Липиды 10 класс биология: Липиды и их роль в жизнедеятельности клетки. Видеоурок. Биология 10 Класс

Липиды

Название «липиды» произошло от греческого слова (lipos) липос — жир.

Липиды — это обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества.

Рассмотрим строение липидов

Липиды не имеют единой химической характеристики. Их можно условно разделить на простые и сложные.

Основную часть простых липидов составляют триглицериды. В большинстве своём они представлены сложными эфирами высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина.

Сложные эфиры глицерина и органических кислот с большим числом углеродных атомов ─ это и есть собственно жиры, поэтому и кислоты, входящие в их состав, называют жирными.

Жирные кислоты имеют одинаковую для всех кислот группировку — карбоксильную группу (–СООН) и радикал, которым они отличаются друг от друга.

Радикал представляет собой цепочку из различного количества (от 14 до 22) группировок –СН2– .

Жирные кислоты, входящие в состав жиров, в зависимости от наличия двойных связей, подразделяют на насыщенные и ненасыщенные.

Ненасыщенной жирная кислота называется, когда в её составе содержится одна или несколько двойных связей.

Если жирная кислота не имеет двойных связей, её называют насыщенной. Насыщенные жирные кислоты чаще всего содержатся в составе животных жиров.

Ненасыщенные жирные кислоты ─ в составе растительных жиров.

Классификация жиров

Все жиры делят по происхождению и по агрегатному состоянию.

По происхождению жиры подразделяют на животные, растительные и переработанные.

По агрегатному состоянию: твёрдые, жидкие и полужидкие.

Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то их называют жирами.  При температуре 20°С они — твёрдые; Твёрдые жиры характерны для животных клеток.

Если в триглицеридах преобладают ненасыщенные жирные кислоты, их называют маслами. При 20 С  они — жидкие. Масла характерны для растительных клеток.

К простым липидам также относят воски — сложные эфиры высших жирных кислот и высокомолекулярных спиртов.

Воски покрывают кожу, шерсть, перья животных, смягчая их и предохраняя от воздействия воды. Восковой защитный слой покрывает также стебель, листья и плоды многих растений.

Сложные липиды

Они состоят — из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов.

К сложным липидам относят фосфолипиды, гликолипиды,

липопротеины, липоиды и др.

Фосфолипиды — триглицериды, у которых один остаток жирной кислоты замещён на остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды являются составными компонентами клеточных мембран.

Гликолипиды — комплексные вещества, образующиеся в результате соединения углеводов и липидов.

Липопротеины — комплексные вещества, образующиеся в результате соединения липидов и белков.

Липоиды — жироподобные вещества, к которым относятся каротиноиды (фотосинтетические пигменты), стероидные гормоны (половые гормоны), гиббереллины (ростовые вещества растений), жирорастворимые витамины (А, D, Е, К), холестерин и т. д.

Физико-химические свойства липидов объясняют их биологические функции. В состав молекул липидов входят атомы углерода, водорода и кислород. Атомы углерода образуют длинные углеводородные цепи.

Карбоксильная группа жирных кислот ионизирована и способна образовывать водородные связи. Однако по мере увеличения длины углеводородной цепи растворимость жирных кислот заметно снижается. Жирные кислоты, содержащие в цепи более 10 углеродных атомов, практически нерастворимы в воде.

Наиболее общим свойством всех липидов является хорошая растворимость в органических растворителях (бензине, хлороформе, эфире и др.)

В организм липиды попадают двумя способами — с пищей и вырабатываются в печени.

Излюбленный многими пищевой продукт – шоколад, на 50 г которого приходится 12 г жира.

Из бобов дерева какао получают какао-масло ─ жирное масло бледно-жёлтого цвета со слабым ароматным запахом какао. В бобах содержится до 50% какао-масла.

Какао-бобы были завезены испанцами в Европу из Мексики в 16 веке. Благодаря содержанию тристеарина какао-масло имеет твёрдую консистенцию при комнатной температуре. Плавится шоколад при температуре 30─34 °С. В состав какао-масла входят также глицериды олеиновой и линолевой кислот (до 40 %).

Какао масло применяется для приготовления лечебных свечей, мазей, губной помады, а также в кондитерской промышленности для изготовления шоколада.

Печень играет ключевую роль в метаболизме жирных кислот, однако некоторые из них она синтезировать не способна.

Поэтому они называются незаменимыми, к таким относятся ω-3 (омега-три) и ω-6 (омега-шесть) полиненасыщенные жирные кислоты.

Омега-3 и омега-6 полиненасыщенные жирные кислоты — это типы естественных ненасыщенных жиров.

Омега-3 кислоты имеют тройку в названии, потому что первая молекула с двойной связью находится на три атома углерода от омега-конца (то же самое с омега-6 жирными кислотами).

Омега-3 и омега-6 полиненасыщенные жирные кислоты необходимы человеку для работы головного мозга, памяти, внимания, психомоторной координации, речи, мышления, ориентации и других особо важных функций.

Эксперты предупреждают, что наше тело не умеет производить омега-3 и 6 жирные кислоты, так что их необходимо обязательно потреблять вместе с продуктами, которые их содержат.

Источником ω-3 и других полиненасыщенных жирных кислот являются зелёные растения (например, листья салата), рыба, чеснок, цельные злаки, свежие овощи и фрукты. Как пищевую добавку, содержащую ω-3 жирные кислоты, рекомендуется принимать рыбий жир.

Жиры могут транспортироваться по кровеносным и лимфатическим сосудам в виде эмульсии. Природной эмульсией жира в воде является молоко.

