Глицерофосфолипиды или фосфоглицериды — это фосфолипиды на основе глицерина . Они являются основным компонентом биологических мембран в эукариотических клетках. Это тип липидов , состав которых влияет на структуру и свойства мембран. [1] Известны два основных класса: классы бактерий и эукариот и отдельное семейство архей . [2]
Глицерофосфолипиды образуются из глицерол-3-фосфата в de novo пути. [3] Термин глицерофосфолипид обозначает любое производное глицерофосфорной кислоты, которое содержит по крайней мере один остаток O - ацила , или O - алкила , или O - алк-1'-енила, присоединенный к глицериновому фрагменту . [4] Фосфатная группа образует эфирную связь с глицерином. Длинноцепочечные углеводороды обычно присоединяются через эфирные связи у бактерий/эукариот и через эфирные связи у архей. У бактерий и прокариот липиды состоят из диэфиров, обычно из жирных кислот C16 или C18. Эти кислоты имеют линейную цепь и, особенно для членов C18, могут быть ненасыщенными. У архей углеводородные цепи имеют длину цепи C10, C15, C20 и т. д., поскольку они получены из изопреновых единиц. Эти цепи разветвлены, с одним метильным заместителем на субъединицу C5. Эти цепи связаны с фосфатом глицерина эфирными связями. [2] Две углеводородные цепи, присоединенные к глицерину, гидрофобны, в то время как полярная головка, которая в основном состоит из фосфатной группы, присоединенной к третьему углероду глицеринового остова, является гидрофильной. [5] Эта двойственная характеристика приводит к амфипатической природе глицерофосфолипидов.
Они обычно организованы в бислой в мембранах с полярными гидрофильными головками, торчащими наружу в водную среду, и неполярными гидрофобными хвостами, направленными внутрь. [6] Глицерофосфолипиды состоят из различных видов, которые обычно немного отличаются по структуре. Самая основная структура - фосфатидат. Этот вид является важным промежуточным продуктом в синтезе многих фосфоглицеридов. Наличие дополнительной группы, присоединенной к фосфату, позволяет образовывать множество различных фосфоглицеридов.
По соглашению, структуры этих соединений показывают 3 атома углерода глицерина вертикально с фосфатом, присоединенным к атому углерода номер три (внизу). Примерами являются плазмалогены и фосфатидаты. [7]
В общем, глицерофосфолипиды используют обозначение «sn», которое означает стереоспецифическую нумерацию. [8] Когда в номенклатуре появляются буквы «sn» , по соглашению гидроксильная группа второго углерода глицерина (2- sn ) находится слева на проекции Фишера . Нумерация следует за проекциями Фишера, причем 1- sn — углерод наверху, а 3- sn — углерод внизу. [9]
Преимущество этой конкретной записи состоит в том, что пространственная конфигурация ( D или L ) молекулы глицерина интуитивно определяется остатками в положениях sn -1 и sn -3.
Например, sn- глицеро-3- фосфорная кислота и sn -глицеро-1-фосфорная кислота являются энантиомерами .
Большинство растительных масел имеют ненасыщенные жирные кислоты в положении sn -2, с насыщенными жирными кислотами в положении 1- sn и/или 3- sn . [8] Животные жиры чаще имеют насыщенные жирные кислоты в положении 2- sn , с ненасыщенными жирными кислотами в положении 1- sn и/или 3- sn . [8]
Плазмалогены — это тип фосфоглицерида. Первый атом углерода глицерина имеет углеводородную цепь, присоединенную через эфирную, а не сложноэфирную связь. Связи более устойчивы к химическому воздействию, чем сложноэфирные связи. Второй (центральный) атом углерода имеет жирную кислоту, связанную сложным эфиром. Третий атом углерода связан с этаноламином или холином посредством фосфатного эфира. Эти соединения являются ключевыми компонентами мембран мышц и нервов.
Фосфатидаты — это липиды, в которых первые два атома углерода глицерина являются эфирами жирных кислот, а третий — эфиром фосфата. Фосфат служит связующим звеном с другим спиртом — обычно этаноламином, холином, серином или углеводом. Идентичность спирта определяет подкатегорию фосфатидата. На фосфате имеется отрицательный заряд, а в случае холина или серина — положительный четвертичный аммониевый ион. (Серин также имеет отрицательную карбоксилатную группу.) Наличие зарядов дает «голову» с общим зарядом. Часть эфира фосфата («голова») гидрофильна, тогда как остальная часть молекулы, «хвост» жирной кислоты, гидрофобна. Это важные компоненты для образования липидных бислоев.
Примерами фосфатидатов являются фосфатидилэтаноламины, фосфатидилхолины и другие фосфолипиды.
Фосфатидилхолины — это лецитины . Холин — это спирт с положительно заряженным четвертичным аммонием, связанный с фосфатом с отрицательным зарядом. Лецитины присутствуют во всех живых организмах. Яичный желток имеет высокую концентрацию лецитинов, которые имеют коммерчески важное значение в качестве эмульгирующего агента в таких продуктах, как майонез. Лецитины также присутствуют в мозге и нервной ткани.
Фосфатидилинозитол составляет небольшой компонент цитозоля в мембранах эукариотических клеток и придает молекулам отрицательный заряд. Его важность заключается в его роли в активации сенсорных рецепторов, которые коррелируют с функциями вкуса.
