфолипидного слоя липопротеидов с интенсивным биохимическим взаимодействием между отдельными представителями фосфолипидов, при этом выдвигается предположение о замедлении синтеза последних при нарушении белкового обмена [9, 23].

Одной из функций плазматической мембраны является протонный насос, который обеспечивает нормальный метаболизм клетки и регулирует внутриклеточный рН, при участии АТФ-азных систем, создающих электрохимический градиент. Деятельность протонного насоса регулируется мембранными липидами, организующими траскриптационные и постпереводные уровни проницаемости мембран с модификацией липидов окружающей среды и влияющими на состояние Н+-АТФ-аз [7, 13].

Активация Raf-1 киназы в плазматической мембране напрямую связана с фосфатидилсерином, количество которого имеет прямую зависимость от ци- стеинсодержащих белков. Активация транслоказы, специфичной к аминофосфолипидам и участвующей в работе АТФ-зависимого насоса, приводит к перемещению фосфатидилэтаноламина и фосфатидил-серина в липидном бислое, при этом с положением фосфатидилсерина связано распознавание клеток, слияние клеток, процессы коагуляции, апоптоза [24, 14].

Изучение состояния фосфолипидов кардиомиоцитов в условиях экспериментального геморрагического шока указывает на специфичность повреждения липидного бислоя мембран в зависимости от стадии шока. При этом особое значение отводится нарушению обмена мембранных фосфотидилэтано-ламина и фосфотидилсерина с разрегулированием кальцийтранспортирующих систем клеток, их перегрузкой Ca²ˉ, приводящим к падению уровня мембранного сфингомиелина и усилению апоптоза кардиомиоцитов [23].

Показано, что при полной делипидизации мембран активность Na-, К-, Са-, АТФ-аз падает до нуля, но восстанавливается после добавления в мембраны фосфолипидов и жирных кислот. Следует отметить активное влияние холестерина на вязкость мембран. Уменьшение его содержания в мембранах повышает их проницаемость для воды и ионов, увеличивает подвижность жирных кислот фосфолипидов и делает их более доступными для фосфолипаз [20, 25, 26]. Повышенное содержание холестерина в мембранах, как при экспериментальных исследованиях, так и обусловленные гиперхолестеринемией, вытесняя воду из приполярной зоны бислоя, увеличивает жесткость мембран. Изменение в эксперименте взаимодействия холестерина с фосфатидилэтаноламином смешанных монослоев в воздушно-водной среде сопровождается различными биофизическими эффектами: изменением симметричности расположения липида, поверхностного напряжения, энергии взаимодействия [27]. Увеличение или снижение содержания холестерина в плазматической мембране приводит к изменению соотношения в содержании щелочной фосфатазы и фосфатидилхолина, что меняет архитектонику мембраны [26].

Наиболее четко вязкотропная регуляция установлена для транспортных АТФ-аз, подвижность всей белковой глобулы у которых может быть существенным моментом их функционирования, связанного с микровязкостью липидного матрикса. Преобразование фосфалипидов в диацилглицериды происходит под действием фосфатаз. В этом процессе определенная роль отводится липопротеидам очень низкой плотности и ахолинопротеину В-100. Их взаимодействие сказывается на цитозольных слоях плазматической мембраны, что может снижать или усиливать поражение клеток [28].

Функция ферментов может определяться также тонким слоем окружающего их пограничного (анулярного) липида, который придает ферментам «консервативность» по отношению к изменениям общей липидной фазы и осуществляет локальную липидную регуляцию, связанную не столько с изменением динамики жирнокислотных цепей и общим состоянием липидов мембран, сколько с геометрией молекул слоя пограничного липида. Именно термодинамическое равновесие в системе «пограничный слой липидов — общий липидный бислой» может контролировать работу многоферментных мембранных систем, определяя диспергированно-агрегированное состояние их белков [29, 30].