Функции липидов

Энергетическая

В организме обмен веществ характеризуется единством всех его компонентов, жиров, белков и углеводов. Они образуют между собой сложные химические соединения, служат строительным материалом друг для друга, а при их расщеплении выделяется энергия.

Жиры, на ряду с углеводами и белками, являются источником энергии, необходимой для осуществления обмена веществ, движения, мышечных сокращений, поддержания температуры тела.

Однако, наибольшая калорийность характерна для жиров. Она вдвое выше чем у белков и углеводов. При полном окислении 1 г жира выделяется около 9 ккал энергии, примерно вдвое больше, чем при окислении 1 г углеводов.

Структурная функция

Сложные липиды и белки являются главным строительным материалом клеток и мембран. Их расположение в мембране упрощённо можно представить в виде двойного слоя сложных липидов.

Молекулы сложных липидов гидрофильны с одной стороны и гидрофобны с другой. При контакте с водной средой молекулы этих липидов всегда обращены к ней гидрофильной стороной.

В водной среде такие молекулы спонтанно образуют мицеллы и бислои в результате гидрофобных взаимодействий, в таких структурах полярные головы молекул обращены наружу к водной фазе, а неполярные хвосты — внутрь, такое же размещение липидов характерно для естественных мембран.

Наличие гидрофобного слоя очень важно для выполнения мембранами их функций, поскольку он непроницаем для ионов и полярных соединений.

Простые липиды, в отличие от сложных только гидрофобны. Билепидный слой является барьером между внутренней и внешней стороной клетки.

Защитная функция

Благодаря низкой теплопроводности жиры защищают организм от холода. Особенно толстый подкожный жировой слой характерен для водных млекопитающих (китов, моржей и др.).

Поэтому жировые депо находятся не только в подкожном слое, но и вокруг жизненно важных органов.

Но в то же время у животных, обитающих в условиях жаркого климата, верблюдов например, жировые запасы откладываются на изолированных участках тела (в горбах) в качестве резервных запасов воды, так как вода — один из продуктов окисления жиров.

При расщеплении 1 грамма жира образуется 1─1,5 грамма воды.

Жиры также предохраняют организмы и от механических воздействий. Толстый слой жира защищает внутренние органы многих животных от повреждений при ударах (например, сивучи при массе до тонны, могут прыгать в воду со скал высотой 20─25 м).

Жировые отложения используются в качестве запасных источников питательных веществ.

Восковой налёт на различных частях растений препятствует излишнему испарению воды. А у животных он играет роль водоотталкивающего покрытия. 

Например, у птиц перья обладают гидрофобной поверхностью и хорошо отталкивают воду. Растения чаще запасают углеводы, однако в семенах многих растений содержание жиров также достаточно высоко.

Растительные масла добывают из семян подсолнечника, кукурузы, рапса, льна и других масличных растений.

У позвоночных имеются специализированные клетки — адипоциты из которых в основном состоит жировая ткань. Они почти полностью заполнены большой каплей жира.

У людей наибольшее количество жировой ткани находится под кожей (так называемая подкожная клетчатка), особенно в районе живота и молочных желёз.

Человеку с лёгким ожирением (15─20 кг триглицеридов) таких запасов может хватить для обеспечения себя энергией в течение месяца, в то время как всего запасного гликогена хватит не более чем на сутки.

Самые разные организмы — от диатомовых водорослей до акул — используют резервные запасы жира как средство снижения удельного веса тела и, таким образом, увеличения плавучести. Это позволяет снизить расходы энергии на удержание в толще воды.

Регуляторная функция

Многие производные липидов (например, гормоны коры надпочечников, половых желёз, витамины А, D, E) участвуют в обменных процессах, происходящих в организме.

Липиды участвуют в межклеточной и внутриклеточной сигнализации.

Опорный конспект «Липиды» | План-конспект урока по биологии (10 класс) на тему:

Слайд 1

Липиды — сложные эфиры высших карбоновых кислот и ряда спиртов Основные свойства липидов: низкомолекулярные вещества ; гидрофобные (нерастворимы в воде), но хорошо растворимы в органических растворителях (бензине, эфире, хлороформе)

Слайд 2

Важнейшие классы липидов: Жиры ( триглицериды , триацетилглицерины ) Фосфолипиды Гликолипиды Липопротеины Воски Стероиды Терпены (ростовые вещества растений — гиббереллины, эфирные масла- камфора , ментол; фотосинтетические пигменты- каротиноиды )

Слайд 3

Жиры — сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом глицерином и остатками высших карбоновых кислот

Слайд 4

Предельные (насыщенные) карбоновые кислоты : пальмитиновая С 15 Н 31 СООН, стеариновая С 17 Н 35 СООН преимущественно входят в состав животных жиров (кроме рыбьего жира) Непредельные (ненасыщенные) карбоновые кислоты : олеиновая С 17 Н 33 СООН , линолевая С 17 Н 31 СООН, линоленовая С 17 Н 29 СООН преимущественно входят в состав растительных жиров (масел)

Слайд 7

Фосфолипиды — одна из крайних цепей высших карбоновых кислот триглицерида замещена на фосфатную группу

Слайд 8

Воски — сложные эфиры одноатомных высокомолекулярных спиртов и высших карбоновых спиртов

Слайд 9

Значение воска Покрывают кожу , шерсть и перья .

Слайд 10

Защитный слой на кутикуле листьев , плодов и семян .

