§ 21. Фосфолипиды клеточных мембран

Определения и обозначения

Фосфолипид — сложный липид, содержащий остаток фосфорной кислоты и объединяющий гидрофильную и гидрофобную части. Гидрофильная часть взаимодействует с водой, а гидрофобная избегает её. Поэтому фосфолипиды способны строить клеточные мембраны.

Глицерофосфолипид — фосфолипид, основу которого составляет глицерин, связанный с двумя остатками жирных кислот и фосфатной группой. К фосфату обычно присоединено ещё одно полярное органическое соединение. Такое строение помогает понять, откуда в молекуле берутся головка и два хвоста.

Амфифильность — наличие в одной молекуле гидрофильного участка, взаимодействующего с водой, и гидрофобного участка, избегающего воды. Это не означает, что молекула наполовину растворяется, а наполовину не растворяется. Амфифильность объясняет самоорганизацию фосфолипидов в водной среде.

Фосфолипидный бислой — двойной слой фосфолипидов, в котором гидрофильные головки обращены к воде, а гидрофобные хвосты находятся внутри. Такой слой образует границу между водными средами. Он является основной структурой клеточной мембраны.

Как это устроено

Молекула глицерофосфолипида формируется вокруг трёхатомного спирта глицерина. Две его гидроксильные группы образуют сложноэфирные связи с остатками высших карбоновых кислот, а третья связывается с фосфатной группой. К фосфату присоединяется азотсодержащее или другое органическое соединение, поэтому у молекулы появляется крупная полярная головка.

Фосфатная группа имеет полярные связи и часто несёт электрический заряд, поэтому хорошо взаимодействует с молекулами воды. Полярный заместитель усиливает гидрофильность этой области и определяет её химические свойства. Углеводородные цепи жирных кислот состоят главным образом из связей C–C и C–H, поэтому почти не притягиваются к воде и образуют гидрофобные хвосты.

В водной среде фосфолипиды не распределяются беспорядочно, потому что такое расположение оставляло бы гидрофобные хвосты в контакте с водой. Система становится устойчивее, когда головки окружаются водой, а хвосты собираются вместе и прячутся от неё. У молекул с двумя хвостами это приводит к формированию двойного слоя, или бислоя.

Длина цепей влияет на площадь контакта между соседними молекулами и силу их притяжения. Длинные цепи обычно сильнее взаимодействуют друг с другом и делают слой плотнее, тогда как короткие цепи облегчают движение фосфолипидов. Насыщенные цепи прямые и укладываются компактно, а ненасыщенные двойные связи создают изгибы и мешают плотной упаковке.

При большем количестве ненасыщенных цепей мембрана обычно становится более текучей при одной и той же температуре. Между искривлёнными хвостами остаётся больше свободного пространства, поэтому некоторым небольшим молекулам легче проходить через бислой. Однако проницаемость зависит не только от ненасыщенности, но и от размера, полярности вещества и наличия мембранных белков.

Строение и свойства фосфолипидов клеточных мембран

Таблица помогает читать строение молекулы слева направо: сначала определяется её фрагмент, затем его состав и функция. Если нужно объяснить свойство мембраны, следует связать конкретную часть фосфолипида с её положением в бислое. Например, двойные связи ищут в хвостах, а контакт с водой связывают с головкой.

Такой способ анализа позволяет не заучивать мембрану как готовую схему. Её свойства выводятся из химического строения фосфолипидов и их поведения в воде. Поэтому изменение состава хвостов может менять состояние всей мембраны.

Разбор задач

Задача 1

Условие. По структурной формуле фосфолипида нужно указать гидрофильную головку и гидрофобные хвосты. Затем объяснить, почему вещество относится к амфифильным соединениям.

1. Найдите фосфатную группу и присоединённый к ней полярный заместитель: вместе они образуют головку.
2. Определите два длинных фрагмента, содержащих углеводородные цепи остатков жирных кислот: это хвосты.
3. Сделайте вывод: одна часть контактирует с водой, а другая избегает её, поэтому молекула амфифильна.

