авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 14 |

«Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов том I ЭКологиЧеСКаЯ физиологиЯ и биохимиЯ водных организмов 0 ...»

-- [ Страница 11 ] --

III тип – клетки cреднего высокая активность CBS была обнаружена в ци размера с 1–3 отростками, лишенными варикоз- топлазме тела клетки, в волокнах, имеющих ва ных утолщений и размером тела 15–25 мкм;

IV рикозные расширения, и их концевых аппара тип – мелкие клетки, округлой, овальной, либо тах. На телах мелких и средних CBS-ир клеток биполярной, формы тела размером 6–15 мкм;

V овальной формы были найдены высоко иммуно тип -сверхмалые клетки с размерами тел менее генные окончания CBS-ир волокон. Получен 6 мкм. ные результаты свидетельствуют о том, что в Для сравнительной характеристики интенсив- конечном мозге симы H2S может действовать ности маркирования nNOS и CBS использова- как классический нейромедиатор и/или нейро лось измерение оптической плотности продуктов модулятор, локализованный в телах клеток и ак ИГХ маркирования. Измерения оптической плот- сосоматических синапсах. В дорсальной и вент ности (ЕОП – единицы оптической плотности) ральной областях конечного мозга симы (Пущи проводили на микроскопе Axiovert Apotome и об- на, 2009) наиболее распространенным нейроме рабатывали с помощью программного обеспече- диатором является ГАМК, однако плотность ния Adobe PhotoShop 7. При обработке результа- распределения ГАМК-ергических клеток и во тов применяли параметрический метод (t-тест локон в дорсальной и вентральной областях не Стьюдента) анализа. Данные обрабатывали при одинакова. ГАМК-ергическая нейротрансмис помощи пакетов программ Statistica, Excel. сия характеризуется высокой изменчивостью синаптических ответов. Показано, что H2S регу Результаты и обсуждение лирует различные подтипы ГАМК-рецепторов, локализованные на пре- и постсинаптических В конечном мозге иммунолокализация позициях (Han et al., 2005). В исследованиях на nNOS и CBS была обнаружена в клетках дор- симе были выявлены CBS-ир волокна варикоз сальной и вентральной областей (рис. А, Б). ного типа, а также аксо-соматические контакты Морфологические параметры иммунореактив- которые могут соответствовать зонам синапти ных нейронов приведены в таблице. NOS в ко- ческой локализации ГАМК. Возможно, H2S вы нечном мозге симы была выявлена в телах ней- ступает в качестве модулятора ГАМК-ергичес ронов III-IV типов и не обнаружена в волокнах кой нейротрансмиссии в конечном мозге симы.

(таблица). Наиболее крупное скопление NOS-ир Согласно данным литературы (Kawaguchi et клеток дорсальной области выявлено в цент- al., 1995) в конечном мозге оксид азота выпол ральной зоне (Дц, рис. А), в которой расположе- няет две основные функции. Первая – участие ны интенсивно маркированные тела нейронов, NO в релаксации сосудов путем направленного окруженные иммунонегативной областью воздействия на гуанилат-циклазный механизм (рис. А). CBS-иммунолокализация была обнару- гладко-мышечных клеток сосудов (Bredt, жена в телах нейронов III-IV типов и волокнах. Snyder, 1992). В ответ на кортикальные, либо В ряде случаев маркировались концевые раз- паллидарные, стимулы NOS-позитивные клетки ветвления отростков варикозного типа (рис.

Б). могут изменять локальное кровообращение в Результаты проведенного исследования по- стриатуме (Kawaguchi et al., 1995). Другая функ казали, что в конечном мозге симы уровень оп- ция оксида азота – модуляция высвобождения тической плотности иммуномаркирования CBS стриатарных нейротрансмиттеров. Это осуществ и NOS неодинаков (таблица). Распределение ляется либо непосредственно, путем взаимодей CBS и NOS-ир нейронов в различных зонах дор- ствия с ионными каналами и последующей моди сальной и вентральной областей, а также харак- фикацией НМДА рецепторов, либо опосредован тер иммуномаркирования клеток и волокон ука- но, при воздействии на окружающие нейроны.

Распределение нитроксидсинтазы и цистатионин -синтазы в интегративных центрах мозга симы Onchorhynchus masou.

Нитроксидсинтаза в конечном мозге (А), тектуме (В), мозжечке (Д, Ж), стрелками показаны NOS-ир нейроны, прямоугольни ком оконтурены эвридендроидные клетки. Цистатионин -синтаза в конечном мозге (Б), тектуме (Г) и мозжечке (Е, З), черной стрелкой показан CBS-ир нейнон, белые стрелки показывают синаптические окончания (Б), двунаправленные стрелки показы вают границы слоев тектума (Г), * указывают иммунонегативные клетки Пуркинье, мелкие фигурные стрелки CBS-ир волокна, белые овалы оконтуривают гломерулоподобные комплексы (Е), стрелками указаны CBS-ир волокна огибающие иммунонега тивные клетки Пуркинье (З). Обозначения см. в тексте. Масштаб: А, Д, Е, Ж -100 мкм;

Б, З – 50 мкм;

В, Г – 200 мкм.

Морфометрические характеристики и уровень иммунореактивности NO-ергических и Н2S-продуцирующих нейронов (M m) интегративных центров головного мозга симы Onchorhynchus masоu CBS nNOS Размеры клеток (мкм) и Интенсивность Размеры клеток (мкм) и Интенсивность Область мозга тип по классификации ИГХ реакции тип по классификации ИГХ реакции Arevalo et al., (1995)* Arevalo et al., (1995)* (ЕОП) (ЕОП) Конечный мозг Дд – Дорсальное скопление 7,1±0,7/4,6±0,9 IV 98± 9,9±1,8/7,5±1 IV 90,3±8, дорсальной области 5,3±0,9/3,8±0,7 V 103,9±4, Дм – Медиальное скопление – – 8,1±0,8/5,9±0,8 IV 70± дорсальной области 202,3/6,32 III 55,83, Дц -Центральное скопление 8,6±1,2/4,9±1 IV 58,1±6,1 19,5±2,7/11,6±1,7 II 110±4, дорсальной области 5,71,7/3,20,6 V 61,24, Дл – Латеральное скопление 15,12,7/8,32 III 10,8±1,7/8,3±1 IV 95±2, дорсальной области 106,1±2, 12,1±3,4/7,1±1,7 IV 17±0,6/8,3±0,5 III 129,4±1, Вд – Дорсальное скопление 18,8±3,3/10,3±2 III 76,6±9, 10,2±2/6±0,9 IV 131,3±5, вентральной бласти 12,6±1,8/9,4±1,8 IV 68,2± 5,90,5/5,40,4V 136,66, Вл – Латеральное скопление 9,1±1,5/5,3±1 IV 132±8,7 – – вентральной области Вв – Вентральное скопление 10,9±1,1/7±1,6 IV 137,9±9 11±2/8,6±1,6 IV 99,2±15, вентральной области Оптический тектум ЦКС – Центральный клеточный 6,60,5/4,90,9IV 106,20,2 402,5/123,5 II 78,73, слой 5,20,3/4,40,7 V 104,94,9 182,8/6,50,7 III 51,311, 15,33,1/6,21 III 115,64, 20,53,6/10,21,4 III 65,622, НКФС – Наружный клеточный 8,3±2,3/4,8±0,8 IV 107,2±4, и фиброзный слой 101,4/92,8 IV 87,40, 5,3±0,6/4±0,1 V 111,8±3, ЦФС – Центральный фиброзный – – 18,63,5/71 III 59,37, слой МОС – Маргинальный 10,5±2,7/6±1,2 IV 125,8±3,9 8,3±0,5/4,3±1,5 IV 87,3±14, и оптический слой 5,4±0,7/3,7±0,5 V 122,8±1,3 волокна МС 61,7±8, Перивентрикулярный слой ПС 8,4±0,8/6,2±0,8 IV 94,4±1,8 8,4±1,1/5,2±1,9 IV 79,7±7, Мозжечок Волокна ИФГС 3,31,2 148,719,8 1,50,3 95,67, 6,2±0,7/6 ±0,5 IV 158±5,3 20,63,3/12,31 III 96, Гранулярные клетки 4,60,5/50,5 V 145,816,7 28,52,1/11,54,9 II 113,61, Эвридендроидные клетки – – 345,2/9,30,5 II 89, Гломерулоподобные комплексы – – 304,3/15,43,1 145,64, Клетки молекулярного cлоя – – 8,72,1/201,8 IV 88,29, * Размеры клеток указаны через черту, римскими цифрами указаны типы клеток по классификации Аревало (1995).

В соответствии с современными представления- тверждает участие таких клеток в качестве по ми, дорсальная и вентральная области конечного тенциальных мишеней для модуляторного воз мозга рыб соответствуют паллиальной и субпал- действия оксида азота, продуцируемого NOS-по лиальной зонам мозга млекопитающих зитивными клетками (Kawaguchi et al., 1995). В (Wullimann, Rink, 2002). Известно, что паллиаль- экспериментах in vivo апплицирование оксида ная область телеостей является нейрохимически азота в стриатум в растворе Рингера, либо в NO гетерогенной зоной конечного мозга (Wullimann, содержащих смесях, способствовало увеличению Rink, 2002, Обухов и др., 2008). У симы высокая высвобождения ацетилхолина, ГАМК и глутама нейрохимическая гетерогенность обнаружена в та. При использовании in vivo ингибитора NO – Вд скоплении (соответствующему стриатарной N-метил нитроаргинина показано снижение вы формации), а также в Вв и Вл скоплениях (соот- свобождения дофамина, ГАМК, глутамата, аце ветствующих перегородочной области) (Пущина, тилхолина. Известно, что при участии вышепере 2009). Большинство проекционных нейронов численных нейромедиаторов формируется базо стриатума содержат повышенную концентрацию вый уровень продукции NO в конечном мозге, растворимой гуанилат-циклазы и экспрессируют модулирующий высвобождение стриатарных мРНК растворимой гуанилатциклазы, что под- нейротрансмиттеров. Результаты исследования слой матричных клеток, в котором идут процес показывают, что CBS-позитивные и NO-позитив ные нейроны могут выполнять специализирован- сы активного деления камбиальных клеток, на ные функции в работе местных нейронных сетей чинается миграция молодых нейробластов в конечного мозга. толщу тектума и формируются вышележащие В оптическом тектуме симы были выявле- слои (Обухов и др., 2008). Наличие NO и Н2S ны nNOS-иммунопозитивные нейроны в составе продуцирующих элементов в перивентрикуляр наружного клеточного и фиброзного слоя ном слое тектума указывает на возможное уча (НКФС), центрального фиброзного (ЦФС), цен- стие сероводорода и оксида азота в морфогенезе трального клеточного (ЦКС) и перивентрику- этого отдела мозга.

