ЛИПИДОЛОГИЯ (Липиды биологических мембран Биоэффекторные липиды) Курс лекций 2016 г

1
ЛИПИДОЛОГИЯ
(Липиды биологических мембран
Биоэффекторные липиды)
Курс лекций 2016 г.
г
Профессор Владимир Виленович Безуглов
Руководитель
у
д
лаборатории
р
р оксилипинов
ИБХ РАН
ЛЕКЦИЯ 3
ЛЕКЦИЯ 3
ЛИПИДЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ
МЕМБРАН
 Биологические мембраны: функции и компоненты
 Мембранные белки
 Углеводы в мембранах
 Основные типы мембранных липидов
 Фосфолипиды
 Ремоделинг жирных кислот
 Сфингомиелин
 Холестерин
2
3
БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
Биологические мембраны
Б
б
– сложные органеллы
клетки, представляющие собой динамический
супрамолекулярный комплекс липидов
липидов, белков и
углеводов, которые обеспечивают селективную
проницаемость молекул и способны
распознавать и передавать информацию.
4
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ
БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
 Организуют пространство
пространство, создают
компартменты, разделяют среды.
 Обеспечивают индивидуальность и
,Обеспечивают
взаимодействие со средой.
 Поддерживают целостность и
функциональность.
 Принимают и перерабатывают
информацию.
5
6
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
ЛИПИДЫ
 Образуют каркас мембран.
 Организуют
О
места для размещения
мембранных белков.
 Хранят
Х
энергию.
 Служат источником сигнальных
липидов.
 Принимают и переносят информацию.
7
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
БЕЛКИ






Транспорт молекул.
Р
Рецепция
и передача сигнала.
Ферментативная активность.
М
Межклеточное
узнавание.
Межклеточные контакты.
С
Связь
с межклеточным матриксом.
8
ФУНКЦИИ МЕМБРАННЫХ
БЕЛКОВ
 Структурные белки соединены с микрофиламентами
цитосклета, что обеспечивает
б
стабильность
б
клетки.
 Белки адгезии позволяют клеткам узнавать друг друга
и взаимодействовать (иммунные клетки)
клетки).
 Мембранные ферменты обеспечивают сигнализацию и
биохимию клетки.
 Мембранные рецепторы позволяют клетке
взаимодействовать со средой (внутри и вне клетки) и
удаленными клетками многоклеточного организма.
Транспортные белки обеспечивают перенос ионов и
молекул через мембрану
мембрану. Две основные формы: каналы
и переносчики.
9
МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ
 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
Пронизывают
р
бислой
 ЗАЯКОРЕННЫЕ
Ковалентно связаны с одной или
несколькими липидными молекулами
(жирные кислоты,
кислоты фосфатидилинозит)
 ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ
Ассоциированы с внешней или внутренней
стороной бислоя
10
МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МЕМБРАННЫЕ
БЕЛКИ
polytopic
трансмембранные
Аннулярные
липиды
monotopic
11
12
ЗАЯКОРЕННЫЕ БЕЛКИ
GPI anchored proteins
Diacylglycerol -phosphate-inositolphosphate inositol
l- GlcNAc-(Mannose)-3 -phosphate-ethanolamineprotein
13
ТИПЫ ЛИПИДНОЙ
МОДИФИКАЦИИ БЕЛКОВ
 Присоединение холестерина по C-концевой
карбоксильной
р
группе
ру
глицина,
ц
, автокаталитически
(cholesteroylation)
 Пренилирование, присоединение фарнезил- или
геранилгеранил изопреноидов по одному или двум
концевым остаткам цистеина с образованием
тиоэфирной связи
связи, пренилтрансферазы (prenylation)
 Присоединение гликозилфосфоинозитидного якоря по
С-концу
цу белка,, трансамидаза
р
д
((Glypiation)
yp
)
 Ацилирование жирными кислотами по SH-группам
(пальмитоилирование, обратимое) или NH2-группам
(
(концевой
й глицин, интернальный
й лизин))
миристоилирование, необратимое (fatty acylation)
14
Co- and post-translational attachment of myristate to proteins. Myristoylation
involves the covalent addition of the saturated 14
14-carbon
carbon fatty acid myristate to the
N-terminal glycine residues of (A) a nascent polypeptide following removal of the
initiator Met (co-translational myristoylation) or (B) a cryptic myristoylation site
following exposure by caspase cleavage (post-translational myristoylation).
