تحقیق بيوشيمي عمومي لیپیدها

غشاء سلولي؛ ساختمان، شكل گيري و عملكرد

غشاءهاي سلولي حالتي غليظ و چسبناك داشته، و در عين حال همانند پلاستيك ها مقاوم بوده و استحكام دارند. غشاءهاي پلاسمائي فضاهايي بسته پيرامون پروتوپلاسم سلولي تشكيل مي دهند و سلولها را از يكديگر جدا مي نمايند. قابليت نفوذ غشاهاي پلاسمائي انتخابي است بدين معني كه همانند سدي عمل نموده و اختلافات موجود، بين تركيب داخل و خارج سلولي را حفظ مي نمايند، اين نفوذپذيري انتخابي در مورد يون ها و سوبستراهاي مختلف به كمك كانال ها و پمپ هاي شيميائي و براي پيام ها (هومون ها) توسط پذيرنده هاي خاصي انجام مي پذيرد.

غشاهاي پلاسمائي قادرند به كمك پديده هاي برون ريزي (Exocytosis) و درون ريزي (Emdocytosis) تبادلاتي با محيط خارج سلولي برقرار نمايند، علاوه بر اين در ساختمان غشاها مناطق خاصي بنام انشعاب هاي شكافي
(Gap junctions) وجود دارد كه امكان برخي تبادلات با سلولهاي همجوار را فراهم مي سازد.

در داخل سلول نيز غشاءها اندامك هاي داخل سلولي را تشكيل مي دهند كه داراي اشكال و وظايف كاملاً متمايزي مي باشند؛ مانند ميتوكندريها، تورينه هاي درون پلاسمائي، و دستگاه گلژي، شبكه ساركوپلاسمي، گرانول هاي ترشحي، ليزوزومها و غشاهاي هسته اي. غشاها مي توانند آنزيم هائي را در مكان هائي خاص در خود جاي داده و همچنين مي توانند به عنوان جزئي لازم و مكمل در جفت شدن پديده تحريك – پاسخ (Excitation-Response coupling)  شركت نموده و نيز جايگاهي براي جابجا شدن انرژي در واكنش هائي مانند فتوسنتز و فسفوريلاسيون اكسيداتيو فراهم نمايند.

اهميت زيست پزشكي

بروز هرگونه تغييرات مهم در ساختمان غشاء را مي توان بر تعادل آب و يونها، سرعت انتقال يونها به داخل سلول و از آنجا بر كليه اعمال سلولي اثر بگذارد.

برخي تغييرات و يا اختلالات در ساختمان غشاء امكان دارد به بروز بيماريهاي مختلف منجر شود (جدول 5-15)، به بياني ديگر، عملكرد طبيعي سلول را بسته به سالم بودن غشاء سلول است.

اهميت فضاهاي داخل و خارج سلولي

حيات اوليه در محيطي آبي آغاز شده، واكنش هاي آنزيمي، فرآيندهاي سلولي در اندامك هاي داخل  سلولي همگي در محيط هاي آبي تكامل يافته و عمل مي كنند در صورتيكه امروزه اكثر پستانداران در محيطي گازي (هوا) زندگي مي كنند، پس چگونه از حالت آبي اوليه سلول محافظت شده است؟

غشاءهاي سلولي با وارد كردن آب بداخل بدن و تقسيم آن در فضاهاي مختلف، محيط آبي مناسب را براي سلول فراهم ساخته اند؛

حدود 60 درصد وزن بدن (بدون چربي) را آب تشكيل مي دهد و اين آب در دو بخش يا فضا تقسيم شده است.

1-فضاهاي داخل سلولي –  آب بدن در فضاهاي داخل سلولي است، اين آب محيط و شرايط لازم را براي انجام فعاليت هاي زير فراهم مي سازد:

الف- توليد، ذخيره و مصرف انرژي

ب-خودترميمي سلول

ج-همانندسازي

د-انجام وظايف خاص در هر نوع سلول

2-فضاهاي خارج سلولي – اين فضا حاوي  آب بدن است و اين آب در دو بخش؛ پلاسما و فضاهاي بين سلولي تقسيم شده است.

