Глицерофосфолипиды или фосфоглицериды представляют собой фосфолипиды на основе глицерина . Они являются основным компонентом биологических мембран эукариотических клеток . Они представляют собой тип липидов , состав которых влияет на структуру и свойства мембран. [1] Известны два основных класса: бактерии и эукариоты и отдельное семейство архей . [2]
Глицерофосфолипиды образуются из глицерин-3-фосфата путем de novo. [3] Термин глицерофосфолипид означает любое производное глицерофосфорной кислоты, которое содержит по крайней мере один О - ацильный , или О - алкильный , или О -алк-1'-енильный остаток , присоединенный к глицериновому фрагменту . [4] Фосфатная группа образует сложноэфирную связь с глицерином. Длинноцепные углеводороды обычно прикрепляются через эфирные связи у бактерий/эукариот и через эфирные связи у архей. У бактерий и прокариот липиды состоят из диэфиров жирных кислот C16 или C18. Эти кислоты имеют прямую цепь и, особенно для членов C18, могут быть ненасыщенными. У архей углеводородные цепи имеют длину цепей C10, C15, C20 и т. д., поскольку они происходят из изопреновых звеньев. Эти цепи разветвлены, с одним метильным заместителем на субъединицу С5. Эти цепи связаны с фосфатом глицерина эфирными связями. [2] Две углеводородные цепи, присоединенные к глицерину, являются гидрофобными, тогда как полярная головка, которая в основном состоит из фосфатной группы, присоединенной к третьему углероду основной цепи глицерина, является гидрофильной. [5] Эта двойная характеристика приводит к амфипатической природе глицерофосфолипидов.
Обычно они организованы в виде двухслойных мембран, причем полярные гидрофильные головки обращены наружу, в водную среду, а неполярные гидрофобные хвосты направлены внутрь. [6] Глицерофосфолипиды состоят из различных видов, которые обычно незначительно различаются по структуре. Самая основная структура — фосфатидат. Этот вид является важным промежуточным продуктом в синтезе многих фосфоглицеридов. Наличие дополнительной группы, присоединенной к фосфату, позволяет создавать множество различных фосфоглицеридов.
По соглашению, в структурах этих соединений три атома углерода глицерина расположены вертикально, а фосфат присоединен к атому углерода номер три (внизу). Примерами являются плазмалогены и фосфатидаты. [7]
Обычно глицерофосфолипиды используют обозначение «sn», которое означает стереоспецифическую нумерацию. [8] Когда в номенклатуре появляются буквы «sn» , по соглашению гидроксильная группа второго атома углерода глицерина (2- sn ) находится слева в проекции Фишера . Нумерация соответствует проекции Фишера: 1- sn — углерод вверху и 3- sn — внизу. [9]
Преимущество этого конкретного обозначения состоит в том, что пространственная конфигурация ( D или L ) глицеромолекулы определяется интуитивно по остаткам в положениях sn -1 и sn -3.
Например, sn -глицеро-3- фосфорная кислота и sn -глицеро-1-фосфорная кислота являются энантиомерами .
Большинство растительных масел содержат ненасыщенные жирные кислоты в sn -2-положении, а насыщенные жирные кислоты - в sn -1- и/или 3- sn -положении. [8] Животные жиры чаще содержат насыщенные жирные кислоты в положении 2- sn , а ненасыщенные жирные кислоты - в положении 1- sn и/или 3- sn . [8]
Плазмалогены представляют собой разновидность фосфоглицеридов. Первый углерод глицерина имеет углеводородную цепь, присоединенную посредством простой, а не сложноэфирной связи. Связи более устойчивы к химическому воздействию, чем сложноэфирные связи. Второй (центральный) атом углерода имеет жирную кислоту, связанную сложным эфиром. Третий углерод связывается с этаноламином или холином посредством сложного эфира фосфорной кислоты. Эти соединения являются ключевыми компонентами мембран мышц и нервов.
Фосфатидаты — это липиды, в которых первые два атома углерода глицерина представляют собой эфиры жирных кислот, а третий — эфир фосфорной кислоты. Фосфат служит связующим звеном с другим спиртом — обычно с этаноламином, холином, серином или углеводом. Идентичность спирта определяет подкатегорию фосфатидата. Фосфат имеет отрицательный заряд, а в случае холина или серина – положительный ион четвертичного аммония. (Серин также имеет отрицательную карбоксилатную группу.) Наличие зарядов дает «голову» с общим зарядом. Часть эфира фосфорной кислоты («голова») является гидрофильной, тогда как остальная часть молекулы, «хвост» жирной кислоты, является гидрофобной. Это важные компоненты для формирования липидных бислоев.
Примерами фосфатидатов являются фосфатидилэтаноламины, фосфатидилхолины и другие фосфолипиды.
Фосфатидилхолины – это лецитины . Холин — это спирт с положительно заряженным четвертичным аммонием, связанным с фосфатом и имеющим отрицательный заряд. Лецитины присутствуют во всех живых организмах. Яичный желток имеет высокую концентрацию лецитинов, которые имеют коммерческое значение в качестве эмульгатора в таких продуктах, как майонез. Лецитины также присутствуют в мозговой и нервной тканях.