Слайд 11

Стероиды – вещества на основе спирта холестерола (холестерина) и не содержат высших карбоновых кислот

Слайд 12

Половые гормоны, гормоны коры надпочечников

Слайд 13

13 Функции липидов Энергетическая полное окисление 1г жиров дает 38,9 кДж энэргии. Строительная Теплоизоляционная Источник метаболической воды при расщеплении 1 г жира выделяется 1,1 г воды Защитная Регуляторная входят в состав некоторых гормонов

Слайд 14

Функции липидов (1) Основная функция липидов энергетическая. Калорийность липидов выше, чем у углеводов. В ходе расщепления 1 г жиров освобождается 38,9 кДж. Структурная. Липиды принимают участие в образовании клеточных мембран. Запасающая. Это особенно важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания.

Слайд 15

Функции липидов (2) Терморегуляторная . Жиры являются хорошими термоизоляторами вследствие плохой проводимости тепла. Они откладываются под кожей, образуя у некоторых животных толстые прослойки. Например , у китов слой подкожного жира достигает толщины 1 м. Защитно-механическая. Скапливаясь в подкожном слое, жиры защищают организм от механических воздействий.

Слайд 16

Функции липидов (3) Источник метаболический воды . Одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая вода очень важна для обитателей пустынь. Так, жир, которым заполнен горб верблюда, служит в первую очередь не источником энергии, а источником воды.

Слайд 17

Функции липидов (4) Повышение плавучести. Запасы жира повышают плавучесть водных животных . Например , благодаря подкожному жиру тело моржей весит примерно столько же, сколько вытесненная им вода.

Слайд 18

Некоторые липиды несут прямую ответственность за повышение уровня холестерина в крови . 1.Жиры , которые повышают холестерин Это насыщенные жиры, содержащиеся в мясе, сыре, сале, сливочном масле, молочных и копченых продуктах, пальмовом масле. 2. Жиры, которые мало способствуют образованию холестерина. Их содержат устрицы, яйца и птица без кожи. 3. Жиры, которые снижают холестерин. Это растительные масла: оливковое, рапсовое, подсолнечное, кукурузное и другие. Рыбий жир не играет никакой роли в холестериновом обмене веществ, но предупреждает сердечно-сосудистые заболевания. Поэтому рекомендуются следующие сорта рыбы ( наиболее жирные ): кета и семга, тунец, макрель, селедка, сардины.

Тест по биологии: Липиды, их строение и функции (Пасечник, 10 класс) — пройти тест онлайн — игра — вопросы с ответами

Мой результат

Тест онлайн

Нашли ошибку? Выделите ошибку и нажмите Ctrl+Enter

Выбрав правильный на ваш взгляд вариант ответа, жмите на кнопку «Проверить». Если хотите сразу увидеть правильные ответы, ищите под вопросами ссылку «Посмотреть правильные ответы»

1. 

В чем растворяются липиды?

2. 

Что такое нейтральные жиры?

3. 

Какое число атомов могут содержать жирные кислоты, входящие в состав липидов человеческих клеток?

4. 

Как называются жирные кислоты, в молекулах которых имеется несколько двойных связей?

5. 

Как влияет наличие двойных связей в жирных кислотах на температуру плавления липидов?

6. 

На какие составляющие расщепляются жиры под действием ферментов?

7. 

Какое количество энергии в процессе обмена веществ дает окисление жиров?

8. 

Где образуются кортикостероиды?

9. 

Из чего образуются желчные кислоты?

10. 

Какие жирорастворимые витамины относят к липидам?

Новое и Интересное на портале

Вопросы к экзамену за 10 класс

Список вопросов для экзамена по биологии для 10 класса АГ

Общая биология. Введение

1. Коренные свойства живого. Уровни изучения живых систем.

Биология клетки

1.   Основные положения клеточной теории. Отличия про- и эукариотической клетки.

2.   Химический и элементный состав живого: органогены, макро- и микроэлементы.

3.   Функции воды и других минеральных веществ в живых организмах.

4.   Липиды: классификация состав и функции. 

5.   Жирные кислоты, их классификация и номенклатура.Триглицериды и воска: химический состав и биологические функции.

6.   Структурные липиды (фосфоглицериды, сфинголипиды и гликолипиды): химический состав и биологические функции.

7.   Углеводы: моно- ди- и олигосахариды. Структура и функции в клетке

8.   Углеводы: полисахариды. Структура и функции в клетке

9.   Аминокислоты. Классификация. Функции в живых организмах

10.       Белки. Устройство пептидной связи. Механизм образования пептидной связи. Первичная структура белков. Вторичная. Факторы, определяющие определяющие вторичную структуру белка. Белковые домены.

11.       Третичная и четвертичная структура белка. Факторы определяющие образование данных структур. Фолдинг/укладка белка. Денатурация и ренатурация белка.

12.       Белки: классификация.  Функции белков. Примеры для растений, животных, бактерий.

13.       Классификация и номенклатура ферментов.Структурные особенности белков-ферментов. Функциональные компоненты ферментативных систем. Понятие активного центра. Структура и свойства активных центров ферментов.

14.       Физико-химические основы ферментативного катализа. Влияние факторов среды (температура, рН, ионная сила) на скорость ферментативных реакций. Принципы регуляции ферментативной активности.

15.       Структра и номенклатура нуклеотидов. Функции нуклеотдиов.

16.       Нуклеиновые кислоты: типы, строение и функции. 

17.       Структура ДНК. Репликация ДНК

18.       Типы, строение и функции РНК в клетке

19.       Транскрипция: процессинг РНК. 

20.       Ген, генетический код. 

