Глава 14. Специфичные митохондриальные фосфолипиды, не образующие бислойные мембраны

Фосфатидилэтаноламины

В молекуле фосфатидилэтаноламина (ФЭ) фосфатная группа при С-3 соединена с этаноламином, образующим полярную «головку» этого ФЛ очень маленького размера. Учитывая, что при С-2 ЖК в ФЭ — это часто ПНЖК, то общая форма молекулы ФЭ сильно пирамидальная. Это главная причина, по которой ФЭ не может создавать бислойные мембраны. ФЭ в большинстве мембран животных и растений стоит на втором месте после ФХ по распространенности. ФЭ может составлять до 20% в мембранах клеток печени и 45% — в мозге. В животных тканях ФЭ имеет более высокое содержание ПНЖК АК (20:4 ω3) и ДГК (С22:6 ω6), чем ФХ.

На рис. 14.1 в sn-2 показана моно-НЖК, однако в этой позиции чаще, особенно в сердце и мозге, находятся С20:4 и С22:6 ПНЖК, которые очень сильно изогнуты, что придает всей молекуле ФЭ трапециевидную форму, вроде широкой женской юбки — кринолина, что очень «разжижает» мембрану и не позволяет построить ламинарную (пластинчатую) мембрану.

Рис. 14.1. Фосфатидилэтаноламин

Больше всего ФЭ присутствует в митохондриях, в сравнении с другими мембранами, особенно с наружным листком, или слоем, цитоплазматической мембраны. Отсутствие склонности ФЭ образовывать двухслойную мембрану является очень важной функцией для встраивания в мембрану белков и таких свойств мембраны, как слияние (fusion) и деление (fission) (van Meer, de Kroon, 2011).

Многие свойства ФЭ объясняются также свойствами этаноламина, образующего полярную «головку» этого ФЛ. Этаноламин, или 2-аминоэтанол (HOCH₂CH₂NH₂), обладает свойствами первичного амина и алкоголя, поэтому он легко образует эфирные связи с другими соединениями, в том числе с γ-кетоальдегидами. Поскольку в молекуле ФЭ азот этаноламина несет положительный заряд, а фосфат при глицероле — отрицательный, ФЭ является цвиттер-ионом и потому он нейтрален. В некоторых тканях, особенно склонным к воспалительным процессам, в нейронах и раковых клетках до 70% ФЭ имеют эфирные связи с липидами (Christie. Lipidlibrary.aocs.org). Этаноламин-содержащие эфиры липидов могут служить маркерами злокачественных опухолей (Smith et al., 2008). При изопростановом перекисном окислении ПНЖК появляются продукты, которые образуют конъюгаты с первичными аминами белков и ФЭ.

Митохондрии содержат бактериальный фермент фосфатидилсерин декарбоксилазу, которая образует фосфатидилэтаноламин митохондрий, примерно половину от общего ФЭ клетки (van Meer, de Kroon, 2011). Другая половина ФЭ образуется в эндоплазматическом ретикулуме путем присоединения ЦДФ-этаноламина (ЦДФ — цитозиндифосфат) к диацилглицеролу (Christie. Lipidlibrary.aocs.org), однако он не встраивается в мембраны митохондрий.

Кардиолипины

КЛ является единственным ФЛ, который встречается почти исключительно в ВММ животных и плазматической мембране бактерий, т.е. тех мембранах, в которых синтез АТФ осуществляется F₀F₁ АТФ-синтазой (Haines, 2009). В тилакоидах растений, однако, КЛ отсутствует. Его функции выполняет сульфолипид растений (Sulfoquinovosyl dipalmitoylglycerol) и в хлоропластах — другая АТФ-синтаза (CF₀CF₁) (Benson et al., 1959). Тесная связь между F₀F₁-АТФ-синтазой и КЛ доказывается тем, что если факультативные анаэробы (т.е. организмы, которые исходно могут жить в среде с О₂ и без него) поместить в полностью бескислородную среду, то через какое-то время у них вместе с F₀F₁ АТФ-синтазой исчезает и КЛ (Haines, 2009).

В митохондриях животных КЛ может составлять до 20% от общего содержания липидов. При этом 80% КЛ находится во внутреннем листке ВММ (Horvath, Daum, 2013). В митохондриях печени, которые имеют низкую дыхательную активность в сравнении с митохондриями мозга и сердца, КЛ распределен примерно одинаково между двумя сторонами ВММ.

В ходе работы над несколькими главами данной книги я столкнулся с множеством недавних фактов о важных функциях КЛ в митохондриях. Эти открытия оказались важными и интересными для многих аспектов функций митохондрий, поэтому я решил представить по возможности полное описание этого ФЛ. Структура и функции КЛ оказались настолько удивительными в своей простоте и способности выполнять разные функции, что возникает мысль о том, что по происхождению этот ФЛ нужно сравнивать с молекулярными «машинами». Это очень древние соединения, тем более, что КЛ и ФЭ были абсолютно необходимы для работы несократимо сложных молекулярных «машин» (таких, как АТФ-синтаза, трансмембранные переносчики типа АНТ) уже в самых ранних организмах. Надеюсь, что недавние открытия о КЛ будут интересны читателям и помогут им лучше понять многие аспекты физиологии и патофизиологии митохондрий.

Структура. Среди фосфолипидов КЛ имеет необычную димерную структуру из двух 1,2-диацилфосфатидатов, соединенных с 1- и 3- ОН-группами центрального глицеринового мостика. В целом молекула КЛ содержит четыре ЖК и 2 фосфатные группы.

Раннее представление о структуре КЛ, показанное на рис. 14.2, в течение многих десятилетий мало говорило о том, как КЛ работает, какими функциями наделен и как их исполняет. Только за последние 2 десятилетия многое стало понятно. Новые знания отразились и на графическом представлении структуры КЛ (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Кардиолипин. Структура кардиолипина, как она впервые была представлена LeCocq и Ballou (1964)

Рис. 14.2 показывает, что форма КЛ напоминает пирамиду с широким основанием, ведь размер головки КЛ — это длина молекулы глицерина в 3 С-атома, т.е. очень маленькая, в сравнении с огромной «юбкой-кринолином» из 4 ЖК. При этом 2 внутренние ЖК обычно содержат несколько двойных связей и сильно загнуты, что не показано на рисунке. По этой причине КЛ не может образовывать двухслойные мембраны (Sathappa, Alder, 2016). В этом отношении КЛ напоминает ФЭ.