лярного слоев (ПС), nNOS-иммунопозитивные В мозжечке симы CBS-иммунолокализация волокна в составе маргинального слоя (МС) была выявлена в волокнах, пронизывающих ин (рис. В). Иммунолокализация CBS у симы была фраганглионарное сплетение (ИФГС), клетках выявлена в нейронах IV типа ПС, ЦКС, НКФС, IV и V типов молекулярного (МС) и грануляр МС и ОС (рис. Г таблица). Наиболее интенсив- ного (ГС) слоев (рис. Е). В гранулярном слое ное иммуномечение CBS было выявлено в ней- были найдены интенсивно маркированные CBS ронах перивентрикулярного слоя и в волокнах ир мелкие клетки V типа и более крупные NOS маргинального и оптического слоя (рис. Г, таб- ир нейроны II и III типов (рис. Д, таблица).

лица). Большинство NOS-ир нейронов тектума Крупные NOS-ир клетки гранулярного слоя от симы расположено в НКФС и ЦКС. NO-проду- несены нами к гранулярным клеткам Гольджи.

цирующие нейроны в этих слоях представляют Чаще всего CBS-ир клетки гранулярного слоя проекционные клетки либо вставочные нейро- формировали удлиненные гломерулоподобные ны, осуществляющие вертикальные и горизон- комплексы, окруженные иммунонегативной зо тальные связи в тектуме симы (Qyan et al., ной (рис. Е). В молекулярном слое мозжечка 2000). В ЦКС выявлены NOS-ир интернейроны были выявлены мелкие IV-V типов CBS-ир веретеновидной формы, играющие роль модуля- клетки. Клетки молекулярного слоя имели вы торов при осуществлении анализа формы пред- сокий уровень активности CBS (таблица). Клет мета и его передвижения (Holmqvist et al., 2004). ки Пуркинье у симы CBS-иммунонегативны, но Отростки таких клеток направляются в противо- окружены CBS-позитивными волокнами – глад положные стороны, связывая нижние и верхние кими либо имеющими одиночные концевые бу слои тектума. В НКФС NOS выявлена в проек- лавовидные утолщения (рис. З). Здесь же были ционных пирамидоподобных нейронах III и IV выявлены немногочисленные тонкие NOS-пози типов, дендриты которых получают через систе- тивные волокна с варикозными расширениями му проходящих здесь волокон разнообразную по ходу и малоразветвленными окончаниями афферентную сигнализацию (из сетчатки, моз- (рис. Д). В дорсо-латеральной зоне инфраганг жечка, промежуточного мозга, клеток других лионарного сплетения мозжечка были иденти слоев самого тектума). В волокнах маргиналь- фицированы NOS-позитивные эвридендроид ного слоя была выявлена высокая активность ные нейроны (рис. Д, Ж).

CBS и NOS. Большинство волокон, образующих У симы выявлены CBS-ир волокна, пронизы маргинальный слой, представляют собой аффе- вающие ганглиозный слой мозжечка, являющи ренты мозжечка, а оптический слой образован еся, предположительно, аналогами глутаматер афферентами поступающими от сетчатки гических лиановидных волокон млекопитаю (Arevalo et al., 1995;

Qyan et al., 2000). Таким об- щих (Сhan-Palay,, Palay 1971). Известно, что разом, иммунолокализация CBS в тектуме симы H2S избирательно стимулирует токи, опосредо обнаружена в структурах, осуществляющих ванные глутаматными НМДА-рецепторами (Qu связь между важнейшим сенсорным анализато- et al., 2008). Механизмы, лежащие в основе того, ром (сетчатка), центром координации двига- как H2S потенцирует функции НМДА-рецепто тельной активности (мозжечок) и тектумом. Пе- ров, остаются неизученными, хотя один из них, ривентрикулярный слой наиболее богат клеточ- возможно, связан с окислительно-восстанови ными элементами, граничит с полостью средне- тельной модуляцией тиоловых групп (Qu et al., го мозга. У симы в перивентрикулярном слое 2008). Наличие большого количества волокон присутствовали как CBS-ир, так и NOS-ир клет- варикозного типа и CBS-ир окончаний в инфра ки (рис. В, Г). В перивентрикулярном слое, на ганглионарном сплетении мозжечка, возможно, границе эпендимной выстилки мозгового желу- указывает на синаптический способ высвобож дочка и стенки среднего мозга, располагается дения H2S в этой области мозга симы.

В гранулярном слое мозжечка симы были вы- кинье. Исследования показали (Ikenaga et al., явлены NOS-ир клетки Гольджи, а также CBS-ир 2006), что большинство ЭДК представляют структуры, напоминающие гломерулоподобные собой аспартатергические нейроны, получающие комплексы в мозжечке млекопитающих. Наибо- ГАМК-ергические импульсы от клеток Пуркинье.

лее важными медиаторами гломерул млекопита- Известно, что ЭДК получают входящие сигналы ющих являются глутамат и ГАМК (Hamann et al., от параллельных волокон и клеток Пуркинье, но 2002). При электроимпульсной стимуляции дан- не имеют входной сигнализации от лазающих во ные медиаторы поступают внутрь гломерул и пу- локон (Ikenaga et al., 2006). Такие взаимоотноше тем свободной диффузии достигают своих мише- ния между ЭДК и клетками Пуркинье сходны с ней (Калиниченко, Мотавкин, 2005). H2S в гра- таковыми, установленными для клеток Пуркинье нулярном слое симы может выступать в качестве и ядер мозжечка млекопитающих и позволяют модулятора ГАМК-ергических синапсов, как это рассматривать ЭДК рыб в качестве функциональ было показано на млекопитающих (Abe, Kimura, ных аналогов мозжечковых ядер млекопитающих.

1996) Распределение CBS в гранулярном слое ЭДК тела мозжечка и медиальной части заслонки мозжечка, а также наличие высокой плотности проецируются во множество областей: от проме распределения тел CBS-ир гранулярных клеток, жуточного до каудальной части продолговатого при отсутствии CBS-ир волокон варикозного ти- мозга. Некоторые ЭДК заслонки имеют проекции па и окончаний в гранулярном слое мозжечка ис- в теленцефалон. Идентифицированные у симы следованных рыб, предполагает несинаптичес- тонкие NOS-ир волокна могут быть аксонами эв кий (паракринный) способ высвобождения H2S и ридендроидных нейронов. Таким образом, оксид определяет его действие в качестве объемного азота, локализуясь в проекционных ЭДК, высту нейротрансмиттера. пает в качестве модулятора аспартатергических Обнаружение nNOS в эвридендроидных клет- сигналов, поступающих в составе эфферентных ках симы подтверждает данные (Пущина, Варак- волокон к различным участкам мозга симы.

син, 2001) о гистохимическом маркировании Установленное нами распределение CBS и NADPH-d в нейронах этого типа у рыб. У тетра- NOS-ир нейронов и волокон в интегративных под эфферентные системы мозжечка выходят в центрах мозга симы позволяет предполагать, основном из его собственных ядер. В мозжечке что NO и Н2S-продуцирующие системы пред телеостей собственные ядра отсутствуют, но вме- ставляют отдельные, не перекрывающиеся меж сто церебеллярных эфферентных нейронов у рыб ду собой, нейронные комплексы, выполняющие имеются так называемые эвридендроидные клет- специализированные функции в работе местных ки (ЭДК), расположенные под слоем клеток Пур- нейронных сетей.

Литература Abe K, Kimura H. The possible role of hydrogen aminobutyric acid B receptor in recurrent febrile seizures sulfide as an endogenous neuromodulator. J. Neurosci. in rats. Neurosci. Res. 2005. V. 53. P. 216–219.

1996. V. 16. P. 1066–1071. http://www.ncbi.nlm.nih. Holmqvist B., T. stholm, P. Alm. Nitric oxide gov/entrez/utils/fref.fcgi?PrId=3051&itool=AbstractPlus- synthase in the brain of a teleost. 1994. Neurosci. Lett.

def&uid=8558235&db=pubmed&url=http://www.jneuro V. 171. P. 205–208.

sci.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=8558235 Holmqvist, B., Goksoyr, A. and Qyan, A., Distributional Arevalo R., Alonso J.R., Garcia-Ojeda E., Brinn expression of brain neuronal nitric oxide synthase mRNA J.G., Crespo C., Aijn J. NADPH-diaphorase in the during developmental life stages of Atlantic salmon, Soc.

central nervous system of the tench (Tinca tinca L., Neurosci. Abst. 1998. V. 24. P. 21514.

1758). J. Comp. Neurol. 1995. V. 352. P. 398–420. Ikenaga T., Yoshida M., Uematsu K. Cerebellar efferent Bredt D.S., Snyder S.H. Nitric oxide, a novel neurons in teleost fish. Cerebellum. 2006. V. 5. P. 268–274.

neuronal messenger. 1992. Neuron. V. 8. P. 3–11. Kawaguchi Y., Wilson C.J., Augood S.J., Emson Сhan-Palay V., Palay S.L. The synapses en marron P.C. Striatal interneurones: chemical, physiological and between Golgi II neurons and mossy fibers in the rats morphological characterization. Trends Neurosci. 1995.

cerebellar cortex. Ztschr. Anat. Entwicklungsgesch. V. 18. P. 527–535.

1971. Bd. 133. S. 274–287. Olson K.R., Donald J.A. Nervous control of Hamann M., Rossi D.J., Attwell D. Tonic and spillover circulation – The role of gasotransmitters, NO, CO, and H2S. Acta Histochem. 2009. V. 111. P. 244–256.

inhibition of granule cells control information flow through Qu K., Lee S.W., Bian J.S. et al. Hydrogen sulfide:

cerebellar cortex. Neuron. 2002. V. 33. P. 625–633.

neurochemistry and neurobiology. Neurochem. Int.

Han Y., Qin J., Chang X., Yang Z., Bu D., Du J.

2008. V. 52. P. 155–165.

Modulating effect of hydrogen sulfide on gamma Qyan, A.-M., Nilsen, F., Goksoyr, A. and Holmqvist, Мотавкин П. А. Введение в нейробиологию. 2003.

B., Partial cloning of constitutive and inducible nitric Владивосток. Медицина ДВ. 251 с.

oxide synthasees and detailed neuronal expression of Обухов Д. К., Обухова Е. В., Пущина Е. В.

NOS mRNA in the cerebellum and optic tectum of adult Конечный мозг – как интегративный центр Atlantic salmon (Salmo salar), Brain Res. Mol. Brain нервной системы рыб. Проблемы регуляции Res., 2000. V. 78. P. 38–49. висцеральных функций. Кн. 1. Минск: РИВШ, Wullimann M.F. The central nervous system. 2008. С. 122–126.

Пущина Е. В. Распределение ГАМК-ергических Physiology of fishes. Boca Raton., New-York: CRS нейронов в конечном мозге тихоокеанского лосося Press. 1997. P. 245–282.