21.       Синтез белка: трансляция. Структура и функции рибосом. Регуляция трансляции

22.       Регуляция экспрессии генов  эукариот и прокариот. Оперон.

23.       Пигменты. Химическое строение и функции в клетке. 

24.       Строение прокариотической клетки.

25.       Эукариотическая клетка. Строение и функции ядра, цитоплазмы и основных органоидов.

26.       Сравнительная характеристика клеток эукарит: грибов, растений и животных.

27.       Фазы клеточного цикла.

28.       Этапы и значение митоза.

29.       Этапы и значение мейоза 

30.       Метаболизм. Ассимиляция и диссимиляция. 

31.       Типы питания.

32.       Хемосинтез у прокариот. Реакции брожения. 

33.       Клеточное дыхание. Строение и функции митохондрий.

34.       Гликолиз

35.       Цикл Кребса

36.       Электрон-транспортная цепь. Синтез АТФ.

37.       Фотосинтез. Строение и функции хлоропластов. 

38.       Световая фаза. Z-схема. Синтез АТФ и восстановление НАДФ.

39.       Темновая фаза. Цикл Кальвина

40.       С4 путь. CAM-метаболизм.

Экология

1.    Экологические факторы. Определение, классификация и принципы действия.

2.    Среды жизни. Классификация, общие свойства.

3.    Популяция, определение. Плотность, рождаемость, смертность. Возрастная структура

4.    Ограниченный и неограниченный рост численности. Уравнение Ферхюльста-Пирла.

5.    Структура экосистемы. Поток энергии и круговорот вещества. Цепи и сети питания. Экологическая пирамида.

6.    Понятие о продуцентах, консументах и редуцентах. Систематическое положение и основные процессы преобразования вещества и энергии реализуемые ими.

7.    Типы экосистем и их стабильность. Первичная и вторичная продукция.

8.    Особенности функционирования искусственных экосистем.

9.    Взаимодействия организмов в экосистемах. Классификация.

10.  Взаимодействия хищник-жертва.

11.  Взаимоотношения паразит-хозяин, примеры систем из разных царств органического мира. Основные адаптации к жизни в организме хозяина.

12.  Конкуренция. Типы и механизмы конкурентных взаимоотношений. Принцип Гаузе.

13.  Особенности водной среды обитания. Положение организмов по отношению к действию основных экологических факторов в водной среде.

14.  Особенности наземно-воздушной среды обитания. Положение организмов по отношению к действию основных экологических факторов в наземно-воздушной среде.

15. Освоение растениями и животными наземно-воздушной среды.

16. Основные таксоны животных, обитающих в пресных водах. Первично- и вторичноводные животные.

17. Организмы – вредители древесных пород: основные таксоны и их биологические особенности.

Микробиология

1. Строение клетки эукариот и прокариот. Сравнительная характеристика.

2. Общая характеристика прокариот. Бактерии и археи. Строение клетки, размножение. Спорообразование.

3. Роль прокариот в природе и жизни человека. Болезнетворные бактерии.

4. Основные пути преобразования вещества и получения энергии у прокариот.

Альгология

1. Общая характеристика экологической группы водорослей (фотоавтотрофных протистов). Типы строения вегетативного тела.

2. Размножение и жизненные циклы водорослей.

3. Отдел Зеленые водоросли, общая характеристика, основные представители. Жизненный цикл Улотрикса, Ульвы и Хламидомонады.

4. Отдел Бурые водоросли, общая характеристика, основные представители. Жизненный цикл Ламинарии и Ектокарпуса.

5. Водоросли вне водных местообитаний

Микология

1. Роль грибов в природе, эволюция и строение вегетативного тела.

2. Размножение и жизненные циклы базидиальных и сумчатых грибов, основные представители.

3. Формы и эволюция плодовых тел базидиальных и сумчатых грибов.

4. Лишайники. Строение вегетативного тела, размножение, жизненные формы.

5. Экологические группы грибов

Ботаника

1. Происхождение и общая характеристика высших растений

2. Жизненный цикл высших растений. Две линии эволюции высших растений с преобладанием гаметофита и спорофита.

3. Переход от равно- к разноспоровости как важный этап эволюции высших растений.

4. Эволюция женского гаметофита у высших растений.

5. Отдел Bryophyta (Мохообразные): общая характеристика, происхождение и жиз­нен­ный цикл, роль в природе.

6. Отдел Rhyniophyta (Риниофиты). Про­исхождение. Строение основных предста­вителей. Отдел Equisetophyta (Членистостебельные, Хвощеобразные). Общая характеристика.

7. Отдел Lycopodiophyta (Плауновидные): общая характеристика.

8. Отдел Equisetophyta (Членистостебельные, Хвощеобразные): общая характеристика.

9. Отдел. Polypodiophyta (папоротникообразные). Общая характеристика.

10.Происхождение голосеменных растений (возникновение семезачатка).

11. Общая характеристика класса хвойных, основные представители, жизненный цикл сосны обыкновенной

12.Общая характеристика цветковых растений, деление на классы.

13. ABC модель закладки цветка Основные направления эволюции цветка двудольных и однодольных растений.

14.Развитие мужского гаметофита у голосеменных и цветковых растений.

15.Формы опыления, специализация к агенты опыления.

16.Видоизменение (метаморфоз) органов растений.

17.Жизненные формы цветковых растений

18.Ткани цветковых растений. Классификация, строение.

19.Плоды и семена, принципы классификации, специализация к агенту распространения.