D.D.O. M
Martin et al. / Biochimie 93
3 (2011) 18e31
ДВА ТИПА
МИРИСТОИЛИРОВАНИЯ
15
СООТНОШЕНИЕ МЕМБРАННЫХ
БЕЛКОВ И ЛИПИДОВ
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
УГЛЕВОДЫ
 Узнавание и индивидуализация.
индивидуализация
 Образуют гликокаликс.
Барьерная функция
функция.
 Рецепторы.
 Иммунный ответ
ответ.
 Входят в состав липидов
(гликолипиды) и белков
(гликопротеины).
Гликокаликс сосудов крови
16
17
ЛИПИДЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ
МЕМБРАН
МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ
Д
Глицерофосфолипиды
1.
2.
3
3.
4.
5.
Фосфатидилхолин (лецитин)
Фосфатидилэтаноламин
Фосфатидилсерин
Фосфатидилинозит
Кардиолипин,
рд
,ф
фосфатидилглицерин
ф
д
ц р
Сфингофосфолипиды
1. Сфингомиелин
ф
2. Ганглиозиды
Холестерин
р
18
ГЛИЦЕРОФОСФОЛИПИДЫ
sn1
sn2
sn3
Жирные кислоты – 2
Глицерин – 1
Фосфа – 1
Фосфат
(Функционализированный спирт – 1)
19
КЛАССИФИКАЦИЯ
по структуре
заместителей в sn1 sn2
положениях
Диацилглицерофосфолипиды
(sn1 – ацил, sn2 – ацил)
Алкенил-ацилглицерофосфолипиды
( 1 – алкенил, sn2
(sn1
2 – ацил))
плазмалогены
Алкил ацил глицерофосфолипиды
Алкил-ацил-глицерофосфолипиды
(sn1 – алкил, sn2 – ацил)
по структуре
заместителей в sn3
положении
Анионные
Фосфатидовая кислота
Фосфатидилглицерин
ф
д
ц р
Кардиолипин
Фосфатилинозит
Фосфатидилэтанол
Фосфатидилсерин
Цвиттерионные
Фосфатидилхолин
ф
д
Фосфатидилэтаноламин
20
ГЛИЦЕРОФОСФОЛИПИДЫ –
УНИКАЛЬНОЕ СЕМЕЙСТВО
ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ
•Глицерофосфолипиды – гетерогенное сообщество различных
молекулярных видов, представленных множественными комбинациями
заместителей в sn-1
sn 1 и sn-2
sn 2 положениях.
положениях
•В одной клетке можно идентифицировать около 400 различных
структур глицерофосфолипидов.
ф ф
•Синтез фосфолипидного пула определённого состава, по- видимому,
происходит в отдельном компартменте в зависимости от состава
жирных кислот и строения полярной головки.
•Каждый молекулярный вид вносит свой вклад в свойства мембраны.
•Множественность
Множественность видов есть показатель уникальных функциональных
возможностей глицерофосфолипидов.
21
БИОСИНТЕЗ
ГЛИЦЕРОФОСФОЛИПИДОВ В МОЗГЕ
ethanolamine kinase
(cytosol)
cytidylyltransferase
(cytosol and
membrane fractions)
Choline or ethanolamine
phosphotransferase
(integral membrane
protein ER)
protein,
PtdEtn methyltransferase
glia, myelin (ER, mito)
Phosphatidylserine
synthase (ER, Ca 2+)
Фосфатидил – остаток
фосфатидовой кислоты
22
ФОСФАТИДИЛХОЛИН – PC
(ЛЕЦИТИН)
Основной компонент мембран животных и
растительных клеток (особенно наружного слоя)
В плазме – в составе разнообразных липопротеинов
((наиболее
а более бо
богаты
а HDL))
DPC, POPC, DOPC
23
24
25
ФОСФАТИДИЛИХОЛИН
 Молекулы фосфатилихолина имеют
цилиндрическую форму и способны спонтанно
образовывать бислойные структуры.