Oncorhynchus masu Актуальные вопр. гуманитарн. и Wullimann M.F., Rink E. The teleostean forebrain: a естеств. наук. 2009. № 10. С. 30–39.

comparative and developmental view based on early Пущина Е. В., Вараксин А. А. Аргирофильные и proliferation, Pax6 activity and catecholaminergic нитроксидергические биполярные нейроны в мозжечке organization. Brain Res Bull. 2002, V. 57. P. 363–370.

опистоцентра Pholidapus dibowskii. 2001. Ж. эволюц.

Калиниченко C. Г., Мотавкин П. А. Кора мозжечка.

биох. и физиол. 2001. Т. 37, № 5. С. 437–441.

М.: Наука, 2005. 319 с.

NO AND H2S PRODUCING SYSREMS IN SALMON ONCHORHYNCHUS MASOU TELENCEPHALIC AREAS E.V. Pushchina 1, D.K. Obukhov Institute of Marine Biology Far East Branch of Russian Academy of Sciences, Vladivostok, e-mail: puschina@mail.ru;

Department Cytology and Histology, Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russia The revealed distribution of CBS and NOS-ir presence of NO and Н2S-producing elements in neurons and fibers in different parts of dorsal and periventricular tectal layer mean possible ventral telencephalic areas allow to suppose, that participation of hydrogen sulfide and nitric oxide in NO and Н2S-producing systems in Onchorhynchus tectal morphogenesis. In ventral telencephalic area masou telencephalon present discrete, not and infragranular cerebellar plexus of overlapping between themselves, neuronal Onchorhynchus masou the CBS-ir fibers with complexes, which carry out special functions in varicosities and high immunoreactive endings were local neural network. CBS immunolocalisation in revealed. These findings, possibly, indicate on optical tectum of Onchorhynchus masou was synaptic release of H2S in this area of brain. It revealed in layers, which are connected with seems that, in the Onchorhynchus masou brain the important sensory analyzer (retina), the motor methods of NO and H2S releasing has impact on the activity centre (cerebellum) and optical tectum. The neuromodulatory effects character.

НЕОБЫЧНЫЕ ДЛИННЫЕ ПОЛИНЕНАСЫЩЕННЫЕ ЦЕПИ ФОСФОЛИПИДОВ:

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (МЕТОД МОНТЕ-КАРЛО) А. Л. Рабинович, П. О. Рипатти Учреждение Российской академии наук Институт биологии Карельского научного центра РАН, г. Петрозаводск, Россия, e-mail: rabinov@krc.karelia.ru нирования биомембран имеют их особые ком Введение поненты: ненасыщенные и полиненасыщенные Мембранные системы являются сложными цепи липидных молекул (см., напр., Stillwell, макромолекулярными комплексами, традицион- Wassall, 2003;

Valentine, Valentine, 2004;

но привлекающими к себе огромное внимание Stillwell, 2008). Наиболее детальную информа исследователей. Один из источников такого ин- цию о молекулярной системе сегодня можно из тереса – это способность отдельных компонен- влечь даже не экспериментальными методами тов мембранных систем (большинство из кото- (хотя таковые представляются чрезвычайно ва рых – амфифильные молекулы) к самопроиз- жными), а с помощью компьютерной имитации вольной организации. Центральный вопрос – соответствующей полноатомной модели систе взаимосвязь между химическим строением ис- мы. Это осуществляется методом Монте-Карло ходных молекулярных компонентов и физичес- (МК) и/или молекулярной динамики (МД) кими свойствами итоговых структур в разных (Marrink et al., 2009;

Pandit et al., 2004;

Feller, условиях;

большую важность представляют так- 2008;

van Gunsteren et al., 2008;

Рабинович, Ива же вопросы о функциональной роли того или нов, 2009). Некоторые данные о свойствах уже иного компонента системы. В течение послед- получены этими методами и для ненасыщенных них лет количество экспериментальных и теоре- и полиненасыщенных углеводородных компо тических работ по исследованию организации, нентов липидов. В частности, методом МК за архитектуры мембран неуклонно возрастает последние годы был рассчитан ряд характери (см., напр., Le Guyader et al., 2007;

Pike, 2009;

стик углеводородных цепей различной степени Marrink et al., 2009). ненасыщенности (Rabinovich, Ripatti, 2001;

В биологической мембране обычно сосуще- Rabinovich, Ripatti, 2002;

Рабинович, Рипатти, ствуют десятки, сотни типов липидных молекул 2002;

Рабинович, Рипатти, 2000;

Рабинович, Ри патти, 2000а;

Рабинович, Рипатти, 1999;

Рабино (они образуют ее основу), имеются также белки, углеводы, стерины и другие молекулы, вовле- вич, Рипатти, 1999а;

Рабинович, 2008, 2009).

ченные в разнообразные клеточные процессы. Химическое строение наиболее типичных не Липидные молекулы различаются по химичес- насыщенных углеводородных цепей липидов кому строению головных групп и/или углеводо- биомембран характеризуется тем, что все их родных цепей (цепей остатков жирных кислот, двойные связи C=C являются метиленпрерыва ЖК). В течение многих лет широко и интенсив- ющимися, т.е. между каждой парой двойных но проводятся исследования свойств биомемб- связей расположена только одна группа CH2.

ранных систем. Вместе с тем следует признать, Ниже для обозначения химического строения что имеющиеся на сегодня экспериментальные таких цепей будет использовано сокращение данные об этих свойствах остаются фрагментар- N:k(n-j)cis. Здесь N – общее количество атомов ными;

некоторым оправданием может служить углерода;

k – количество метиленпрерываю огромное разнообразие мембранных систем. В щихся двойных связей;

j – количество атомов то же время общепризнанным стало утвержде- углерода до ближайшей двойной связи, считая ние о том, что ключевое значение для функцио- от концевой группы CH3 цепи (на это указывает наличие символа n;

иногда вместо (n-j) исполь- вами, фактически речь идет о явлении общебио зуется обозначение j);

cis – конфигурация логического значения. Так, в молекулах фосфо липидов, эфиров холестерина и триглицеридов двойных связей. Подавляющее большинство половых желез млекопитающих (мышей и крыс) «обычных» цепей ЖК в биомембранах имеет отмечено (Furland et al., 2007;

Zanetti et al., 2007) длину N = 12–22 (наиболее часто N = 16–22) и наличие (n-6)-тетра- и (n-6)-пентаеновых ЖК количество двойных связей k = 1–6.

цепей длиной 24–32 атома углерода (помимо Установлено, однако, что в некоторых био обычных с N = 18–22), среди которых иденти мембранах содержатся также цепи «необычные», фицированы цепи 24:5(n-6)cis, 28:5(n-6)cis, выделяющиеся по длине N (а иногда и по коли 30:5(n-6)cis, 28:4(n-6)cis. Ранее в молекулах фос честву двойных связей k) из общего ряда цепей.

фатидилхолинов (ФХ) некоторых клеток (ней Например, более 30 лет назад были обнаружены трофильных лейкоцитов человека) были обна цепи 30:4(n-6)cis и 30:5(n-3)cis в составе ЖК мор ружены цепи 24:4(n-6)cis, 28:4(n-6)cis, 30:4(n ских губок Cliona celata (Litchfield et al., 1979);

6)cis, 32:4(n-6)cis, 34:6(n-3)cis (Hardy et al., в других видах губок идентифицированы цепи с 1995). Имеются данные о наличии полиненасы N = 26, 28, 30 и k = 2, 3 (Litchfield et al., 1979). О щенных цепей типа N:4(n-6)cis, N:5(n-6)cis, наличии в разных видах губок необычных ЖК с N:5(n-3)cis, N:6(n-3)cis с четным количеством различным количеством и расположением двой атомов углерода N = 24, 26, 28,…, 38 в молеку ных связей, а также с четным и нечетным N, со лах ФХ тканей мозга животных (Robinson et al., общалось неоднократно (Joseph, 1979;

ezanka, 1990). Более того, экспериментально установле 1989;

Djerassi, Lam, 1991;

ezanka, Sigler, 2009).

на следующая закономерность (Robinson et al., Далее, в клетках морских микроводорослей ди 1990): в липидах мозга развивающихся живот нофлагеллят Prorocentrum mexicanum, P. micans, ных обнаруживаются лишь цепи типа N:5(n Scrippsiella sp., Symbiodinium microadriaticum, 6)cis и N:6(n-3)cis, тогда как у взрослых – толь Gymnodinium sp., G. sanguineum, Fragilidium sp.

ко цепи типа N:4(n-6)cis и N:5(n-3)cis.

идентифицированы октакозагептаеновые 28:7(n В литературе отмечен также факт, что такие 6)cis и октакозаоктаеновые 28:8(n-3)cis цепи ЖК необычно длинные углеводородные цепи явля (Mansour et al., 1999). Они составляли ~2% от об ются компонентами молекул ФХ исключитель щего количества ЖК в этих клетках. Интересным но необычных типов. Необычность последних представляется то обстоятельство, что цепи с состоит в том, что длинные цепи встречаются в «промежуточными» длинами цепей N = 22– этих липидах в положении sn-1 глицеринового при этом не обнаружены (Mansour et al., 1999).

основания (Robinson et al., 1990);

еще раньше Наличие цепи 28:8(n-3)cis зафиксировано также (Aveldao, 1987;

Aveldao, Sprecher, 1987) был у Cryptecodinium cohnii (Van Pelt et al., 1999).

выявлен аналогичный факт для молекул ФХ, об Набор длинноцепочечных ацилов вплоть до наруженных в сетчатке глаз. В молекулах ФХ 36:8(n-3)cis идентифицирован в клетках диноф «обычных» типов положение sn-1, как правило, лагеллят Amphidinium carterae (ezanka et al., занято насыщенной углеводородной цепью (на 2008;

ezanka et al., 2008а). Найдено также не пример, 16:0, 18:0). При этом в положении sn- сколько десятков типов цепей с нечетным значе молекул ФХ как обычных, так и необычных ти нием N, хотя и в малых концентрациях, – мень пов, расположены насыщенные, мононенасы ших еще на порядок (ezanka et al., 2008а). В ря щенные или полиненасыщенные цепи с длиной де работ приведены аналогичные данные и для цепи N 24 (Robinson et al., 1990).

других клеток (ezanka, Sigler, 2009). Из тканей Наличие молекул ФХ с тетра- и пентаеновы трех видов пресноводных ракообразных, ми цепями N:4(n-6)cis, N:5(n-6)cis, гексаеновы Bathynella natans, B. baicalensis, Baicalobathynella ми цепями N:6(n-3)cis длиной N = 32–38 в тка magna, было выделено более 50 типов подобных нях мозга выявлено и в работе (Poulos et al., необычно длинных жирнокислотных цепей, в 1988). При этом было также выявлено, что в том числе, например, 26:5(n-6)cis, 28:7(n-6)cis, случае недостатка пероксисом в мозге, – бо 30:7(n-3)cis и 40:7(n-6)cis (ezanka, 2000). В дру лезнь Цельвегера (Poulos et al., 1988), концент гих водных организмах тоже обнаружены необы рация аналогичных фосфолипидов оказывается чные цепи ацилов (ezanka, Sigler, 2009).