Зоология беспозвоночных. Часть 1

1. Место царства Животные в системе живой природы.
2. Общая характеристика простейших животных (Protozoa). Простейшие как целостный организм. Кто такие «Протисты»?
3. Скелетные образования и способы локомоции простейших.
4. Питание, газообмен, выделение и осморегуляция у простейших.
5. Общая характеристика и сравнительный анализ Саркодовых (Sarcodina).
6. Общая характеристика жгутиконосцев (Mastiogophora). Euglenida как представители миксотрофных простейших.
7. Общая характеристика и основные особенности Инфузорий (Ciliophora).
8. Малярийный плазмодий: систематическое положение, жизненный цикл и значение для человека.
9. Особенности паразитических простейших, связанные с их образом жизни.
10. Теория симбиогенетического происхождения хлоропластов и митохондрий.
11. Особенности многоклеточных животных (Metazoa), их происхождение.
12. Особенности строения и функционирования губок (тип Spongia). Место губок в системе многоклеточных животных.
13. Особенности строения и функционирования пластинчатых (тип Placozoa), их место в системе многоклеточных животных.
14. Основные этапы раннего онтогенеза многоклеточных животных. Понятие зародышевого листка. Двуслойные и трехслойные животные. Способы закладки мезодермы. Первично- и вторичноротые животные.
15. Строение и жизненные циклы кишечнополостных (тип Cnidaria). Одиночные и колониальные кишечнополостные. Особенности поколения полипов и медуз, связанные с их образом жизни.
16. Основные черты строения и функционирования плоских червей (тип Plathelminthes).
17. Сосальщики (Trematoda) как паразитические плоские черви. Жизненный цикл сосальщиков.
18. Ленточные черви (Cestoda) – паразиты человека и других животных: особенности строения и жизненных циклов.
19. Общая характеристика круглых червей (тип Nematoda).
20. Общая характеристика кольчатых червей (тип Annelida). Понятие метамерии.
21. Общая характеристика членистоногих (тип Arthropoda). Основные таксоны членистоногих.
22. Внешнее строение и особенности сегментного состава тела насекомых.
23. Основные отряды насекомых с неполным и полным превращением: особенности строения, образа жизни и онтогенеза.
24. Особенности общественных насекомых на примере муравьев (отр. Перепончатокрылые, сем. Муравьи).
25. Способ локомоции, типы скелета и организация мускулатуры у многоклеточных животных.
26. Особенности паразитических многоклеточных животных, связанные с образом жизни.
27. Способы заражения хозяев паразитами. Приведите примеры соответствующих организмов с указанием их систематической принадлежности.
28. Перед Вами препарат (тотальный препарат, гистологический срез и пр.) некоторого животного. Определите его систематическое положение и охарактеризуйте основные признаки.

Презентация к уроку «Липиды» — биология, презентации

Данная разработка является презентацией к интегрированному уроку по теме «Липиды.Жиры», содержит краткую информацию по данной теме в схемах и таблицах.

Просмотр содержимого документа
«Презентация к уроку «Липиды»»

ЛИПИДЫ

ЛИПИДЫ – СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ ЖИРНЫХ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И СПИРТОВ

ЖИРЫ

ТВЕРДЫЕ

(ЖИВОТНЫЕ)

ЖИДКИЕ (РАСТИТЕЛЬНЫЕ)

(ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ)

НАСЫЩЕННЫЕ(- ) КИСЛОТЫ

НЕНАСЫЩЕННЫЕ(=) КИСЛОТЫ

ПАЛЬМИТИНОВАЯ СТЕАРИНОВАЯ

ОЛЕИНОВАЯ ЛИНОЛИНОВАЯ

— КОКОСОВОЕ И

ШОКОЛАДНОЕ

МАСЛО

— РЫБИЙ ЖИР

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИПИДОВ

ЖИРЫ (ГЛИЦЕРИН + ТРИ

ЛИПОИДЫ

(ЖИРОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА)

ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ)

ВОСКИ

ФОСФОЛИПИДЫ ГЛИЦЕРИН +

СТЕРОИДЫ

ЖИРОРАСТ-ВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ А, D , Е, К

МНОГОАТОМ- НЫЕ СПИРТЫ + ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ

2 ЖИРНЫЕ К-ТЫ

+ ФОСФОРНАЯ

КИСЛОТА

ЖЕЛЧНЫЕ КИСЛОТЫ, ПОЛОВЫЕ И

РЕГУЛЯТОРНЫЕ ГОРМОНЫ

(ГИПОФИЗА И НАДПОЧЕЧ- НИКОВ)

СОТЫ ПЧЁЛ, КУТИКУЛА РАСТЕ-НИЙ, КОЖНЫЙ ЖИР, СМАЗКА ОПЕРЕНИЯ ПТИЦ

КЛЕТОЧНЫЕ

МЕМБРАНЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИПИДОВ

1) ПРОСТЫЕ ЛИПИДЫ:

• СТЕРОИДЫ
• ВОСКА
• ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ

2) СЛОЖНЫЕ ЛИПИДЫ:

• ФОСФОЛИПИДЫ
• ГЛИКОЛИПИДЫ
• ЛИПОПРОТЕИДЫ
• ПИГМЕНТЫ

СВОЙСТВА ЛИПИДОВ

1. НЕРАСТВОРИМЫ В ВОДЕ (ГИДРОФОБНЫЕ)

! ХОРОШО РАСТВОРИМЫ В НЕПОЛЯРНЫХ

ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЯХ (БЕНЗИН,

БЕНЗОЛ, ЭФИР, АЦЕТОН, ТОЛУОЛ)

ГИДРОФОБНЫЙ ХВОСТ (ЖИРНЫЕ К-ТЫ)

