Основы биохимии. Лекция 5 Липиды Углеводы

Липиды Липиды – производные высших жирных кислот, спиртов и альдегидов. В состав молекул липидов входят гидрофобные и гидрофильные компоненты. По химическому строению липиды очень разнообразны. Физические свойства липидов – нерастворимые в воде маслянистые вещества, из клеток липиды экстрагируют неполярными растворителями (эфир, хлороформ).

Липиды. Гидрофобные компоненты. 1. Высшие жирные кислоты RCOOH, длина цепи C 4 – C Высшие жирные спирты RCH 2 OH 3. Высшие альдегиды RCOH

Липиды. Гидрофобные компоненты. Высшие жирные кислоты (ж.к.) RCOOH длина цепи C 4 – C 24 природные ж.к. содержат четное число атомов С (чаще всего 16 или 18) насыщенные и ненасыщенные ж.к. в ненасыщенных ж.к. двойная связь несопряженная -СН=СН-СН 2 -СН=СН- в ненасыщенных ж.к. двойная связь имеет цис-конфигурацию

Липиды. Гидрофобные компоненты. Самые распространенные природные высшие ж. к.

Липиды. Гидрофобные компоненты. Высшие жирные кислоты (ж.к.) RCOOH двойные связи в цис-конфигурации приводят к сильному изгибу цепей ж.к.

Липиды. Гидрофильные компоненты. Спирты-полиолы, глицерин, диолы, аминодиолы Углеводы Аминоспирты Аминокислоты Н 3 РО 4, Н 2 SО 4, НРО 3 Липиды – производные высших жирных кислот, спиртов и альдегидов.

Химическая классификация липидов Нейтральные липиды Полярные липиды 1)Глицеролипиды 1) Фосфолипиды 2)Диольные липиды 2) Сфинголипиды 3)Воска 3) Гликолипиды 4)Эфиры холестерина 4) Сульфолипиды 5) Фосфонолипиды

Нейтральные липиды Триацилглицерины – сложные эфиры глицерина и 3-х молекул высших жирных кислот. Другие названия – жиры, нейтральные жиры. Неполярные, гидрофобные вещества, не растворяются в воде.

Нейтральные липиды Триацилглицерины Простые ( 3 одинаковые ж.к. ) Смешанные ( разные ж.к.) Природные жиры (растительные и животные) представляют собой смесь триацилглицеринов. Триацилглицерины гидролизуются: в организме - ферментами липазами химически - кислотой или щелочью – омыление, мыло – Na и К соли в.ж.к.

Нейтральные липиды Биологическая функция - запасание энергии в клетках. Основные компоненты жировых депо растительных и животных клеток. Теплоизоляция организма (тюлени, моржи) В мембранах клеток обычно не содержатся. (а) Адипоциты животной клетки (b) Жировые капли растительной клетки

Нейтральные липиды Диольные липиды CН2-OR (CH2)n R, R ' – ацил, алкил, алкенил CH2-OR' n = 3,4 Содержатся в семенах растений, жире млекопитающих (морские организмы), дрожжах.

Нейтральные липиды Воска – сложные эфиры длинноцепочечных ж.к. (С 14 - С 36 ) и жирных спиртов (С 16 – С 22 ). Биологические функции: Защитное покрытие (листья растений) Смазка (водоплавающие птицы) Защитная ( смягчает кожу) Высококалорийное клеточное топливо (планктон – пища для крупных морских организмов) Пчелиный воск

Нейтральные липиды Стеролы Эфиры холестерина (животные клетки) Биологические функции холестерина: Регулирует вязкость биомембран клетки (30% от всех липидов цитоплазматической мембраны) Предшественник стероидных гормонов Предшественник желчных кислот и Vit D 3 Другие функции

Полярные липиды Полярные липиды – амфифильные молекулы: длинные гидрофобные хвосты гидрофильная полярная головка

Полярные липиды Глицерофосфолипиды – основные компоненты биологических мембран клеток. Полярная головка Глицерин Гидрофобные цепи

Глицерофосфолипиды

Полярные липиды Сфингофосфолипиды Сфингозин Полярная головка Жирная кислота

Полярные липиды Гликоглицеролипиды Моногалактозил- диглицерид (МГДГ) Дигалактозил- диглицерид (ДГДГ)

Полярные липиды Полярные липиды археобактерий имеют необычное строение: Глицерин Фосфат Дифитанильные группы Углевод Глицерин

Функции полярных липидов Полярные липиды – основные липидные компоненты биологических мембран клеток. Липидный бислой Глицерофосфолипид

Структурообразование липидов Мицеллы – простейшие агрегаты липидов в воде. Липиды – амфифильные молекулы. Движущая сила образования липидных агрегатов в воде – гидрофобные взаимодействия.