выше по сравнению с таковой у нормального, Очень важно отметить, что к настоящему здорового мозга, но ЖК состав становится времени подобные необычные цепи уже иденти иным: для нормального состояния мозга типич фицированы в составе липидных молекул мемб ны тетра- и пентаеновые цепи ЖК, а при недос ран не только водных организмов. Иными сло разом, родопсину, если, например, его альфа татке пероксисом – пента- и гексаеновые. По су спиральные сегменты частично окружены по ти, основное отличие больного мозга от здоро добными ФХ (Aveldao, 1988), принимать опре вого состоит в том, что в случае недостатка пе деленные функциональные конформации, и, роксисом присутствуют гексаеновые цепи вме следовательно, играют важную роль в осущест сто тетраеновых (Poulos et al., 1988).

влении процесса зрения;

В клетках зародышей млекопитающих (крыс) обнаружены (n-6)-тетра- и пентаеновые цепи (ii) возможно, соответствующий тип молекул длиной N = 24–34 (составляющие до 5% общего фосфолипидов в мозге требуется также для пра состава ЖК), в том числе и с нечетным их чис- вильной ориентации характерных мембранных лом: 25, 27, 29, 31 (Furland et al., 2007). Такие белков;

цепи являются доминирующими компонентами, (iii) молекулы ФХ мозга, содержащие длин достигающими 70%, сфингомиелина и церамида ные полиненасыщенные цепи и/или их полине половых клеток (Furland et al., 2007а). насыщенные продукты распада (неэтерифици Как уже упоминалось, необычные ЖК цепи рованные ЖК, лизофосфатидилхолин и диацил были давно обнаружены в сетчатке глаз. А глицерин) могут быть метаболически активны именно, в молекулах ФХ сетчатки глаз позвоно- ми соединениями, важными с точки зрения ре чных, – изучались бык, кролик, крыса, цыпле- гулирования клеточных процессов.

нок (Aveldao, 1987;

Aveldao, Sprecher, 1987;

Имеются также предположения о том, что Rotstein, Aveldao, 1988;

Aveldao, 1988), содер- функциональная роль ФХ с длинными полине жится полный набор ЖК длиной N = 24–36. Это насыщенными цепями может быть наиболее су (n-6)-тетраены и (n-3)-гексаены;

идентифициро- щественной лишь на отдельной, специфической ваны и пентаены, среди которых встречаются стадии развития мозга.

преимущественно цепи (n-3), хотя имеются и Факт локализации необычных липидных це цепи (n-6). Необычные ЖК цепи входят в состав пей в жизненно важных тканях свидетельствует, исключительно диполиненасыщенных молекул очевидно, о том, что роль таких цепей физиоло ФХ, эти цепи расположены в sn-1 положении, гически значима, в чем бы она ни состояла (по что согласуется с аналогичными данными в ра- добный вывод отмечен и в некоторых работах ботах (Robinson et al., 1990;

Poulos et al., 1988), (Robinson et al., 1990;

Poulos et al., 1988). Иными тогда как в положении sn-2 молекул ФХ нахо- словами, такие цепи по ряду причин необходи дится преимущественно цепь 22:6(n-3)cis. Было мы для функционирования тканей. В сравни отмечено (Aveldao, 1988), что такие длинные тельно недавней работе (McMahon et al., 2007) цепи содержатся примерно в 25% молекул ФХ также получены данные, которые явно поддер из дисков мембран фоторецепторов;

при этом живают такой вывод. А именно, когда в молеку примерно в 30% фосфолипидов (это 31% моле- лах ФХ сетчатки глаз мышей наблюдался (из-за кул ФХ, 20% фосфатидилэтаноламина и 52% мутации гена элонгазы Elov14) дефицит ЖК с фосфатидилсерина) обе цепи являются полине- длинными цепями N = 32–36, то возникало спе насыщенными. Далее, при проведении экстрак- цифическое заболевание («болезнь Старгардта ции гексаном мембран фоторецепторов было ус- 3»). Это позволило авторам работы (McMahon et тановлено, что во фракции липидов, связанных al., 2007) предположить, что дефицит подобных с родопсином, резко повышено содержание ли- цепей, возможно, приводит к аналогичной пато пидов с обычными и необычными полиненасы- логии и у человека.

С другой стороны, необычные полиненасы щенными цепями (Aveldao, 1988).

щенные цепи ЖК являются физиологически Однотипность строения необычных полине насыщенных липидных молекул мембран совер- значимыми, а их содержание в общем составе ЖК при этом очень мало: 1% (Robinson et al., шенно разных объектов может свидетельство вать о том, что их функции в разных биологиче- 1990;

Poulos et al., 1988), ~2% (Mansour et al., ских мембранах тоже сходны. Некоторые пред- 1999), 5% (Furland et al., 2007). Следовательно, положения на этот счет в литературе уже име- их физиологическая значимость проявляется по ются. В частности, в работах (Aveldao, 1987;

тому, что они оказывают влияние на некоторые Aveldao, 1988) отмечается, что ключевые компоненты биологических мемб (i) полиненасыщенные длинноцепочечные ран, – такими являются, например, белки. Поэ ЖК компоненты молекул ФХ в сетчатке, возмо- тому приведенные выше предположения о жно, необходимы, чтобы способствовать фото- функциях необычных полиненасыщенных ЖК рецепторным белкам мембраны, – главным об- (Aveldao, 1987;

Aveldao, 1988) представляют ся вполне логичными, хотя анализ каких-то ктурные особенности липидов и белков прошли свойств таких цепей для обоснования их роли в продолжительный этап эволюции, который не работах (Aveldao, 1987;

Aveldao, 1988) не мог протекать у них независимо друг от друга, проводился. наиболее вероятной в итоге является ситуация, Вместе с тем, возможные функции обычных при которой оба молекулярных компонента полиненасыщенных ЖК цепей изучаются уже в мембран соответствуют друг другу (т.е. компле течение длительного времени. В частности, бы- ментарны) и, следовательно, в утверждениях ли выдвинуты предположения о причинах преи- выше условия необходимости и достаточно мущественного их взаимодействиях с белками;

сти соблюдаются одновременно.

предположения основаны на результатах расче- Подчеркнем еще раз, что затронутые пред та свойств полиненасыщенных ЖК цепей с N = ставления о роли необычных цепей являются 12–22 с помощью имитационного моделирова- лишь предположительными. Обосновать или от ния методом МК (Рабинович и др., 1985;

Да- вергнуть их, прояснить ситуацию можно было шевский, Рабинович, 1986;

Рабинович и др., бы, сравнивая между собой физические свойст 1986;

Рабинович, Рипатти, 1990, 1990а;

ва достаточно широкой совокупности таких це Rabinovich, Ripatti, 1991, 1991а;

Рабинович, Ри- пей. Однако данные о свойствах необычных ЖК патти, 1994;

Рабинович и др., 2004). Ниже, при цепей (встречающихся к тому же в малых коли обсуждении результатов, мы вернемся к обсуж- чествах) на сегодня в литературе чрезвычайно дению этих вопросов. скудны вследствие трудностей по выделению и Обращает на себя внимание и тот факт, что идентификации таких цепей. Можно отметить хотя длина N необычных полиненасыщенных работу по экспериментальному изучению тем цепей превышает длину обычных полиненасы- пературного поведения липосом, образованных щенных цепей липидов весьма существенно несколькими молекулами необычных ФХ (примерно в 2 раза), общее количество двойных (Antollini, Aveldao, 2002). Один из обзоров сте связей k и их местоположение j в необычных пени распространенности в природе необычных цепях в подавляющем большинстве случаев ос- ЖК цепей разного строения представлен в не таются такими же, как и в цепях обычных (k 6;

давней работе (ezanka, Sigler, 2009);

основное внимание в обзоре (ezanka, Sigler, 2009) уделе j = 3, 6). Следовательно, либо (а) свойства, необ но цепям с нечетным N. В целом можно сделать ходимые необычным полиненасыщенным цепям вывод, что необычно длинные цепи ЖК, если для выполнения определенных функций в био учитывать не только полиненасыщенные, но и мембране, достигаются именно по причине на насыщенные и мононенасыщенные, обнаруже личия в них дополнительного длинного насы ны практически во всех объектах, от бактерий щенного участка цепи и локализации этих цепей до человека (ezanka, Sigler, 2009).

в положении sn-1, либо (б) наличие такого про В настоящеее время широко обсуждается тяженного насыщенного участка полиненасы факт «доменности» структуры мембранных сис щенной цепи в sn-1-положении оказывается тем (Pike, 2009;

Edidin, 2003;

Shaikh, Edidin, уже достаточным для выполнения ею надле 2006;

de Almeida et al., 2007;

Schultz, Levin, жащих функций, хотя, быть может, какие-то до 2008;

Risselada, Marrink, 2008;

Yethiraj, полнительные модификации строения цепи Weisshaar, 2007). Возможно, полиненасыщен обеспечили бы еще более успешное выполнение ные липиды с необычными «длинноцепочечны ею этих функций. На данную ситуацию можно ми» компонентами, как и с цепями обычных посмотреть и с другой стороны («со стороны длин, – 22:6(n-3)cis, 22:5(n-6)cis, 20:4(n-6)cis, белков»): (в) присутствие необычных липидных могут образовывать специфические типы доме молекул вблизи белков, возможно, является дос нов со специальным составом компонентов таточным условием для функционирования по (Wassall, Stillwell, 2008;

Soni et al., 2008;

Bakht, следних, хотя, возможно, существуют молекулы Pathak, 2007). С другой стороны, например, в и других типов с аналогичными или еще лучши мембране фотосинтезирующих пурпурных бак ми свойствами;

(г) присутствие таких липидов терий подавляющее большинство липидов свя является необходимым фактором функциониро зано с бактериородопсином (Jost et al., 1978), вания белков, – ср. с выводом работы (McMahon так что бислоя (или доменов бислоя) в традици et al., 2007).

онном смысле в этой мембране просто не суще Однако фактически оба приведенных выше ствует. Это вполне может относиться, в той или взгляда – это две стороны одной медали: липид иной степени, и к другим специфическим био белкового взаимодействия. Учитывая, что стру ментальным структурным данным. Цепи при мембранам, например, к дискам фоторецептор имитации «конструировали» последовательно, ных клеток (Aveldao, 1988), – информации на по молекулярным фрагментам, содержащим по этот счет на сегодня явно недостаточно.

5–7 углеродных атомов. Эти фрагменты точно Таким образом, перечисленные здесь факты передают детали химического строения. Для наличия необычных липидных молекул биомем образования цепи заданной структуры выбира бран с длинными цепями ЖК (представляющие ется соответствующий набор молекулярных на самом деле лишь малую часть биохимичес фрагментов.