Ответ. Гидрофильная головка включает фосфатную группу и полярный заместитель. Два углеводородных фрагмента жирных кислот являются гидрофобными хвостами. Сочетание этих частей и определяет амфифильность фосфолипида.

Задача 2

Условие. Глицерофосфолипид содержит остатки пальмитиновой и олеиновой кислот. Требуется изобразить схему строения и определить фрагменты, образующиеся при гидролизе эфирных связей.

1. Запишите основу: глицерин, к которому присоединены остаток пальмитиновой кислоты и остаток олеиновой кислоты.
2. К третьему фрагменту глицерина присоедините фосфатную группу и полярный заместитель: это головка молекулы.
3. При гидролизе эфирных связей восстановятся глицерин, пальмитиновая кислота и олеиновая кислота; фосфатная часть останется в составе отдельного полярного продукта.

Ответ. Схему можно представить так: глицерин — два остатка жирных кислот — фосфатная группа — полярный заместитель, причём кислоты присоединены к двум гидроксильным группам глицерина. Основные продукты расщепления эфирных связей — глицерин и остатки соответствующих жирных кислот в виде пальмитиновой и олеиновой кислот. Фосфатсодержащий фрагмент образует отдельное соединение или сохраняется в полярной части продукта.

Задача 3

Условие. Сравниваются две мембраны при одинаковой температуре. В первой преобладают фосфолипиды с насыщенными цепями, во второй — с ненасыщенными.

1. Сравните форму цепей: насыщенные обычно прямые, а ненасыщенные имеют изгибы из-за двойных связей.
2. Определите плотность упаковки: прямые цепи укладываются теснее, а искривлённые оставляют промежутки.
3. Свяжите упаковку со свойствами: менее плотный слой легче перемещается и обычно пропускает небольшие молекулы лучше.

Ответ. Более текучей и обычно более проницаемой будет вторая мембрана, содержащая больше ненасыщенных цепей. Двойные связи мешают хвостам плотно сближаться. Вывод относится к одинаковой температуре и не отменяет влияния белков, длины цепей и природы проходящего вещества.

Типичные ошибки

Нельзя называть фосфолипид полностью гидрофильным или полностью гидрофобным. Так ошибаются, когда рассматривают только одну часть молекулы, поэтому нужно отдельно найти головку и хвосты.

Неверно считать, что гидрофобные хвосты обращены наружу бислоя. В воде они соприкасаются друг с другом внутри мембраны, а проверить себя можно по правилу: наружу должны быть обращены головки.

Фосфолипид не равен триацилглицерину, или жиру. У жира три остатка жирных кислот, а у фосфолипида один фрагмент заменён фосфатсодержащей полярной группой; достаточно пересчитать заместители у глицерина.

Ненасыщенная цепь не делает мембрану автоматически непроницаемой. Двойная связь прежде всего нарушает плотную упаковку и повышает текучесть, а проницаемость дополнительно зависит от свойств вещества и мембранных белков.

Связь с другими темами

До изучения фосфолипидов нужны представления о глицерине, высших карбоновых кислотах, сложных эфирах, фосфорной кислоте и полярных связях. В биологии эта тема связана со строением клеточной мембраны, транспортом веществ и работой мембранных белков. Дальше знания пригодятся при изучении гидролиза липидов, свойств биомолекул и зависимости текучести мембран от состава липидов.

Что запомнить

• Фосфолипид содержит полярную фосфатную головку и неполярные углеводородные хвосты.
• Глицерофосфолипид обычно включает глицерин, два остатка жирных кислот, фосфатную группу и полярный заместитель.
• Фосфолипиды амфифильны.
• В воде фосфолипиды самопроизвольно образуют бислой.
• Гидрофильные головки обращены к воде, а гидрофобные хвосты — внутрь бислоя.
• Ненасыщенные углеводородные цепи затрудняют плотную упаковку и повышают текучесть мембраны.