ГИДРОФИЛЬНАЯ ГОЛОВКА (СПИРТ)

ВОДА

2. НИЗКАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ:

• при окислении 1 грамма жира выделяется 38,9 кДж

ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ

2. РЕЗЕРВНАЯ:

• основное запасное вещество животных,
• источник метаболистической воды (при окислении

100г жира образуется 107 мл воды)

• Крупные лиловые мешки в центре снимка — это адипоциты, клетки жировой ткани. Большую часть их объема занимают жировые капли. Однако эти клетки не просто пассивно хранят накопленные запасы: выделяемые ими гормоны играют важную роль в регуляции запасания и расходования жира, в половой функции.
• Термографический снимок показывает распределение подкожных жировых отложений. Чем ниже температура поверхности тела (темные тона), тем толще слой жира на этом участке. Отложение жира преимущественно на ягодицах называется «женским» типом ожирения, на животе и пояснице — «мужским». Считается, что ожирение по мужскому типу более опасно с точки зрения развития метаболического синдрома, но легче поддается избавлению от лишних килограммов.

ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ

3. ЗАЩИТНАЯ:

• подкожный жир
• водоотталкивающие воска

ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ

4. ТЕРМОРЕГУЛЯТОРНАЯ:

• подкожный жир

ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ

5. СТРУКТУРНАЯ:

• клеточные мембраны,
• соты

перепончатокрылых

ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ

6. РЕГУЛЯТОРНАЯ:

• Гормоны-стероиды,
• жирорастворимые витамины

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ: § 4

Опорный конспект по биологии 10 класс. Профильный класс. Тема: Углеводы, липиды

Опорный конспект 10 класс. Профильный класс.

Углеводы. Липиды.

Цель: продолжить изучать особенности строения и функции углеводов и липидов, как необходимых компонентов клеток.

Задачи: углубленно изучить особенности строения органических веществ,

сформировать знания о строении и функциях углеводов, охарактеризовать их многообразие,

продолжить формирование навыков работы с дополнительной литературой, навыков работы в группе.

Изучение нового материала.

1.Улеводы

А) Главными источниками углеводов из пищи являются: хлеб, картофель, макароны, крупы, сладости. Чистым углеводом является сахар. Мёд, в зависимости от своего происхождения, содержит 70—80 % сахара.

Из всех потребляемых человеком пищевых веществ углеводы, несомненно, являются главным источником энергии. В среднем на их долю приходится от 50 до 70% калорийности дневных рационов. Несмотря на то, что человек потребляет значительно больше углеводов, чем жиров и белков, их резервы в организме невелики. Это означает, что снабжение ими организма должно быть регулярным. Потребности в углеводах в очень большой степени зависят от энергетических трат организма. В среднем у взрослого мужчины, занятого преимущественно умственным или легким физическим трудом, суточная потребность в углеводах колеблется от 300 до 500 г. У работников физического труда и спортсменов она значительно выше. В отличие от белков и в известной степени жиров, количество углеводов в рационах питания без вреда для здоровья может быть снижено. Тем, кто хочет похудеть, стоит обратить на это внимание: углеводы имеют главным образом энергетическую ценность. При окислении 1 г углеводов в организме освобождается 4,0 – 4,2 ккал. Поэтому за их счет легче всего регулировать калорийность питания.

Углеводы — органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Их делят на простые — моносахариды (от греч. «монос» — один) и сложные — полисахариды (от греч. «поли» — много).

В) Классификация углеводов

По способности к гидролизу на мономеры углеводы делятся на группы:

1. простые (моносахариды)

2. олигосахариды

3. сложные (полисахариды).

Сложные углеводы, в отличие от простых, способны гидролизоваться с образованием простых углеводов, мономеров. Простые углеводы легко растворяются в воде и синтезируются в зелёных растениях. Кроме небольших молекул, в клетке встречаются и крупные, они являются полимерами. Полимеры – это сложные молекулы, состоящие из отдельных «звеньев», соединенных друг с другом. Такие «звенья» называются мономерами. Такие вещества, как крахмал, целлюлоза и хитин, являются полисахаридами – биологическими полимерами, состоящими из ковалентно соединенных звеньев – моносахаридов.

К моносахаридам относятся глюкоза и фруктоза, придающие сладость фруктам и ягодам. Пищевой сахар сахароза состоит из ковалентно присоединенных друг к другу глюкозы и фруктозы. Подобные сахарозе соединения называются дисахаридами. Поли-, ди- и моносахариды называют общим термином – углеводы. К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто совершенно различными свойствами.

Полисахариды:

Крахмал – запасное питательное вещество у высших растений и зеленых водорослей (другие группы водорослей используют похожие, но несколько отличающиеся полисахариды). У животных эту функцию выполняет полисахарид гликоген. Он очень похож на крахмал по своему строению, но обладает еще большей разветвленностью – одна точка ветвления приходится на 8–12 глюкозных остатков.

Главные запасы гликогена в организме человека содержатся в печени и мышцах. Запасать углеводы в виде полисахаридов выгоднее, чем накачивать в клетку большое количество глюкозы. Если бы глюкоза запасалась в виде отдельных молекул, то осмотическое давление резко возросло бы, и животная клетка, лишенная жесткой оболочки, просто лопнула бы из-за сильного набухания. Есть и еще одно преимущество крахмала и гликогена: их молекулы не содержат свободных альдегидных групп, которые вредны для клетки.

Целлюлоза – самое распространенное в биосфере органическое соединение. Целлюлоза также является полисахаридом, состоящим из множества остатков глюкозы, однако в отличие от крахмала глюкоза находится в β — форме, а не в α. У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерий-симбионтов, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид.