ких данных, имеющихся на сегодня) порождают Для пояснения методики приведем схемы не множество вопросов. В числе первых – вопрос о скольких фрагментов. В каждой схеме ниже вы свойствах необычных молекул. Эксперимен делены две простые связи, вращения вокруг ко тальные данные о физических, химических или торых являются взаимозависимыми;

вращения физико-химических свойствах необычных це вокруг двойных связей C=C не рассматривались пей, как упоминалось, почти полностью отсут (угол строго равен 0°):

ствуют. В этих условиях для извлечения иско CH2CH2 – CH2 – CH2CH2, мой информации целесообразно использовать CH2CH2 – CH2 – CH2CH, весьма мощное средство – имитационное моде CH2CH2 – CH2 – CHCHCH2 (cis), лирование («компьютерный эксперимент»).

CH2CH2 – CHCH – CH2CH2 (cis), В настоящей работе проведена компьютер CH2CH2 – CHCH – CH2CH (cis), ная имитация конформационного поведения од CHCH2 – CHCH – CH2CH (cis), ной из типичных совокупностей необычных по CH2CHCH – CH2 – CHCHCH2 (cis).

линенасыщенных ЖК цепей;

использован метод Для фрагментов, в которых есть одна или две МК. По итогам компьютерного моделирования двойных связи, в скобках указана конфигурация рассчитаны средние значения размеров, гибко последних. При вычислении энергии каждого сти и других характеристик данной группы це фрагмента была учтена энергия невалентных пей. Анализ этих свойств, а также сравнение с взаимодействий, торсионная энергия и электро соответствующими свойствами обычных поли статическая энергия (Дашевский, Рабинович, ненасыщенных липидных цепей позволили кон 1983;

Rabinovich, 1991).

кретизировать предположения о возможной В итоге были изучены свойства необычных функциональной роли таких цепей в специфиче полиненасыщенных цепей следующего строе ских биологических мембранах.

ния: N:4(n-6)cis, N:4(n-3)cis, N:5(n-6)cis, N:5(n 3)cis, N:6(n-6)cis, N:6(n-3)cis. Была избрана со Метод моделирования и расчета свойств вокупность цепей с четным количеством атомов жирнокислотных цепей углерода, N = 24, 26, 28,…, 38. Для расчета ис комых средних характеристик генерировали на Проведено генерирование ансамблей кон компьютере по 300000–1000000 конформаций формаций различных неразветвленных цепных цепи каждого типа в невозмущенном (Флори, углеводородных олигомеров методом МК. Для 1971) состоянии при температуре 25 C (298 K).

этого была использована ранее разработанная В идентичных условиях была смоделирована модель, детали которой изложены в работах также совокупность более коротких ненасыщен (Дашевский, Рабинович, 1983;

Rabinovich, ных цепей, являющихся фрагментами вышеука 1991). Данный подход неоднократно применял занных необычных цепей: 15:4(n-3)cis, 18:4(n ся для имитации и расчета свойств углеводо 3)cis, 18:5(n-3)cis, 21:5(n-3)cis, 21:6(n-3)cis, а родных цепей различного химического строе также насыщенных цепей разных длин: 8:0, 9:0, ния (Rabinovich, Ripatti, 2001;

Рабинович, Ри 10:0, …, 22:0. Для двух цепей, 18:0 и 18:5(n патти, 2002;

Рабинович, Рипатти, 1999а). При 3)cis, была дополнительно проведена имитация генерировании конформаций рассматриваемой при температурах 5 C и 130 C (278 K и 403 K) цепной молекулы на компьютере в рамках этой с объемами выборок в 1500000 конформаций.

модели все углы внутреннего вращения вокруг По результатам компьютерного моделирования простых связей основной цепи молекулы, в от были рассчитаны средние расстояния h 0 и личие от поворотно-изомерного приближения квадраты расстояний h 0 между концевыми (Флори, 1971) изменяются непрерывно в диа атомами углерода каждой из молекул, а также пазоне от 0 до 360. Величины валентных свя характеристики их равновесной (термодинами зей и валентных углов цепи при имитации бы ческой) гибкости.

ли фиксированными, отвечающими экспери Отметим, что в качестве меры равновесной «уголковообразной» конформации (Рабинович и гибкости молекул цепного строения, как извест- др., 1986;

Applegate, Glomset, 1986;

Рабинович, но по литературе (Флори, 1971;

Волькенштейн, Рипатти, 1990;

Rabinovich, Ripatti, 1991). Смысл 1959;

Бирштейн, Птицын, 1964;

Дашевский, трех критериев очевиден: чем больше гибкость 1987;

Готлиб и др., 1986;

Гросберг, Хохлов, цепи, тем меньшие значения будут у характери 1989), использовались разные характеристики: стик a и h 0 / L2, h 0 / L, поскольку при – значение персистентной длины a, которое увеличении способности цепи к изгибу среднее вычисляется из соотношения расстояние между концами уменьшается.

h 0 = 2La 1- a L [1 exp( L a )], Результаты. Величина равновесной гибкости где h 0 – среднее значение квадрата расстоя ния между концевыми атомами рассматривае Различия в строении цепей описываются мой цепи в невозмущенном состоянии, L – кон лишь тремя параметрами: N, k и j. В разверну турная длина цепи (Флори, 1971), угловые скоб том виде каждую из исследованных цепей мож ки, здесь и ниже означают усреднение по но представить следующим образом:

ансамблю конформаций;

cis-CH3 – (CH2)i – (CH=CH – CH2)k – (CH2)m – CH3, – величина статистического сегмента Куна;

где k = 4, 5 или 6;

i = 1 или 4;

m = 0 или 3.

– величина относительной заторможенности, h 0 / h св, 1/ 2 Таблица 1. Значения отношений h 0 / L для групп цепей* где h – средний квадрат расстояния между св h0 / L h0 / L концевыми атомами гипотетической цепи, у ко- Цепь Цепь торой внутренние вращения свободны, но ва- 38:5(n-6)cis 0,423 38:6(n-3)cis 0, 36:5(n-6)cis 0,430 36:6(n-3)cis 0, лентные связи и валентные углы фиксированы;

34:5(n-6)cis 0,436 34:6(n-3)cis 0, определение h 0 приведено выше;

32:5(n-6)cis 0,442 32:6(n-3)cis 0, – величина характеристического отношения 30:5(n-6)cis 0,449 30:6(n-3)cis 0, Cn h 0 / nl 2, 28:5(n-6)cis 0,456 28:6(n-3)cis 0, 26:5(n-6)cis 0,463 26:6(n-3)cis 0, где n – количество связей цепи, l2 – средний ква- 24:5(n-6)cis 0,472 24:6(n-3)cis 0, драт длины связи (nl2 в знаменателе формулы – h0 / L h0 / L Цепь Цепь это средний квадрат расстояния между конце 38:4(n-6)cis 0,434 38:5(n-3)cis 0, выми атомами гипотетической свободно-сочле 36:4(n-6)cis 0,441 36:5(n-3)cis 0, ненной цепи);

34:4(n-6)cis 0,449 34:5(n-3)cis 0, – величина отношений h 0 / L и ( h0 ) / L ;

2 2 2 1/ 32:4(n-6)cis 0,458 32:5(n-3)cis 0, 30:4(n-6)cis 0,466 30:5(n-3)cis 0, – величина отношения h 0 / L ;

эта величи 28:4(n-6)cis 0,474 28:5(n-3)cis 0, на использована для сравнения равновесной 26:4(n-6)cis 0,482 26:5(n-3)cis 0, гибкости разных углеводородных цепей (Раби- 24:4(n-6)cis 0,491 24:5(n-3)cis 0, нович, Рипатти, 1990;

Rabinovich, Ripatti, 1991). *Погрешности вычисления величин не превышают 0,004.

В настоящей работе с целью получения оценок гибкости цепей были рассчитаны три Имитация всех молекул проводилась в иден критерия из перечисленных: отношение тичных условиях, поэтому изучение разницы в h 0 / L2, отношение h 0 / L и персистентная рассчитанных характеристиках равновесной длина a. Последняя вычислялась методом итера- гибкости различных молекул позволяет оценить ций из приведенного выше соотношения относительный вклад отдельных углеводород h 0 = 2La 1- a L [1 exp( L a )]. Для вычис- ных цепей в свойства мембран (или определен ных областей мембран), в состав которых они ления отношений h 0 / L и h 0 / L исполь 2 входят. Сравнительный анализ критериев зовали вычисленное в компьютерном экспери h 0 / L2 и h 0 / L для всех молекул показал, менте h 0 и значение контурной длины L.

что у некоторых цепей гибкости одинаковы, в Последнее было рассчитано как сумма длин ма- пределах погрешностей расчета, несмотря на ксимально вытянутых конформаций участков различия в их строении. Из таких цепей можно данной цепи: насыщенного участка, – конфор- составить группы, – по 2–4 молекулы. При этом мации «транс-зигзага» (Волькенштейн, 1959;

оказалось, что на фоне совпадений величины Флори, 1971) и ненасыщенного участка, – гибкости молекул в отдельных, частных груп (количество групп CH2 может быть и неодинако пах существует и общая закономерность, а именно: совпадают гибкости пар цепей с одина- вым для разных пар двойных связей). Далее, если ковыми N во всем изученном диапазоне N, но с все двойные связи cis являются метиленпрерыва определенными комбинациями значений k и j. ющимися, то, как правило, чем больше их в цепи, Эта закономерность прослеживается по значе- тем больше гибкость последней. Вместе с тем, ниям h 0 / L, они специальным образом при одинаковом количестве k метиленпрерываю щихся двойных связей и одинаковом N в разных сгруппированы в табл. 1.

цепях гибкость оказывается наибольшей у моле В верхней половине этой таблицы приведены кулы, в которой вся группа двойных связей рас данные для всех (n-6)-пентаеновых цепей N:5(n положена наиболее близко к середине цепи. Дру 6)cis (слева) и всех (n-3)-гексаеновых цепей гими словами, чем больше смещена вся группа N:6(n-3)cis (справа), т.е. попарно, с одинаковы двойных связей молекулы от центра цепи к ее ми N в изученном диапазоне N = 24–38. В ниж концам, тем менее гибкой является молекула (это ней половине таблицы – аналогичным образом правило нарушается лишь при локализации приведены данные для пар цепей (n-6)-тетрае двойной связи у 1-го или 2-го атома углерода це нов N:4(n-6)cis и (n-3)-пентаенов N:5(n-3)cis с пи). Для двух цепей с одинаковыми N, но разным одинаковыми N.

количеством двойных связей (пусть k1 и k2, где Легко видеть, что для каждого N характери k1 k2), могут реализоваться также варианты, в стика гибкости цепи пентаена N:5(n-6)cis прак которых гибкость ненасыщенной цепи с количе тически совпадает с характеристикой гибкости ством двойных связей k1 окажется меньше, чем цепи гексаена N:6(n-3)cis, несмотря на разницу гибкость цепи с количеством двойных связей k2.

в количестве двойных связей в этих молекулах.