فضاي خارج سلولي در واقع نوعي دستگاه توزيع كننده مواد مورد نياز سلول است. بدين معني كه تركيبات غذايي (گلوكز، اسيدهاي چرب و اسيدهاي آمينه)، يونهاي مختلف و عناصر معدني و نيز انواع ملكولهاي تنظيم كننده، مانند هورمونها را به سلول مي رساند، علاوه بر اين مايع فضاي خارج سلولي CO₂، مواد زائد و مواد سمي را از محيط پيرامون سلول دور مي كند.

تركيب يوني مايعات داخل و خارج سلولي

تركيب يوني مايعات داخل و خارج سلولي بسيار متفاوت است (جدول 1-15)؛ پتاسيم (K⁺) و منيزيم (Mg²⁺) مهمترين كاتيون و فسفات مهمترين آنيون داخل سلولي است، در حاليكه در مايع خارج سلولي سديم (Na⁺) و كلسيم (Ca²⁺) كاتيونهاي اصلي و كلر (Cl^–) آنيون اصلي است. شايان توجه است كه گلوكز با غلظت هاي بالاتري در مايعات خارج سلولي وجود دارد، در صورتيكه غلظت پروتئين ها در داخل سلول به مراتب بيشتر از خارج سلول مي باشد، علت اين تفاوت هاي زياد چيست؟

ظاهراً اينطور به نظر مي آيد كه آب درياهاي اوليه يعني مكاني كه حيات آغاز شده است حاوي غلظت هاي بالا از يونهاي K⁺ و Mg²⁺  بوده و بنابراين د ر سير تكاملي واكنش هاي آنزيمي و ساير فرايندهاي زيستي در جهت سازش بيشتر با چنين شرايطي پيش رفته اند و در نتيجه غلظت اين يونها در داخل سلول بالا باقي مانده است، اما از آنجائيكه تركيب آب درياها – به تدريج تغيير كرد و غلظت يونهاي Na⁺ و Ca²⁺ افزايش يافت، سلولها شديداً تحت فشار اصل انتخاب قرار گرفته كه نيازمند تغييرات گسترده و تكامل در جهت كسب مكانيسم هاي كاملاً متفاوت بيوشيمي و فيزيولوژي بود، اما سلول ها به جاي پذيرفتن اينگونه تغييرات گسترده و دگرگوني بنياني واكنش هاي بيوشيمي فقط سدهايي را ايجاد كردند (غشاءها و پمپ هاي شيميايي) تا بدين ترتيب از فضاي كوچك داخلي خود محافظت كرده باشند.

جدول 1-15-مقايسه غلظت متوسط ملكولهاي مختلف در داخل و خارج سلولهاي پستانداران

ساختمان پيچيده غشاءها

در ساختمان پيچيدة غشاها، ايپيدها، پروتئين ها و كربوهيدراتها شركت دارند. نسبت پروتئين‌ها به ليپيدها در غشاهاي مختلف داخل سلولي و مابين سلولي متفاوت است (شكل 1-15) و به جز چند استثناء، در اكثر غشاءها مقدار پروتئيبن ها برابر و يا بيشتر از ليپيدها است كه البته با توجه به اعمال و وظايف متنوع غشاءها، اينگونه تفاوت ها در تركيب آنها دور از انتظار نيست. غشاءهاي ساختماني ورقه مانند، بسته و غيرمتقارن دارند و داراي دو سطح داخلي و خارجي مي باشند. اين ساختمان ورقه مانند در واقع مجتمع هاي غير كووالانسي مي باشند كه از نظر ترموديناميك پايدار و از نظر متابوليسمي فعال اند. علاوه بر اين در ساختمان غشاءهاي ملكولهاي پروتئين خاصي قلاب وار به غشاء متصل شده و هر يك در انجام اعمال اختصاصي سلول يا اندامك خاص شركت مي نمايند.