Полисахаридом является также хитин. Он содержится в наружном скелете различных членистоногих, а также в клеточных стенках грибов. В организме человека хитин не синтезируется, но, тем не менее, у нас есть фермент, расщепляющий хитин – хитиназа. Возможно, он служит для защиты нашего организма от патогенных грибов с хитиновой клеточной стенкой, а также для разрушения панцирей случайно попавших в легкие насекомых.

Г) Функции углеводов. В организме углеводы выполняют ряд важных функций.

1. Энергетическая функция

При распаде и окислении углеводов выделяется энергия, которую организм использует для своих нужд. В среднем при окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 килокалории (17,6 кДж) и 0,4 г воды. Для многих клеток человека (например, клеток мозга и мышц) глюкоза, приносимая кровью, служит главным источником энергии. Крахмал и очень похожее на него вещество животных клеток – гликоген – являются полимерами глюкозы, они служат для запасания ее внутри клетки.

2. Структурная функция, то есть участвуют в построении разных клеточных структур.

Полисахарид целлюлоза образует клеточные стенки растительных клеток, отличающиеся твердостью и жесткостью, она – один из главных компонентов древесины. Другими компонентами являются гемицеллюлоза, также принадлежащая к полисахаридам, и лигнин (он имеет не углеводную природу). Хитин тоже выполняет структурные функции. Хитин выполняет опорную и защитную функции. Клеточные стенки большинства бактерий состоят из муреина – в состав этого соединения входят остатки как моносахаридов, так и аминокислот.

3.‬ Углеводы выполняют защитную роль у растений (клеточные стенки, состоящие из клеточных стенок мертвых клеток защитные образования — шипы, колючки и др.).‬

4.‬ Углеводы выполняют пластическую функцию — хранятся в виде запаса питательных веществ, а также входят в состав сложных молекул (например, пентозы — рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК.‬

Задание 1: самостоятельная работа 10 мин. Прочитайте текст выше и текст учебника стр. 16-18, заполните таблицу. 10 мин.

За каждый правильный ответ – 1 балл. Всего – 11баллов.

Характеристика	Значение
Состав простейших углеводов
Формула углеводов
Самый простой углевод
Источник энергии
Классификация углеводов	А Б В
Функции углеводов	1 2 3 4

Липиды — это нерастворимые в воде жироподобные вещества и жиры, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке. При комнатной температуре это твердые вещества. У растений жиры находятся в семенах, плодах и других органах. При комнатной температуре это жидкости. С жирами по химической структуре сходны жироподобные вещества. Их много в желтке яиц, клетках мозга и других тканях.

Роль липидов определяется их структурной функцией. Из них состоят клеточные мембраны, которые вследствие своей гидрофобности препятствуют смешению содержимого клетки с окружающей средой. Липиды выполняют энергетическую функцию. Расщепляясь до СO2 и Н2O, 1 г жира выделяет 38,9 кДж энергии. Они плохо проводят тепло, накапливаясь в подкожной клетчатке (и других органах и тканях), выполняют защитную функцию и роль запасных веществ.

Задание 2.Работа в парах. 10 мин. Прочитайте текст выше и текст учебника стр. 18-19, заполните таблицу. 10 мин.

За каждый правильный ответ – 1 балл. Всего – 9 баллов.

Характеристика	Значение
Виды липидов
Состав липидов
Отношение к воде
Источник энергии
Функции липидов	1 2 3 4 5

Выходной контроль. Самостоятельная работа 15 мин.

За каждый правильный ответ – 1 балл

За 1 задание — 10 баллов

За 2 задание – 8 баллов

За 3 задание – 7 баллов

Всего – 29 баллов

1. Распределить свойства и функции, свойственные липидам или углеводам (под цифрами поставить буквы)

А. липид,

Б. углевод.

1. Выделяет 39,1 кДж энергии

2. Гидрофильные вещества

3. Состоит из жирной кислоты и глицерина.

4. Состоит воды и углерода.

5. Самое распространенное вещество – глюкоза.

6. Низкомолекулярные – растворимы в воде, высокомолекулярные — нет.

7. Нерастворимы в воде.

8. Больше всего содержится в подкожной клетчатке.

9. дает 17,2 кДж энергии

10. гидрофобное вещество

1.	2.	3.	4.	5.	6.	7.	8.	9.	10.

2. Распределить углеводы по моно-, ди-, полисахаридам.

1. глюкоза, 3. гликоген, 5. рибоза, 7. фруктоза,

2. крахмал, 4. сахароза, 6. хитин, 8. мальтоза.

А.	моносахариды
Б.	дисахариды
В.	полисахариды

3. Выполните тестовые задания:

1.В состав углеводов входят элементы:

А) — C, H, N   Б) — С, Н,О В) — Н,О,Р Г) — C,N,O

2. Мономером крахмала является:

1- аминокислота 2- дезоксирибоза 3- глюкоза 4- фруктоза

3. В качестве запасного вещества животные накапливают:

1- крахмал, 2- гликоген 3- целлюлозу, 4- сахарозу

4. В состав наружного скелета членистоногих и клеток грибов входит:

1- крахмал 2- гликоген 3- хитин 4- целлюлоза

5. Крахмал- продукт фотосинтеза, поэтому входит только в состав:

1- клеток растений

2- клеток растений и грибов

3- клеток животных и клеток грибов

6. Наибольшее количество энергии выделяется при расщеплении 1 грамма:

1 – жира 2 – глюкозы 3 – белка 4 — воды

7. К каким веществам по отношению к воде относятся липиды:

1- хорошо растворимы воде 2- плохо растворимы в воде

баллы	Отметка за урок
45-41	5	Ура! Ты молодец!
40-34	4	Очень неплохо! Повтори параграф
33-24	3	Не унывай! У тебя все получится!
23 и менее	2	Внимательно прочитай параграф и ответь на вопросы к параграфу

Д.з. п. 2., записи в тетради, учить. Подготовка к тесту.