Это происходит в том случае, когда двойные свя Этот же вывод относится и к характеристикам зи в первой цепи расположены вблизи одного из гибкостей пар цепей тетраенов N:4(n-6)cis и ее концов, а во второй цепи – вблизи ее центра. В пентаенов N:5(n-3)cis (табл. 1).

совокупностях молекул, в которых количество k и расположение двойных связей в цепи остаются Обсуждение результатов постоянными, гибкость цепи увеличивается с ро стом длины N молекулы.

Закономерности, связанные с влиянием хи Из данных таблицы 1 следует, что выводы мического строения углеводородной цепи на ее работ (Рабинович и др., 1985;

Дашевский, Раби гибкость и другие характеристики, как уже упо нович, 1986;

Рабинович и др., 1986;

Рабинович, миналось, изучались ранее при исследовании Рипатти, 1990, 1990а;


Rabinovich, Ripatti, 1991, обычных цепей с N = 14–22 и количеством 1991а;

Рабинович, Рипатти, 1994;

Рабинович и двойных связей k = 1–6 преимущественно кон др., 2004) справедливы и для необычно длинных фигурации cis (Рабинович и др., 1985;

Дашев цепей ацилов с N = 24–38. Отметим, однако, что ский, Рабинович, 1986;

Рабинович и др., 1986;

при таком удлинении цепи (почти двукратном Рабинович, Рипатти, 1990, 1990а;

Rabinovich, по сравнению с обычными ЖК) игра факторов Ripatti, 1991, 1991а;

Рабинович, Рипатти, 1994;

строения цепи N, k и j в формировании ее гиб Рабинович и др., 2004).

кости оказалась более «тонкой», чем в обычных При этом было показано, что равновесная цепях, и фактически привела к появлению но гибкость углеводородной цепи в общем случае вой закономерности. В частности, чрезвычайно зависит от длины цепи N, количества двойных важным представляется тот факт, что конкурен связей k, их взаимного расположения (количест ция влияния на свойства цепи количества k ва групп CH2, локализованных между двойными двойных связей и их местоположения j в резуль связями), местоположения всей группы двойных тате «компенсационного эффекта» приводит к связей вдоль по цепи, а также конфигурации совпадению величины гибкости у большого на двойных связей (cis, trans). Речь идет только о бора пар ацилов разного строения. К ним отно цепях с несопряженными двойными связями.

сятся пары N:4(n-6)cis N:5(n-3)cis и N:5(n Оказалось, что если сравнивать цепи с одина 6)cis N:6(n-3)cis, табл. 1.

ковыми N и k, то цепь с метиленпрерывающими Этот результат позволяет в некоторой степе ся двойными связями cis (между каждой парой ни понять и интерпретировать особенности раз которых локализована одна метиленовая группа) личий в составе необычных цепей ЖК некото является более гибкой, чем любые цепи, между рых биомембран, которые были упомянуты во каждой парой двойных связей cis в которых ло введении, в обзоре биохимических данных.

кализовано 2, 3 или более метиленовых групп Рассмотрим, например, данные работы О функциональной роли длинноцепочечных (Robinson et al., 1990): в необычных молекулах полиненасыщенных молекул ФХ были идентифицированы именно группы Сформулируем, однако, основной вопрос: яв цепей N:4(n-6)cis, N:5(n-3)cis и N:5(n-6)cis, ляется ли жидкостность мембраны основным N:6(n-3)cis, свойства которых обсуждаются в фактором, когда речь идет об интерпретации данном разделе. Согласно данным (Robinson et экспериментальных данных работы (Robinson et al., 1990), в липидах мозга взрослых животных были обнаружены только цепи N:4(n-6)cis и al., 1990) и многих других? Кроме того, можно поставить и второй вопрос: даже если жидкост N:5(n-3)cis, тогда как у развивающихся – толь ность и играет в этом определеннную роль, ко цепи N:5(n-6)cis и N:6(n-3)cis, N = 24–38. Но только ли поддержанием жидкостности биомем по результатам проведенного компьютерного браны ограничиваются функции необычно моделирования именно у таких пар цепей (с одинаковыми N) выявлено равенство парамет- длинных полиненасыщенных цепей? Судить о возможных функциях молекул можно в значи ров, характеризующих гибкость цепи. Подоб тельной степени на основании данных об их фи ные совпадения в природе едва ли возникают зических свойствах. Для того чтобы пополнить случайно, поскольку в природных системах искомые сведения о свойствах необычных поли свойства компонентов, безусловно, должны ненасыщенных цепей, можно провести «экстра проявиться, и разница в них (или отсутствие таковой) может привести к тому или иному эф- поляцию» сведений о свойствах полиненасы щенных участков цепей обычного типа (по фекту.

скольку в тех и других эти участки одинаковы).

Равенство гибкостей у цепей, отличающихся По результатам расчетов методом МК, про по строению, но имеющих одинаковые длины веденных ранее (Рабинович и др., 1985;

Рабино N, означает, что их вклад в «жидкостность»

мембраны примерно одинаков. Это утвержде- вич, Рипатти, 1990а;

Rabinovich, Ripatti, 1991, 1991а;

Рабинович, Рипатти, 1994;

Рабинович и ние следует здесь пояснить. Термин «жидкост др., 2004), было установлено, что полиненасы ность» является скорее качественным, нежели щенные участки цепи обладают совокупностью количественным, но речь идет о мере коллек специфических свойств. В частности, у них тивной подвижности липидных компонентов мембраны. Проведем аналогию между измене- многократно меньше, чем у цепей насыщенных, величины температурных коэффициентов раз нием жидкостности системы и количественной ных геометрических характеристик, – например, характеристикой – изменением температуры ее плавления Tпл (температуры фазового перехода среднего квадрата h 0 расстояния между из состояния геля в жидко-кристаллическое со- концевыми атомами углерода d ln h 0 / dT. стояние), хотя зависимость между ними обрат Это подтверждается и вычислениями, которые но-пропорциональная: чем выше жидкостность, проведены в настоящей работе для цепей тем ниже температура плавления. Последняя, 18:5(n-3)cis и 18:0 при T=5 C и T=130 C (T= как известно из общих положений термодина и T=403 K). Оказалось, что в данном диапазоне мики и статистической физики, определяется температур коэффициент отношением изменения энтальпии к изменению d ln h 0 / d T = –0,105 10–4 град–1 для цепи энтропии, Tпл = Hпл/Sпл. Если, например, стро 18:5(n-3)cis и ение цепи изменено так, что длина N не измени d ln h 0 / d T = –0,881 10–3 град–1 для цепи 18:0.

лась, а гибкость увеличилась, то должна увели читься энтропия системы и в итоге уменьшить- Другими словами, температурный коэффи ся температура плавления, поскольку сохране- циент квадрата расстояния между концами по ние N означает, что энтальпия приблизительно линенасыщенной цепи 18:5(n-3)cis оказался сохраняется. Но если при N = Const с изменени- примерно в 84 раза (т.е. почти на 2 порядка) ем структуры цепи ее гибкость не изменилась, меньше, чем цепи насыщенной, 18:0. Это соот то сохранится и энтропия, а в итоге – темпера- ветствует выводам, сделанным ранее (Рабино тура плавления. Аналогично этому сохранится и вич и др., 1985;

Рабинович, Рипатти, 1990а;

жидкостность мембраны. Вывод: если в мембра- Rabinovich, Ripatti, 1991, 1991а;

Рабинович, Ри не содержатся разные цепи, но при этом они патти, 1994;

Рабинович и др., 2004), хотя в ци имеют одинаковую длину и гибкость, то они тированных работах при вычислениях были ис приблизительно одинаково влияют на жидкост- пользованы выборки меньшего объема, чем в ность мембраны. настоящей работе. Кроме того, результаты не кие свойства последних могут более надежно давних расчетов (Рабинович, 2008) показали, обеспечить стабильность условий и оптимизи что в полиненасыщенном участке цепи резко ровать липид-белковые взаимодействия при снижена чувствительность к изменению темпе флуктуациях температуры, причем, на каждом ратуры, по сравнению с насыщенной цепью, не малом участке вдоль всей поверхности контакта только характеристик, относящихся к цепи как белков и полиненасыщенных цепей. Иначе го целому (что иллюстрирует коэффициент воря, эти свойства полиненасыщенных цепей d ln h 0 / dT ), но и характеристик каждого ло должны ослабить негативное воздействие изме кального ее участка, звена. Например, в полине нений температуры на активность ферментов. С насыщенном участке при изменении температу другой стороны, повышение концентрации по ры остается более стабильной форма функций линенасыщенных цепей в слоях вокруг фермен распределения углов, образуемых каждой свя тов может способствовать увеличению активно зью C-C и C-H данной цепи с осью наибольшего сти ферментов при общем повышении уровня ее протяжения (Рабинович, 2008).

метаболизма.

Не анализируя подробно также и другие (II) При температурах ниже температуры фа свойства, представляется целесообразным при зового перехода гель – жидкий кристалл наибо вести здесь кратко уже известные данные о по лее вероятная конформация, которую принима линенасыщенных участках цепей с метиленпре ет полиненасыщенная цепь, является вытянутой рывающимися двойными связями cis (Рабино и имеет «уголковообразную» форму;

она комп вич и др., 1985;

Рабинович, Рипатти, 1990а;

лементарна аналогичным конформациям других Rabinovich, Ripatti, 1991, 1991а;

Рабинович, Ри полиненасыщенных цепей, а также конформа патти, 1994;

Рабинович и др., 2004;

Рабинович, циям «транс-зигзаг», в которые с наибольшей 2008, 2009):

вероятностью переходят при низких температу (I) При температурах выше температуры Tc рах насыщенные цепи. Такое свойство полине фазового перехода гель – жидкий кристалл насыщенной цепи может ослабить разрушитель – (а) в полиненасыщенных участках цепей ное влияние низких температур на мембранные наиболее велики, по сравнению с цепями насы структуры, поскольку при глубоком охлажде щенными:

нии возникают такие упаковки полиненасыщен (1) степень ориентационного разупорядоче ных цепей липидов с насыщенными, в которых ния простых связей C-C, соседних с двойными не возникают высокие механические напряже C=C, ния.

(2) угловые флуктуации связей C-H во всех Таким образом, свойства полиненасыщенных CH2-группах вдоль по цепи, участков цепей по сравнению с насыщенными, (3) пространственные флуктуации атомов уг моно- и диненасыщенными оказываются экс лерода двойных связей C=C, тремальными. Поэтому разумно полагать, что (4) гибкость, – как цепи в целом, так и каж и функции в биологических мембранах полине дого ее участка.