ليپيدهاي اصلي در ساختمان غشاءها

ليپيدهاي اصلي عبارتند از: فسفوليپيدها – گليكواسفنگو ليپيدها – كلسترول

1-فسفوليپيدها:

از دو گروه فسفوليپيدهاي موجود در ساختمان غشاءها، فسفوگليسيريدها فراوان تر مي باشند. اين فسفوليپيدها تشكيل يافته اند از يك ريشه گليسرول كه دو اسيد چرب توسط پيوندهاي استري و يك الكل فسفريله به آن متصل شده اند. (شكل 2-15)

شكل 2-15 يك فسفوگليسريد با دو اسيد چرب (R₂,R₁) گليسرول و الكل فسفوريله. در اسيد فسفاتيد يك (R₃=H)

اسيدهاي چرب اين فسفوليپيدها معمولاً داراي تعداد كربن زوج (16 يا 18) و بدون شاخه هاي انشعابي بوده و ممكن است اشباع يا غير اشباعي باشند.

اسيد فسفاتيديك (1 و 2 دي اسيل گليسرول 3- فسفات) ساده ترين فسفوگلسريدها است كه نقش كليدي در سنتز ساير فسفوليپيدها بر عهده  دارد. در ساير فسفوليپيدها ريشة

3-فسفات توسط الكل هائي مانند اتانل آمين، كلين، سرين، گليسرول و يا اينوزيتول استري شده اند.

اسفنگوميلين ها دومين گروه فسفوليپيدهاي موجود در ساختمان غشاءهاي سلولي محسوب مي شوند و در آنها به جاي ريشة گليسرول (در فسفوگليسريدها) يك ريشه اسفنگوزين قرار گرفته و يك اسيد چرب نيز با پيوند آميدي به عامل آمين انفنگوزين اتصال يافته است. عامل هيدروكسيل نوع اول انفنگوزين نيز توسط ملكول فسفوريل كلين استري شده است. همانطور كه از نام اين گروه فسفوليبيدها مشهود است (اسفنگوميلين)، اين فسفوليپيدها به مقدار زياد در غلاف هاي ميلين فيبرهاي عصبي وجود دارند.

2-گليكو اسفنگوليپيدها:

اين گروه ليپيدها نيز از اسفنگوزين مشتق مي شوند با اين تفاوت كه در ساختمان آنها يك يا چند مولكول قند نيز شركت دارد؛ مانند سربروزيدها و كانگليوزيدها. اختلاف اين تركيبات با اسفنگوميلين در نوع گروه شيميايي است كه برروي هيدروكسيل نوع اول اسفنگوزين قرار مي گيرد در اسفنگوميلين ها يك مولكول فسفوريل كلين برروي عامل هيدروكسيل قرار گرفته در صورتيكه در سربروزيدها يك ملكول هگزور (گلوكز يا كالاكتوز) و در گانگليوزيدها يك زنجيره سه يا چند قندي كه دست كم يكي از آنها اسيد سياليك مي باشد برروي عامل هيدروكسيل اسفنگوزين قرار مي گيرد.

3-كلسترول:

از بين استرول هاي مختلف، كلسترول فراوانترين استرول در ساختمان غشاهاي سلولي است و انحصاراً در غشاءهاي پلاسمائي سلولهاي پستانداران وجود دارد اما، احتمال دارد به مقادير كم در ميتوكندري هاي دستگاه گلژي و غشاء هسته اي نيز يافت شود.

از غشاء پلاسماني، مولكول هاي كلسترول بيشتر در لايه هاي خارجي غشا يافت مي شوند، در اين لايه ها مولكولهاي كلسترول طوري در لابلاي ملكولهاي فسفوليپيدي فرو رفته اند كه عامل هيدروكسيل آنها به طرف فصل مشترك آبي و مابقي ملكول در داخل ورقه هاي غشاء قرار گرفته اند و بدينترتيب است كه ملكولهاي كلسترول نقش مهمي در سيال بودن غشاء بر عهده دارند كه بعداً مورد بحث قرار خواهيم داد.