структуры
 Фосфатилихолин не может образовывать
участки кривизны в мембране.
 Ненасыщенные кислоты обеспечивают
жидкостность мембраны, насыщенные
способствуют переходу в жидкокристаллическое
состояние. DPC – главный
й компонент
сурфактанта лёгких.
 Играет важную роль в генерации сигнальных
молекул.
26
ФОСФАТИДИЛЭТАНОЛАМИН – PE
Второй по распространённости фосфолипид.
Его содержание может достигать 20% от всех
фосфолипидов печени, или 45% в мозге. В
митохондриях содержится больше PE чем в
других органеллах.
органеллах
27
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИРНЫХ
КИСЛОТ В PE
28
ОСНОВНЫЕ ПУТИ БИОСИНТЕЗА
ФОСФАТИДИЛЭТАНОЛАМИНА
CDP-этаноламин:
моно- и ди-ненасыщенные кислоты в sn-2
положении
Декарбоксилирование фосфатидилсерина:
полиненасыщенные кислоты в sn-2
sn 2 положении
29
ФОСФАТИДИЛЭТАНОЛАМИН
 Молекула имеет коническую форму
 Не образует бислойные структуры, а
– инвертированные гексагональные
 Главным образом, находится на
внутренней стороне мембраны
 Способствует образованию кривизны
 Стабилизирует мембранные белки в
оптимальной конформации
30
ФОСФАТИДИЛСЕРИН – PS
Анионный липид.
липид Содержит три заряженные группы:
две отрицательные и одну положительную.
31
БИОСИНТЕЗ
ФОСФАТИДИЛСЕРИНА
Необходим кальций
PS synthase II специфична к DHA-PE
32
ФАСФАТИДИЛСЕРИН
 Находится исключительно на
внутренней части бислоя
 Кофактор для ряда белков
 Сигнальный липид
33
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ В
ФОСФАТИДИЛСЕРИНЕ
34
РЕМОДЕЛИНГ ЛИПИДОВ
LANDS MECHANISM
35
КАК ИЗМЕНИТЬ
ЖИРНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ
ФОСФОЛИПИДОВ
 Избирательный
р
синтез с
преимущественным включением
определенных молекулярных видов
 Ремоделинг – замена жирных кислот в
уже синтезированных липидах
36
АЛФАВИТ ФОСФОЛИПАЗ (PL)
ацилгидролазы
A2
R
D
LysoPLD
B
O
A1
R1
O
O
O O
O P
O
X
LysoPL
y
O
фосфоэстеразы
C
37
O
R1
O
O
O O +
NMe3
O P
O
R1
O
AA
O
O
iPLA2
R1
O
O
O O+
NMe3
O P
O
арахидонил-СоА:
лизофосфолипид
ацилтрансфераза
O
R1
O
HO
O O +
NMe3
O P
O
AA--SCoA
AA
арахидонил-СоА
синтаза
AA
38
ФОСФАТИДИЛИНОЗИТ – PI
39
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ В
ФОСФАТИДИЛИНОЗИТЕ
БИОСИНТЕЗ PI
CDP-DAG + Ins = PI
Ins
CDP-DAG
PI
40
41
ФОСФАТИДИЛИНОЗИТ
 Кислый фосфолипид, находится во всех
мембранах
б
всех клеток. В мозге до 10% всех
фосфолипидов.
 Почти 80% молекулярных видов представлены
1-стеароил-2-арахидоноил- вариантом.
 Сигнальный липид и предшественник
р
сигнальных липидов.