насыщенных углеводородных цепей, в том чис Очевидно, такие свойства могут способство ле и необычных, вполне могут (даже, скорее, вать поддержанию надлежащей конформацион должны) быть более специфичными. Они не ной подвижности молекул ферментов (что явля должны ограничиваться лишь задачей поддер ется важнейшим фактором для нормального их жания жидкостности системы на должном уров функционирования), если они окружены поли не. При изменении внешних условий биологиче ненасыщенными цепями. Такие свойства могут ская мембрана будет стремиться сохранить дол также обеспечить выигрыш в энергии липид жный уровень свойств, изменяя оптимальным белковых взаимодействий по всей поверхности образом (в рамках имеющихся возможностей) контакта молекул, создать надлежащие условия строение своих компонентов. Судя по экспери для согласованного взаимодействия отдельных ментальным значениям температур плавления ферментов сложных энзиматических систем;


обычных углеводородных цепей разной степени – (б) характеристики полиеновой цепи в це ненасыщенности, и молекул липидов с такими лом и каждого ее сегмента (связи) в отдельно цепями (Koynova R, Caffrey, 1998), для сущест сти являются наиболее стабильными при изме венного изменения температуры плавления нении температуры по сравнению с характери мембраны и тем самым достижения в ней долж стиками насыщенных олигомеров.

ной степени жидкостности (выше об этом уже Если аннулярный слой вокруг ферментов шла речь) достаточно, с формальной точки зре обогащен полиненасыщенными цепями, то та ния, заменить часть насыщенных углеводород- То, что специфичность роли в биомембране ных цепей в липидах цепями лишь с одной полиненасыщенных цепей, как обычных, так и и/или двумя двойными связями (или наоборот). необычно длинных, существует реально, усмат Действительно, небольшие, на первый ривается также в том, что полиненасыщенных взгляд, изменения химической структуры ли- цепи распределены в матрице мембраны не не пидных молекул с «обычными» цепями вызыва- прерывно, а локально, – преимущественно в об ют весьма ощутимый эффект в их свойствах. ластях, непосредственно примыкающих к инте Согласно экспериментальным данным, собран- гральным белкам. Если учесть перечисленные ным в работе (Koynova R, Caffrey, 1998), замена выше свойства таких цепей, то факт сосредото лишь одной простой связи C-C в одной насы- чения полиненасыщенных цепей именно в по щенной цепи липидной молекулы 18:0/18:0 ФХ добных, пограничных с белками, слоях предста на двойную C=C, т.е. переход к молекуле вляется вполне естественным и целесообраз 18:0/18:1(n-9)cis ФХ, приводит к понижению ным. Соответствующая концепция для обычных температуры плавления Tпл, соответственно, от полиненасыщенных цепей впервые была сфор мулирована в работе (Рабинович и др., 1985).

величины 54,5°C ± 1,5°C до 6,9°C ± 2,9°C. Заме Позднее появились предположения о сходной на второй простой связи на двойную, т.е. пере ход к молекуле 18:0/18:2(n-6)cis ФХ, снижает роли необычно длинных полиеновых цепей температуру Tпл до отрицательных значений – (Aveldao, 1987;

Aveldao, 1988). Однако, в ра 14,4°C ± 4,1°C (Koynova R, Caffrey, 1998). боте (Aveldao, 1988) подразумевалось, что на Но дальнейшее увеличение количества двой- личие двойных связей делает ненасыщенные це ных связей в одной из цепей липидной пи более жесткими по сравнению с насыщенны молекулы уже не приводит к понижению темпе- ми, тогда как ранее в работах (Рабинович и др., ратуры плавления Tпл. Так, в случае молекул 1985;

Рабинович и др., 1986) уже было показа 18:0/18:3(n-3)cis ФХ температура Tпл = –12,3°C но, что ситуация здесь является обратной. Более низкие барьеры внутреннего вращения вокруг ± 1,2°C (Koynova R, Caffrey, 1998), что даже вы ше, нежели у молекулы 18:0/18:2(n-6)cis ФХ. двух простых связей, примыкающих к двойной, Цепи более высокой степени ненасыщенности и и геометрические особенности последней большей длины ситуации не меняют: для (Волькенштейн, 1959;

Флори, 1971), как оказа 18:0/20:4(n-6)cis ФХ Tпл = –12,9°C ± 0,4°C. Ва- лось, приводят к тому, что вероятность изгиба риант с цепью 22:6(n-3)cis, несмотря на увели- ненасыщенной цепи оказывается больше, чем чение количества двойных связей до 6 (хотя насыщенной (Рабинович и др., 1985;

Рабинович и при одновременном увеличении длины цепи и др., 1986).

до 22), приводит к обратному эффекту: для Интерпретируем теперь приведенные выше молекул 18:0/22:6(n-3)cis ФХ температура биохимические данные работы (Robinson et al., Tпл = –3,8°C ± 1,8°C. В совокупности молекул 1990) с использованием этой концепции (в ори гинале – из работы Рабинович и др., 1985). Об 16:0/18:1(n-9)cis ФХ, 16:0/18:2(n-6)cis ФХ, …, т.е.

молекул с sn-1 цепью 16:0 вместо 18:0, закономер- ратим внимание на то, что при переходе от ности изменения температуры плавления аналоги- длинноцепочечных молекул в липидах мозга чны вышеуказанным (Koynova R, Caffrey, 1998). развивающихся животных к цепям липидов моз Итак, осуществить основные гомеовязкост- га взрослых животных изменения в их структу ные функции в мембране могли бы насыщен- ре оказались минимальными. А именно, лишь ные, мононенасыщенные и диненасыщенные уменьшилось на единицу количество двойных цепи 16:0, 18:0, 18:1(n-9)cis, 18:2(n-6)cis, эти же связей, хотя оно все равно осталось большим:

цепи могут являться основным строительным речь идет о необычных полиеновых цепях с не материалом биомембраны. С точки зрения фор- менее чем четырьмя двойными связями. Функ мальной логики, цепей с более высокой степе- ционирование ферментов развивающихся осо нью ненасыщенности для поддержания в мемб- бей, очевидно, происходит более интенсивно, ране должного уровня жидкостности не требу- чем взрослых, что требует более высокой стаби ется. Безусловно, этот вывод можно перенести и лизации условий в аннулярных липидных слоях, на более длинные цепи ЖК, обсуждаемые в на- т.е. более высокой степени ненасыщенности стоящей работе. Вместе с тем в мембранах есть участков углеводородных цепей, непосредст большое количество полиненасыщенных цепей, венно примыкающих к ферментам. В итоге поя так что основная роль их, согласно той же логи- вились пента- и гексаеновые цепи ЖК вместо ке, должна быть более специфичной. тетра- и пентаеновых (Robinson et al., 1990).

новению длинных ЖК цепей с близкими свойст С другой стороны, соответствующие фермен вами (эти пары вариантов приведены в табл. 1).

ты, по-видимому, обладают размерами, достато чно протяженными вдоль нормали к поверхно- Этот факт является благоприятным, он позволя сти мембраны. В условиях, когда требуется соз- ет эффективно достигать необходимого количе дать стабильный аннулярный слой на бльшую, ства полиненасыщенных цепей с искомыми чем обычно, глубину, и может включиться ме- свойствами (хотя это количество невелико, та ханизм «удлинения» цепей. Действительно, в кие цепи составляют всего ~1–5% от общей обычных условиях роль стабилизатора могут суммы ЖК), поскольку потребность в них мо играть такие цепи, как 20:4(n-6)cis, 22:5(n-6)cis, жет быть восполнена не на одном, а на несколь 22:6(n-3)cis, входящие в молекулы ФХ в sn-2- ких биохимических путях. Возможен также ва положениях, тогда как sn-1-положения могут риант их синтеза универсальной элонгазой, не быть традиционно заняты насыщенными цепя- различающей положений (n-3) и (n-6). Посколь ми 18:0 и 16:0. Для ферментов с более протя- ку размеры ферментов разного типа должны женными размерами такие цепи, как 22:6(n-3)cis различаться, требуется целая совокупность спе уже не могут обеспечить стабилизацию условий цифических полиеновых цепей в определенном диапазоне длин N (в данном случае 24 N 38).

на должную глубину. Поэтому помимо таких полиненасыщенных цепей, расположенных в sn- В свете обсуждаемой концепции можно ин 2-положениях, возникают в sn-1-положениях терпретировать и ряд других эксперименталь «длинноцепочечные» ацилы (n-6) и (n-3), завер- ных биохимических данных, – например, цити шающий полинасыщенный участок которых рованной выше работы (Poulos et al., 1988), сог обеспечивает надлежащее удлинение области ласно которой в тканях мозга при его нормаль стабильных условий в аннулярных липидных ном состоянии выявлены тетра- и пентаеновые слоях встроенных в мембрану ферментов. ЖК цепи, тогда как при недостатке пероксисом Косвенно это подтверждается количествен- (т.е. при наличии болезни Цельвегера) – пента ными данными (Рабинович, Рипатти, 1990;

и гексаеновые. По-видимому, пента- и гексаено Rabinovich, Ripatti, 1991): максимально вытяну- вые цепи были необходимы на стадии формиро тая насыщенная цепь 18:0 (в транс-конформа- вания мозга, когда ферментные системы разви ции) и полиненасыщенная цепь 22:6(n-3)cis в вают высокую активность и окружающие (анну вытянутой «уголковообразной» конформации лярные) липидные слои призваны поддерживать имеют примерно одинаковую длину: 2,163 нм высокую стабильность условий, и потому нужна для 18:0, и 2,184 нм для 22:6(n-3)cis (Рабинович, бльшая степень ненасыщенности цепей. В Рипатти, 1990;

Rabinovich, Ripatti, 1991). Поэто- дальнейшем, при нормальном состоянии мозга, му цепь 22:6(n-3)cis из sn-2-положения и поли- необычные длинные гексаеновые цепи были бы ненасыщенный участок длинноцепочечного в пероксисомах превращены в обычные гексае ацила из sn-1-положения (если насыщенный новые цепи (например, 22:6(n-3)cis), поскольку фрагмент sn-1-цепи содержит ~15–18 атомов уг- на этом этапе для нормального функционирова лерода) следуют вдоль нормали к поверхности ния совокупности белков, по-видимому, необхо мембраны непосредственно друг за другом. В димо окружение из менее ненасыщенных не итоге они образуют на границе с мембрановст- обычных цепей, – тетра- и пентаеновых, кото роенным ферментом единую протяженную об- рые и синтезируются. В том же случае, когда ласть с полиненасыщенными цепями. возникает болезнь Цельвегера (недостаток перо Далее, синтез «длинноцепочечных» полине- ксисом), процесс замены цепей нарушается или насыщенных ЖК компонентов липидов проис- отсутствует совсем, вследствие чего гексаено ходит с помощью элонгаз (см., напр., обзор вые цепи не преобразуются, остаются в нали Leonard et al., 2004). Имеются данные о том, что чии, что и объясняет данные работы (Poulos et существует множество энзимов, удлиняющих al., 1988).