Гидрофобные взаимодействия – движущая сила образования липидных агрегатов в водной среде Дисперсия липидов в воде нарушает структуру воды Образование липидных кластеров – уменьшение площади контакта с молекулами воды Мицеллы – упорядоченные липидные агрегаты. С водой контактируют лишь полярные участки липидов.

Структурообразование липидов Мицелла Липосома Фосфолипидный бислой

Липидный бислой – структурная основа биологических мембран клетки Мембранные липиды формируют плоский бимолекулярный липидный слой (бислой) ККМ липида 10 М H2OH2O Гидрофильная область Гидрофобная область H2OH2O 4-5 нМ -10

Структура биологических мембран клеток Структурная основа - липидный бислой в жидкокристаллическом состоянии при Т > Тф.п. Функциональная активность - мембранные белки, способные передвигаться по мембране Итак, биомембрана представляется как море жидких липидов, в котором плавают айсберги белков.

Структура биологических мембран клеток Жидкостно-мозаичная модель строения биомембраны (Сингер и Николсон, 1972 г.) Липидный бислой Углевод Интегральный белок Периферический белок Цитоскелет

Жидкостно-мозаичная модель строения биомембраны

Функции мембранных белков 1.Белки-ферменты 2. Транспортные белки (ионные каналы, белки-порины) 3.Белки, участвующие в передаче сигналов (рецепторные белки, белки эффекторного устройства, фермент инактивации медиатора) 4. Структурные белки придают клетке и органеллам определенную форму; придают мембране определенные механические свойства; обеспечивают связь мембраны с цитоскелетом. 5. Белки, обеспечивающие непосредственное межклеточное взаимодействие (адгезивные белки, белки межклеточных контактов)

Основные функции биомембран 1. Защитная функция; 2. Избирательный транспорт молекул и ионов; 3. Передача информации; 4. Преобразование энергии, ферментативная деятельность мембран,; 5. Процессы молекулярного узнавания; 6. Другие специальные функции

Избирательный транспорт через мембрану Малые молекулы - простая диффузия - облегченная диффузия - активный транспорт Крупные молекулы (белки, НК) - эндоцитоз и экзоцитоз Белок- переносчик Транспортируемая молекула Белковый канал Энергия Простая диффузия Облегченная диффузия Пассивный транспорт Активный транспорт Электрохимический градиент Липидный бислой Структура биологических мембран клеток

Процессы молекулярного узнавания - на мембранах клеток располагаются рецепторы гормонов, молекулы иммунной системы Белковый канал Трансмембранный участок α-спирали Олигосахарид СОО Центр для сигнальных молекул

Передача информации посредством гормонов, медиаторов, нервного импульса Гормон Рецептор GDP α β γ Аденилат циклаза GTP α + Регуляторный G-белок ATP P P cAMP Центры связывания для cAMP RR β γ CC Неактивная протеинкиназа R - Регуляторная субъединица C - Каталитическая субъединица 4 RR C 2 Белок ATP Активная протеинкиназа ADP P Клеточный эффект

Механизм передачи информации через мембрану при помощи гормонов Гормон (первичный посредник) связывается с рецептором на внешней стороне мембраны Рецептор изменяет конформацию G-белок диссоциирует на субъединицы α и βγ α - Субъединица G-белка связывается с ферментом аденилатциклазой Аденилатциклаза включает синтез сАМР (вторичный посредник в клетке)

Липосомы – искусственные мембраны Липосомы – замкнутые липидные бислойные структуры, имеющие водное содержимое.

Использование липосом 1. Модельные системы (включение белков и др.). 2. Средства доставки БАС (ДНК, олигонуклеотиды, белки, пептиды, антибиотики, цитостатики и т.д.) молекулярная биология медицина и фармакология биотехнология 3. Другие области использования пищевая отрасль экология косметология и т.д.