 Взаимодействует с белками через
специальный
й домен (PH).
(PH)
 Якорь для ряда белков, присоединённых к
мембране.
мембране
КАРДИОЛИПИН
Жирные кислоты – 4
(линолевая линоленовая,
(линолевая,
линоленовая
олеиновая)
Глицерин
р –3
Фосфат – 2
Фосфатидил – остаток
фосфатидовой кислоты
Дифосфатидилглицерин
Находится исключительно в бактериальных и митохондриальных
мембранах (митохондриальный ллипидный маркер)
42
КАРДИОЛИПИН
M. Schlame et al. / Progress in Lipid Research 39 (2000) 257-288
T.H. Haines, FEBS Letters 38 528 (2002) 35-39
43
КАРДИОЛИПИН
Cardiolipin-dependent proteins in mitochondria
Inner mitochondrial membrane
ADP-ATP carrier
Phosphate
p
carrier
Pyruvate carrier
Carnitine carrier
Complex I
Complex III
Cytochrome oxidase (Complex IV)
ATP synthase (Complex V)
Cytochrome P450SCC
Cardiolipin synthase
Intermembrane mitochondrial space
Cytochrome c
Creatine kinase
44
БИОСИНТЕЗ КАРДИОЛИПИНА
45
Gro - глицерин
Bovine heart
4x18:2
48%
18:3 3x18:2 21%
18:1 3x18:2 15%
Ptd – фосфатидил (1,2диацилглицеринфосфат)
д
ц
ц р ф ф )
PtdOH – фосфатидовая
кислота
Фосфатидовая
кислота
an essential component
p
of
lung pulmonary surfactant
remodeling
46
РЕМОДЕЛИНГ БЕЗ УЧАСТИЯ
COA ЭФИРОВ
COA-ЭФИРОВ
Тафаццин
– белок
б
переносчик
линолевой
кислоты
с линолевой
кислотой
47
КАРДИОЛИПИН
 Важный компонент митохондриальной мембраны,
располагается преимущественно на внутренней
стороне
 Может образовывать мищеллярную, ламелярную и
гексагональную фазы в водных растворах
 Содержит, преимущественно, линолевую кислоту и,
в меньшей степени, другие
ру
C18 кислоты
 Участвует в энергетическом метаболизме
 Вовлечен в процессы апоптоза, связываясь с
сигналами смерти (цитохром
(
c))
 Играет важную роль в транслокации холестерина
через мембрану митохондрий и в стимуляции
стероидогенеза
СФИНГОМИЕЛИН
ганглиозиды
48
49
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ В
СФИНГОМИЕЛИНЕ
50
СФИНГОМИЕЛИН
 Важный компонент мембран
 Наряду с холестерином образует особые
микродомены – рафты
 В наибольшей концентрации содержится в
плазматической мембране, во внешнем слое
 Содержит насыщенные кислоты
51
ХОЛЕСТЕРИН
В чистом виде выделил Шеврель (1815)
С
Структуру
установил Виланд
В
(Wi l d)
(Wieland),
нобелевская премия по химии (1927).
БИОСИНТЕЗ ХОЛЕСТЕРИНА
52
53
ХОЛЕСТЕРИН
 Важный компонент клеточных мембран
 При повышенной температуре увеличивает
вязкость липидного бислоя, при пониженной –
жидкостность
 Вместе со сфингомиелином образует
микродомены – рафты
 Предшественник
П
желчных кислот, витамина D,
D
стероидных гормонов
 Играет важную роль в передаче сигнала
сигнала, в
развитии и функционирование мозга
 Переносит ненасыщенные жирные кислоты в
виде эфиров
54
МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ
 Обеспечивают каркас и структуру мембран
 Благодаря разнообразию структур создают
индивидуальные мембраны с динамически
изменяемыми свойствами
 Обеспечивают правильное
р
расположение
р
мембранных белков и их функционирование
 Выполняют функцию приемников и трансляторов
информации и вместе с белками и углеводами
образуют интерфейс клетки и органелл