цепь, являющихся специфичными для ЖК раз- Необходимо затронуть и другой аспект. А ной длины и степени ненасыщенности (Luthria, именно, в биомембранах могут быть использо Sprecher, 1997). Поэтому синтез необходимых ваны свойства отдельных участков длинноце цепей может производить как (n-6)-элонгаза, – почечных молекул. Действительно, каждая из из цепей 20:4(n-6)cis, 22:5(n-6)cis, так и (n-3)- них содержит два протяженных фрагмента цепи элонгаза, – из цепи 22:6(n-3)cis. Как следует из с разными свойствами, – насыщенный и полине проведенных здесь расчетов, приемлемыми ока- насыщенный (по сути они являются своего рода зываются оба варианта, они приводят к возник- олигомерными аналогами блоксополимеров).

Предположим, что такие необычные цепи все- Итак, обсуждавшаяся выше концепция о ло таки не связаны с интегральными белками, а кализации молекул липидов с необычными присутствуют в липидной матрице наряду с длинными цепями в специальных областях, – обычными цепями. Тогда возникает вопрос о пограничных слоях с мембраносвязанными возможности формирования стабильного липид- включениями, белками, представляется более ного бислоя, как такового, т.е. о способе разме- реалистичной, чем локализация необычных ли щения в бислое необычных длинных цепей. пидных молекул в произвольных местах мемб «Выступающим» из монослоя фрагментом та- раны. В пользу этой концепции свидетельствует ких цепей был бы соответствующий полинена- также то, что положение длинных полиненасы сыщенный фрагмент, поскольку длина N перво- щенных цепей в липидной молекуле является начальных насыщенных участков (вплоть до необычным (sn-1), и тот факт, что еще одна по 22:0) длинных цепей отвечает длине цепи обыч- линенасыщенная цепь имеется в положении sn ных липидов. Размеры цепей в таких участках 2 той же липидной молекулы (Robinson et al., согласуются со средней толщиной липидного 1990;

Aveldao, 1987;

Aveldao, Sprecher, 1987).

монослоя. Концевой полиненасыщенный фраг мент необычной длинной цепи ЖК должен либо Заключение проникнуть в противоположный монослой бис В липид-белковых взаимодействиях сущест лоя, либо за счет изгиба вернуться в исходный венное значение имеет не только тип липидных монослой.

молекул и их углеводородных цепей, но и стру Для оценки ситуации нужно знать, сколько ктура конкретных белков, и для более деталь раз цепь полиненасыщенного участка может ной интерпретации огромного разнообразия си «сложиться сама на себя». Для этого в настоя туаций в биологических мембранах требуются щей работе и были вычислены величины пер дальнейшие исследования. Вместе с тем важно систентных длин a таких участков. В диапазо подчеркнуть, что существенную роль в выра не длин N = 24–38 молекулы типа N:4(n-3)cis ботке и обосновании уже предложенных идей можно условно представить суммой насыщен сыграли данные о свойствах липидных цепей, ных олигомеров от 10:0 до 24:0 и полиненасы первоначально полученные именно теоретичес щенного фрагмента 15:4(n-3)cis;

молекулы ки, методом компьютерного эксперимента.

N:5(n-3)cis – суммой аналогичных насыщен Полученные методом статистических испыта ных олигомеров и фрагмента 18:5(n-3)cis;

мо ний (МК) выводы о том, что гибкость полинена лекулы N:6(n-3)cis – суммой насыщенных оли сыщенных цепей с метиленпрерывающимися гомеров и фрагмента 21:6(n-3)cis, и т.д.

двойными связями cis значительно выше, чем та Расчет, проведенный для фрагмента 15:4(n ковая насыщенных цепей (Рабинович и др., 1985;

3)cis, показал, что его контурная длина L при Дашевский, Рабинович, 1986;

Рабинович и др., мерно в 3,9 раза больше его персистентной 1986;

Рабинович, Рипатти, 1990, 1990а;

длины a. Аналогично, расчет показал, что от Rabinovich, Ripatti, 1991, 1991а), были дополнены ношение L/a = 5,1 для фрагмента 18:5(n-3)cis и расчетами других свойств ненасыщенных цепей L/a = 6,2 для фрагмента 21:6(n-3)cis. Величина методом МК (Rabinovich, Ripatti, 2001, 2002;

Ра сегмента Куна, т.е. величина связи эквивалент бинович, Рипатти, 1999, 1999а, 2000, 2000а, 2002;

ной свободно-сочлененной цепи, примерно в Рабинович, 2008, 2009) и методом молекулярной раза больше персистентной длины (Флори, динамики (Балабаев и др., 1994, 1994а;

Rabinovich 1971). Следовательно, сегментов Куна в рас et al., 2002;

Рабинович и др., 2002;

Rabinovich et смотренных нами полиненасыщенных фраг al., 2003;

Leermakers et al., 2003;

Рабинович и др., ментах 15:4(n-3)cis, 18:5(n-3)cis, 21:6(n-3)cis 2004;

Рабинович, 2009). Эти выводы уже подтвер содержится всего ~2, ~2,5 или ~3, соответст ждены разными исследовательскими группами венно. Близкие значения получены и для дру (Everts, Davis, 2000;

Saiz, Klein, 2001, 2001а;

гих фрагментов. Это означает, что, в зависимо Petrache et al., 2001;

Feller S.E. et al., 2002;

Huber et сти от длины фрагмента, он может сложиться al., 2002;

Eldho et al., 2003;

Soubias, Gawrisch, всего в 2–3 раза. При этом очевидно, что в ито 2007), которыми были использованы методы фи ге значительная часть цепи таких полиненасы зического эксперимента, квантовохимические рас щенных фрагментов (~7 атомов углерода) оста четы и молекулярно-динамическое моделирова валась бы вне исходного монослоя, что вноси ние. Представления, развиваемые авторами работ ло бы значительное возмущение в структуру (Рабинович и др., 1985;

Дашевский, Рабинович, мембраны.

щей работе, позволяют достигнуть определен 1986;

Рабинович и др., 1986;

Рабинович, Рипатти, ного понимания взаимосвязей «структура – 1990, 1990а;

Rabinovich, Ripatti, 1991, 1991а;

Раби свойства – функции» для еще более широкого нович, Рипатти, 1994;

Рабинович и др., 2004а;

Ра бинович, 2008, 2009), оказались конструктивными класса цепей ЖК.

и для трактовки результатов некоторых других биохимических исследований (см., напр., Работа поддержана РФФИ (проект 10-03 Shulman, Love, 1999;

Jstensen, 1998). 00201а), программой Президента РФ «Ведущие Данные о свойствах необычных полиненасы- научные школы» НШ-3731.2010.4 и Swedish щенных липидных цепей, полученные в настоя- Institute Visby programme 00961/2008, 00675/2009.

Литература Балабаев Н. К., Рабинович А. Л., Рипатти П. О., рования для исследования полимеров и биополимеров.

1994. О кинетической гибкости докозагексаеновой це- Отв. ред. В. А. Иванов, А. Л. Рабинович, А. Р. Хохлов.– пи с метиленпрерывающимися двойными цис-связями М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ». – С. 63–119.

// Журн. физ. химии. – Т. 68. – № 2. – С. 376–377. Рабинович А. Л., Рипатти П. О., 1990. Равновес Балабаев Н. К., Рабинович А. Л., Рипатти П. О., ная гибкость природных углеводородных цепей // 1994а. Моделирование динамики полиненасыщен- Биофизика. – Т. 35. – Вып. 5. – С. 775–778.

ных липидов биологических мембран // Биофизика. – Рабинович А. Л., Рипатти П. О., 1990а. О конфор мационных свойствах и функциях докозагексаеновой Т. 39. – Вып. 2. – С. 312–322.

Бирштейн Т. М., Птицын О. Б., 1964. Конформа- кислоты // Доклады АН СССР. – Т. 314. – № 3. – ции макромолекул. М.: Наука.–392 с. С. 752–756.

Волькенштейн М. В., 1959. Конфигурационная Рабинович А. Л., Рипатти П. О., 1994. Полинена статистика полимерных цепей. М.;

Л.: Изд-во АН сыщенные углеводородные цепи липидов: структура, СССР. – 466 с. свойства, функции // Успехи совр. биологии. – Готлиб Ю. Я., Даринский А. А., Светлов Ю. Е., Т. 114. – № 5. – С. 581–594.

1986. Физическая кинетика макромолекул. Л.: Хи- Рабинович А. Л., Рипатти П. О., 1999. О внутри мия. – 272 с. молекулярном упорядочении связей в цис Гросберг А. Ю., Хохлов А. Р., 1989. Статистичес- 4,7,10,13,16,19-докозагексаеновой цепи // Доклады кая физика макромолекул. М.: Наука. – 344 с. Академии Наук. – Т. 364. – № 2. – С. 264–267.

Дашевский В. Г., 1987. Конформационный анализ Рабинович А. Л., Рипатти П. О., 1999а. Исследо макромолекул. М.: Наука. – 285 с. вание на ЭВМ внутримолекулярного упорядочения Дашевский В. Г., Рабинович А. Л., 1983. Конфор- связей: ненасыщенные цепи природных липидов // мационный анализ полиненасыщенных макромоле- Биол. мембраны. – Т. 16. – № 5. – С. 563–576.

кул в растворе. Континуум-модель // Высокомолек. Рабинович А. Л., Рипатти П. О., 2000. Компьютер соед. А. – Т. 25. – № 3. – С. 544–550. ное исследование внутримолекулярной упорядочен Дашевский В. Г., Рабинович А. Л., 1986. О равно- ности в октадекатриеновых цепях с цис-двойными весной гибкости цепей полиметилена. Континуум- связями // Биофизика. – Т. 45. – Вып. 5. – С. 816–822.

модель // Высокомолек. соед. А. – Т. 28. – № 6. – Рабинович А. Л., Рипатти П. О., 2000а. Полинена С. 1204–1210. сыщенные углеводородные цепи: изучение на ЭВМ Рабинович А. Л., 2008. Температурная зависи- характеристик внутримолекулярной упорядоченности мость конформационных свойств олигомерных це- связей // Биофизика. – Т. 45. – Вып. 5. – С. 823–830.

пей природных липидов: компьютерное моделирова- Рабинович А. Л., Рипатти П. О., 2002. Изучение ние // Биофизика. – Т. 53. – Вып. 3. – С. 426–433. свойств углеводородных олигомеров методом Мон Рабинович А. Л., 2009. Цепные молекулы как ком- те-Карло // Журн. физ. химии. – Т. 76. – № 11. – поненты мембранных систем: компьютерное модели- С. 1997–2001.

рование // Методы компьютерного моделирования для Рабинович А. Л., Рипатти П. О., Балабаев Н. К., 2002. Молекулярная динамика липидных бислоев:

исследования полимеров и биополимеров. Отв. ред.

В. А. Иванов, А. Л. Рабинович, А. Р. Хохлов.– М.: флуктуационные свойства углеводородных цепей // Книжный дом «ЛИБРОКОМ». – С. 409–454. Журн. физ. химии. – Т. 76. – № 11. – С. 2007–2011.



Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 14 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.