خواص آمفي پاتيك ليپيدهاي غشاء

تمام ليپيدهاي اصلي غشاء تؤماً داراي مناطق هيدروفوب و هيدروفيل هستند و بنابراين غشاءها نيز داراي خواص آمفي پاتيك مي باشند. اگر مناطق هيدروفوب را از ملكول ليپيدها جدا كنيم، باقيمانده ملكول نامحلول در آب ولي محلول در روغن خواهد بود و در جهت معكوس نيز اگر مناطق هيدروفيل را در مولكول ليپيد جدا كنيم باقيمانده مولكول در روغن ها نامحلول ولي محلول در آب خواهد بود ليپيدهاي آمفي پاتيك غشاءها داراي گروههاي قطبي در ناحيه سر و گروههاي غير قطبي در ناحيه دم مي باشند. (شكل 32-15)

شكل 3-15: تصويري فرضي از يك فسفوليپيد و يا ساير ليپيدهاي غشاء

1-گروه سرقطبي و هيدروفيل و هيدروكربنهاي دم، هيدروفوب

2-در قسمت دم اسيدهاي چرب اشباعي (S) و يا غير اشباعي (U)

3-معمولاً اشباعي ها به كربن1و غيراشباعي‌ها به كربن2 گليسرول متصل مي‌شوند

اسيدهاي چرب اشباعي (S) بسبب راحت بودن دم ها و اسيدهاي چرب غير اشباعي (U)، كه معمولاً در غشاء به حالت سيس مي باشند، باعث تاب دار شدن دم ها مي گردند. هرچه دم ها بيشتر تاب دار باشند تراكم و فشردگي غشاء كمتر و غشاء سيال تر خواهد بود. اترژنت ها ملكولهاي آمفي پاتيك هستند و ساختمان ملكولي آنها بي شباهت به فسفوليپيدها نيست، از همين رو است كه از برخي دترژنها براي جدا كردن پروتئين ها از غشاء و بمنظور حل كردن پروتئين استفاده مي شود. در اين عمل انتهاي هيدروفوب دترژن با مناطق هيدروفوب پروتئين ها پيوند يافته و جانشين بيشتر پيوندهاي ليپيدي مي گردد و سپس انتهاي قطبي و آزاد دترژن پروتئين ها را به شكل كمپلكس دترژن – پروتئين كه محلول است – درمي آورد.

ساختمان دولايه اي ليپيدها در غشاء

با توجه به خاصيت آمفي پاتيك فسفوليپيدها اينطور بنظر مي ايد كه مناطق مختلف ملكول (هيدروفيل و هيدروفوب) از نظر حلاليّت با يكديگر سازگار نمي‌باشند، اما فسفوليپيدها در حلاّلي مانند آب و در وضعيتي قرار مي گيرند كه از نظر ترموديناميك براي هر دو منطقه ملكول قابل قبول مي باشد.

ميسل ها كه ساختماني كروي دارند يكي از اين وضعيت ها محسوب مي شوند. (شكل 4-15)

شكل 4-15 تصويري فرضي از يك مقطع ميسل

گروه سر قطبي در آب فرو رفته در حاليكه دم هاي هيدروكربن هيدروفوب توسط ساير هيدروكربن ها احاطه شده و آنها را از آب محافظت مي كند.

در ميسل هاي مناطق هيدروفيل قطبي (در ناحيه سر) در تماس با آب قرار دارند در حاليكه هيدروكربن هاي هيدروفوب (ناحيه دم) در مركز ميسل قرار گرفته و توسط ساير هيدروكربن ها پوشانده شده اند.

لايه هاي دو ملكولي و يا دو لايه اي‌ها (BILAYERS) وضعيت ديگري هستند كه مي توانند پاسخگوي خواص ترموديناميك ملكولهاي آمفي پاتيك در محيط آبي باشند. دولايه‌ائي‌هاي مصالح كليدي در غشاء مي باشند؛ يك دو لايه همانند ورقه اي است كه در آن مناطق هيدروفوب فسفوليپيد (دم‌ها) از محيط آبي دور نگهداشته شده اند در صورتيكه مناطق هيدروفيل (سر) در آب فرو رفته اند (شكل 5-15)

تحقیق بيوشيمي عمومي لیپیدها