При альтерации мембраны в ней возникают тонкие изменения в виде модификации мембранных липидов, белков, перестроек сложных гликопроте-идных комплексов. Активируются процессы, приводящие к образованию активных форм кислорода, которые инициируют образование свободных радикалов, свободнорадикальное окисление. Запускаются процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) в биомембранах. Таким образом, интенсификация процессов ПОЛ является одним из мощных модифицирующих мембранные липиды факторов, приводящих к выраженным изменениям физико-химических свойств мембран и повреждению клеток [31, 32, 9]. Этот процесс, непосредственным субстратом которого являются ненасыщенные жирные кислоты в цисконфигурации, тесно связан с обновлением и обменом липидов мембран, их функциями, метаболизмом клеток, с синтезом различных классов высокоактивных биологических соединений [33, 34].

В условиях усиления липопероксидации происходит увеличение содержания сфингомиелина в мембранах с уменьшением глутатиона и нарушением уровня Са++ в клетке [23]. При этом не исключена связь мембранного сфингомиелина с плазменным, который имеет свойство конкурентно связываться либо с фосфолипазой А2, угнетая ее активность, либо с холестерином, освобождая фермент-фосфолипазу А2.

Процессы перекисного окисления липидов сопровождаются нарушением взаимоотношения между миелопероксидазой и полярными головками фосфоглицеридов биомембран, в связи с чем обнаружена способность фосфатидилхолина липосом превращать НОСl/ClO- в менее токсичный и не инициирующий реакции липопероксидации НО2Cl/ClO2-, в то же время HOCl/ClO- при участии миелопероксидазы осуществляет взаимодействие липопротеидов низкой плотности с фосфатидилхолином, активируя атеросклеротический эффект клеток [35, 36].

Изменение соотношения в биомембранах содержания фосфатидилхолина к фосфатидилэтанола-мину, при участии S-аденозилметионина, влияет на активность кистозного фиброза [37]. Вместе с тем исходное содержание фосфатидилхолина и фосфа-тидилэтаноламина является активатором фосфати-дилсерин-синтаз 1 и 2, благодаря чему происходит увеличение содержания фосфатидилсерина в плазматической мембране [38]. Накопление в наружном слое эритроцитарной мембраны и в тромбоците фосфатидилсерина может приводить к развитию гиперкоагуляционного синдрома, так как происходит изменение в цепочке: протромбин, антиплазмин, антитромбин [39]. Интенсивное окисление фосфати-дилсерина в митохондриях и в целых фагоцитирующих клетках при активации клеточных ферментных систем с накоплением лизофосфолипидов приводит к запуску клеточного апоптоза и первичного некроза [40, 41], при этом фосфатидилсерин изменяет асимметрию мембраны за счет перемещения к поверхностному слою [4].

При экспериментальном некрозе поджелудочной железы отмечено увеличение содержания фосфати-дилсерина в плазматической мембране, связанное с активацией фермента кадиаза-3. Применение ингибиторов кадиаза-3 приостанавливало некроз клеток [42].

Мощный биологический активатор — лизофосфа-тидная кислота, предшественниками которой являются фосфатидная кислота и лизофосфатидилхолин плазматической мембраны, при участии фосфалипазы А2 влияет на рост клеток, злокачественное перерождение клеток, перемещение холестерина и липопротеидов в атеросклеротических участках [43, 44].

Развитие биологической клетки и ее апоптоз не происходят без участия мембранных сфинголипидов, которые через церамид, сфингозин, сфингозин-1-фосфат, сфинганин параллельно создают условия для активации коагуляционного потенциала крови при иммунном ответе и других физиологических процессах [6, 45].

Важными структурными компонентами биомембран являются кардиолиты, фосфатидилинозит и его изомеры, в основном входящие в структуру митохондрий. Они участвуют в трансдукции сигнала, осуществляют перемоделирование за счет привлечения клеточных белков к плазматической мембране, создают условия для прохождения Ca++ в клетку, активируют липопероксидацию, создают «апоптозный» ответ совместно с прочими фосфолипидами [46, 47].

Изложенные данные убедительно свидетельствуют о том, что состояние липидных компонентов биомембран тесно взаимосвязано с клеточным метаболизмом, ассоциировано с состоянием плазменных липидов, белков, углеводов, опосредуется развитием типовых процессов дезинтеграции клеточных структур при различных патологических состояниях, формируя тяжесть течения и продолжительность болезни.