Фосфатидилсерин важен для клеточной сигнализации , в частности, апоптоза . Клетки будут использовать этот фосфатидилсерин для проникновения в клетки посредством апоптотической мимикрии. Структура этого липида различается у растений и животных в отношении состава жирных кислот. Кроме того, фосфатидилсерин играет важную роль в содержании человеческого мозга, поскольку он составляет 13–15% фосфолипидов в коре головного мозга человека. Этот липид встречается во многих местах. Например, в рационе человека около 130 мг получаются из фосфатидилсерина. Говорят, что это оказывает положительное влияние на мозг, поскольку помогает снизить стресс и улучшить память. [10]
Сфингомиелин — это тип сфинголипида , который содержит остов сфингоидных оснований. Его можно найти в миелиновой оболочке аксонов нервных клеток в мембранах животных клеток. Сфингомиелин можно найти в яйцах или мозге быка. Этот сфинголипид синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме и обогащается в плазматической мембране с большей концентрацией снаружи. [11]
Существует много других фосфолипидов, некоторые из которых являются гликолипидами . Гликолипиды включают фосфатидилсахара, где спиртовая функциональная группа является частью углевода. Фосфатидилсахара присутствуют в растениях и некоторых микроорганизмах. Углеводы очень гидрофильны из-за большого количества присутствующих гидроксильных групп.
Глицерофосфолипиды являются основным структурным компонентом биологических мембран. Их амфипатическая природа обуславливает формирование липидной бислойной структуры мембран. Клеточная мембрана, видимая под электронным микроскопом, состоит из двух идентифицируемых слоев, или «листочков», каждый из которых состоит из упорядоченного ряда молекул глицерофосфолипидов. Состав каждого слоя может значительно различаться в зависимости от типа клетки.
Каждая молекула глицерофосфолипида состоит из небольшой полярной головной группы и двух длинных гидрофобных цепей. В клеточной мембране два слоя фосфолипидов расположены следующим образом:
Помимо своей функции в клеточных мембранах, они функционируют в других клеточных процессах, таких как индукция и транспортировка сигнала. Что касается сигнализации, они обеспечивают предшественников простагландинов и других лейкотриенов . [12] Именно их специфическое распределение и катаболизм позволяют им выполнять перечисленные выше процессы биологического ответа. [13] Их роль в качестве центров хранения вторичных мессенджеров в мембране также является фактором, способствующим их способности действовать как транспортеры. [13] Они также влияют на функцию белков. Например, они являются важными составляющими липопротеинов (растворимых белков, которые транспортируют жир в крови), следовательно, влияют на их метаболизм и функцию. [6]
Глицерофосфолипиды также могут действовать как эмульгирующий агент , способствуя дисперсии одного вещества в другом. Иногда это используется в производстве конфет и мороженого.
Нейронные мембраны содержат несколько классов глицерофосфолипидов, которые оборачиваются с разной скоростью в зависимости от их структуры и локализации в разных клетках и мембранах. Существует три основных класса, а именно: 1-алкил-2-ацил глицерофосфолипид, 1,2-диацил глицерофосфолипид и плазмалоген. Основная функция этих классов глицерофосфолипидов в нервных мембранах заключается в обеспечении стабильности, проницаемости и текучести посредством специфических изменений в их составе. [13] Состав глицерофосфолипидов нервных мембран значительно изменяет их функциональную эффективность. Длина ацильной цепи глицерофосфолипида и степень насыщения являются важными детерминантами многих характеристик мембраны, включая образование боковых доменов, которые богаты полиненасыщенными жирными кислотами. Рецепторно-опосредованная деградация глицерофосфолипидов фосфолипазами A(l), A(2), C и D приводит к образованию вторичных мессенджеров, таких как простагландины , эйкозаноиды , фактор активации тромбоцитов и диацилглицерол. Таким образом, фосфолипиды нейронной мембраны являются резервуаром для вторичных мессенджеров. Они также участвуют в апоптозе , модуляции активности транспортеров и мембраносвязанных ферментов. Сообщалось о выраженных изменениях в составе глицерофосфолипидов нейронной мембраны при неврологических расстройствах. Эти изменения приводят к изменениям текучести и проницаемости мембраны. Эти процессы наряду с накоплением липидных перекисей и нарушенным энергетическим метаболизмом могут быть ответственны за нейродегенерацию, наблюдаемую при неврологических расстройствах. [14]
Метаболизм глицерофосфолипидов отличается у эукариот, опухолевых клеток [15] и прокариот. Синтез у прокариот включает синтез глицерофосфолипидов фосфатидной кислоты и полярных головных групп. Синтез фосфатидной кислоты у эукариот отличается, существует два пути, один к другому к фосфатидилхолину и фосфатидилэтаноламину. Глицерофосфолипиды обычно метаболизируются в несколько этапов с различными промежуточными продуктами. Самый первый этап этого метаболизма включает добавление или перенос цепей жирных кислот к глицериновому остову с образованием первого промежуточного продукта, лизофосфатидной кислоты (ЛФК). Затем ЛФК ацилируется с образованием следующего промежуточного продукта, фосфатидной кислоты (ФК). ФК может быть дефосфорилирована, что приводит к образованию диацилглицерина, который необходим для синтеза фосфатидилхолина (ФК). [6] PC является одним из многих видов глицерофосфолипидов. В пути, называемом путем Кеннеди, полярные головки добавляются для завершения формирования всей структуры, состоящей из областей полярных головок, двух цепей жирных кислот и фосфатной группы, прикрепленной к глицериновому остову. В этом пути Кеннеди холин преобразуется в CDP-холин, который управляет переносом полярных групп головок для завершения формирования PC. Затем PC может быть далее преобразован в другие виды глицерофосфолипидов, такие как фосфатидилсерин (PS) и фосфатидилэтаноламин (PE). [6]