Фосфатидилинозит составляет небольшой компонент цитозоля мембран эукариотических клеток и придает молекулам отрицательный заряд. Его важность зависит от его роли в активации сенсорных рецепторов, которые коррелируют с вкусовыми функциями.
Фосфатидилсерин играет важную роль в передаче сигналов клетками , особенно в апоптозе . Клетки будут использовать этот фосфатидилсерин для проникновения в клетки посредством апоптотической мимикрии. Структура этого липида различается у растений и животных по составу жирных кислот. Кроме того, фосфатидилсерин играет важную роль в составе головного мозга человека, так как он составляет 13–15% фосфолипидов коры головного мозга человека. Этот липид встречается в самых разных местах. Например, в рационе человека около 130 мг являются производными фосфатидилсерина. Говорят, что это оказывает положительное влияние на мозг, поскольку помогает снизить стресс и улучшить память. [10]
Сфингомиелин — это тип сфинголипида , который содержит основу из сфингоидных оснований. Его можно найти в миелиновой оболочке аксонов нервных клеток в мембранах клеток животных. Сфингомиелин можно найти в яйцах или бычьем мозге. Этот сфинголипид синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме и обогащается на плазматической мембране с большей концентрацией снаружи. [11]
Существует много других фосфолипидов, некоторые из которых являются гликолипидами . Гликолипиды включают фосфатидиловые сахара, в которых спиртовая функциональная группа является частью углевода. Фосфатидиловые сахара 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 способствует формированию липидной бислойной структуры мембран. Клеточная мембрана, видимая под электронным микроскопом , состоит из двух различимых слоев, или «листочков», каждый из которых состоит из упорядоченного ряда молекул глицерофосфолипида. Состав каждого слоя может широко варьироваться 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 участвуют в других клеточных процессах, таких как индукция и транспорт сигналов. Что касается передачи сигналов, они являются предшественниками простагландинов и других лейкотриенов. [12] Именно их специфическое распределение и катаболизм позволяют им осуществлять процессы биологического ответа, перечисленные выше. [13] Их роль в качестве центров хранения вторичных мессенджеров в мембране также является фактором, способствующим их способности действовать в качестве транспортеров. [13] Они также влияют на функцию белка. Например, они являются важными компонентами липопротеинов (растворимых белков, которые транспортируют жир в крови), следовательно, влияют на их метаболизм и функцию. [6]
Глицерофосфолипиды также могут действовать как эмульгирующий агент , способствуя диспергированию одного вещества в другое. Иногда его используют при изготовлении конфет и мороженого.
Нейральные мембраны содержат несколько классов глицерофосфолипидов, которые обмениваются с разной скоростью в зависимости от их структуры и локализации в разных клетках и мембранах. Есть 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 за счет специфических изменений в их составе. [13] Глицерофосфолипидный состав нервных мембран значительно изменяет их функциональную эффективность. Длина ацильной цепи глицерофосфолипида и степень насыщения являются важными детерминантами многих характеристик мембраны, включая образование боковых доменов, богатых 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 диацилглицерин. Таким образом, фосфолипиды нервной мембраны являются резервуаром вторичных мессенджеров. Они также участвуют в апоптозе , модуляции активности транспортеров и мембраносвязанных ферментов. Сообщалось, что при неврологических расстройствах наблюдаются заметные изменения в составе глицерофосфолипидов нервной мембраны. Эти изменения приводят к изменениям текучести и проницаемости мембран. Эти процессы наряду с накоплением перекисей липидов и нарушением энергетического обмена могут быть ответственны за нейродегенерацию, наблюдаемую при неврологических расстройствах. [14]
Метаболизм глицерофосфолипидов различен у эукариот, опухолевых клеток [15] и прокариот. Синтез у прокариот включает синтез глицерофосфолипидов, фосфатидной кислоты и полярных головных групп. Синтез фосфатидной кислоты у эукариот различен: существует два пути, один к другому, к фосфатидилхолину и фосфатидилэтаноламину. Глицерофосфолипиды обычно метаболизируются в несколько этапов с участием различных промежуточных продуктов. Самый первый шаг в этом метаболизме включает добавление или перенос цепей жирных кислот к глицериновому остову с образованием первого промежуточного продукта, лизофосфатидной кислоты (LPA). LPA затем ацилируется с образованием следующей промежуточной фосфатидной кислоты (PA). ПА может дефосфорилироваться, что приводит к образованию диацилглицерина, который необходим для синтеза фосфатидилхолина (ФХ). [6] ПК 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 основной цепи глицерина. По этому пути Кеннеди холин превращается в CDP-холин, который управляет переносом полярных головных групп для завершения формирования PC. Затем ФХ можно превратить в другие виды глицерофосфолипидов, такие как фосфатидилсерин (ПС) и фосфатидилэтаноламин (ПЭ). [6]