Липосомы - средства доставки БАС Липосомы как средства микрокапсулирования БАС должны удовлетворять следующим требованиям: биологическая совместимость с системами организма; биодеградируемость, отсутствие кумулятивной токсичности; защита реактивного лекарственного вещества в процессе хранения лекарственной формы и во время транспорта в биологических жидкостях организма; защита окружающих тканей организма от цитотоксического действия лекарственного вещества, в том числе предупреждение местно тканевых реакций при введении; способность эффективно и контролируемо высвобождать лекарственное вещество за счет заданной проницаемости микро контейнера; возможность направленной доставки лекарственного вещества в органы, ткани и отдельные клетки; доступность составляющих материалов и простота получения.

Углеводы Углеводы - это полигидроксиальдегиды или полигидроксикетоны, имеющие эмпирическую формулу (СН 2 О) n, n 3, С : H : O = 1 : 2 : 1. С 6 (Н 2 О) 6 – D-глюкоза 3 основных класса углеводов: 1. Моносахариды 2. Олигосахариды 3. Полисахариды Образование гликозидной связи

Углеводы. Моносахариды или простые сахара содержат только 1 структурную единицу полигидроксиальдегида (альдозы) или полигидроксикетона (кетозы). (СН 2 О) n, n 3. Физические свойства: бесцветные, кристаллические в-ва, легко растворяются в воде, не растворяются в неполярных растворителях, имеют сладкий вкус.

Моносахариды Гексозы D-глюкофураноза D-глюкоза D-глюкопираноза D-маннозаD-галактоза

Олигосахариды Олигосахариды (олиго – немного) состоят из коротких цепей, образованных ковалентно связанными моносахаридными звеньями. Наиболее часто встречаются дисахариды (сахароза). Глюкоза Фруктоза Сахароза Лактоза Глюкоза Галактоза

Полисахариды Полисахариды - состоят из длинных цепей, образованных ковалентно связанными моносахаридами. Гомополисахариды (построены из остатков 1 типа мс) Гетерополисахариды (построены из остатков 2 или большего числа типов мс) Биологические функции пс – структурная и резервное топливо. Самые важные полисахариды: Целлюлоза (растения) Крахмал (растения) Гликоген (животные) Хитин (насекомые)

Полисахариды Крахмал – это резервный полисахарид растений. Состоит из 2-х компонентов: α – амилоза (полимер D-глюкозы, гликозидные связи α (14) α – амилопектин (полимер D-глюкозы со связями α (14) в основной цепи, цепи ответвлений присоединены к основной цепи гликозидными связями α (16). α–амилоза α–амилопектин

Крахмал α–амилоза α (14) α–амилопектин α (14) и α (16) Цепочка α–амилозы образует стабильную левую спираль (6 Glc на 1 виток), α–амилопектин имеет структуру типа куста. Вместе они образуют сложную сеть, компактная структура в клетках (гранулы). Гидролизуются в организме ферментами: α–амилазой ( связи α (14) ) глюкозидазой ( связи α (16))

Целлюлоза Целлюлоза состоит из полимерных цепочек молекул D-глюкозы (до 1000 звеньев), соединенных между собой β (14) гликозидными связями. Эти вытянутые цепочки соединяются водородными связями, образуя прочные, не растворимые в воде волокна. Связи β (14) расщепляются ферментом целлюлазой (микроорганизмы, простейшие, грибы) Древесный гриб Структура целлюлозы

Хитин Хитин – структурный полисахарид, основной компонент покровов тела насекомых. Хитин построен из цепей, содержащих N-ацетил-D-глюкозамин (связи β (14) ). Цепи формируют слоистую структуру, подобную целлюлозе, но межцепочечные связи более прочные. Полисахаридные цепи перемежаются слоями белка и образуется очень твердая оболочка. Элемент цепочки хитина

Биологические функции углеводов Источники энергии и атомов С для клеток (Фотосинтез СО 2 + Н 2 О (СН 2 О)n ) Структурные и опорные элементы клеток растений, животных и микроорганизмов (целлюлоза, хитин, пептидогликаны). Компоненты соединительной ткани (протеогликаны хрящей, сухожилий, кожи, синовиальной жидкости). Определяют биологическую специфичность поверхности животных клеток (мембранные гликопротеины)

Пептидогликаны клеточной стенки бактерий

Мембранные гликопротеины Белки - мембранные гликопротеины содержат олигосахаридные цепи. Определяют биологическую специфичность поверхности животных клеток, отвечают за процессы межмолекулярного узнавания. Фрагмент цитоплазматической мембраны Мембранный гликопротеин

Процессы межмолекулярного узнавания