Тест по биологии по теме «Углеводы. Липиды»., 10 класс.

Просмотр содержимого документа
«Тест по биологии по теме «Углеводы. Липиды»., 10 класс.»

Биология 10 класс. Тема: Углеводы. Липиды.

1. Все клетки сходны по химическому составу, что свидетельствует

А .о единстве живой и неживой природы
Б .о происхождении организмов от общего предка
В .об эволюции органического мира
Г .о единстве органического мира.

2. Какие вещества образуют основу клеточных мембран?

А. Жиры

Б. Фосфолипиды

В. Воски

Г. Липиды

3. Остатки какого моносахарида входят в состав молекулы ДНК?

А. Рибозы

Б. Дезоксирибозы

В. Глюкозы

Г. Фруктозы

4. Углеводов содержится больше:

А. в растительных клетках;

Б.  в животных клетках;

В. одинаковое количество в тех и других.

5. Жиры растворимы:

А. в воде; Б. .в спирте; В. в бензине.

6. Углеводы образованы атомами

А. углерода, водорода, азота
Б .углерода, кислорода, азота
В .углерода, водорода, кислорода.

 7. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются:

А. гидрофильные, Б. гидрофобные, В. Амфифильные.

8. К гидрофобным соединениям клетки относятся:

А.  липиды и аминокислоты;

Б.  липиды;

В.  липиды и минеральные соли;

Г.  аминокислоты и минеральные соли.

 9. Основные функции жиров в клетке:

А.  запасающая и структурная;

Б.  структурная и энергетическая;

В.  энергетическая и запасающая;

Г. структурная и защитная.

10. Жиры и масла по отношению к воде обладают свойствами:

А.  всегда гидрофильными;

Б.  чаще гидрофобными, реже гидрофильными;

В. всегда гидрофобными;

Г.  реже гидрофильными.

3.3 Липиды — Биология для курсов AP®

Цели обучения

В этом разделе вы исследуете следующие вопросы:

• Какие четыре основных типа липидов?
• Каковы функции жиров в живых организмах?
• В чем разница между насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами?
• Какова молекулярная структура фосфолипидов и какова роль фосфолипидов в клетках?
• Какова основная структура стероидов и каковы примеры их функций?
• Как холестерин помогает поддерживать жидкую природу плазматической мембраны клеток?

Соединение для AP

^® Курсы

Липиды также являются источниками энергии, которые приводят в действие клеточные процессы.Как и углеводы, липиды состоят из углерода, водорода и кислорода, но эти атомы расположены по-другому. Большинство липидов неполярны и гидрофобны. Основные типы включают жиры и масла, воски, фосфолипиды и стероиды. Типичный жир состоит из трех жирных кислот, связанных с одной молекулой глицерина, образуя триглицериды или триацилглицерины. Жирные кислоты могут быть насыщенными или ненасыщенными, в зависимости от наличия или отсутствия двойных связей в углеводородной цепи; насыщенная жирная кислота имеет максимальное количество атомов водорода, связанных с углеродом, и, следовательно, только одинарные связи.Как правило, жиры, которые являются жидкими при комнатной температуре (например, масло канолы), имеют тенденцию быть более ненасыщенными, чем жиры, которые являются твердыми при комнатной температуре. В пищевой промышленности масла искусственно гидрогенизируются, чтобы сделать их химически более подходящими для использования в обработанных пищевых продуктах. Во время этого процесса гидрирования двойные связи в цис-конформации в углеводородной цепи могут быть преобразованы в двойные связи в транс-конформации; К сожалению, было доказано, что трансжиры способствуют развитию сердечных заболеваний.Фосфолипиды представляют собой особый тип липидов, связанных с клеточными мембранами, и обычно имеют глицериновую (или сфингозиновую) основу, к которой присоединены две цепи жирных кислот и фосфатсодержащая группа. В результате фосфолипиды считаются амфипатическими, поскольку они имеют как гидрофобные, так и гидрофильные компоненты. (В главах 4 и 5 мы более подробно рассмотрим, как амфипатическая природа фосфолипидов в мембранах плазматических клеток помогает регулировать проникновение веществ в клетку и из нее.) Хотя молекулярная структура стероидов отличается от структуры триглицеридов и фосфолипидов, стероиды классифицируются как липиды на основании их гидрофобных свойств. Холестерин — это тип стероида в плазматической мембране клеток животных. Холестерин также является предшественником стероидных гормонов, таких как тестостерон.

Представленная информация и примеры, выделенные в разделе, поддерживают концепции, изложенные в Большой идее 4 Структуры учебной программы по биологии AP ^® . Цели обучения, перечисленные в структуре учебной программы, обеспечивают прозрачную основу для курса биологии AP ^® , лабораторного опыта на основе запросов, учебных мероприятий и вопросов экзамена AP ^® .Цель обучения объединяет требуемый контент с одной или несколькими из семи научных практик.

Большая идея 4	Биологические системы взаимодействуют, и эти системы и их взаимодействия обладают сложными свойствами.
Постоянное понимание 4.A	Взаимодействия внутри биологических систем приводят к появлению сложных свойств.
Основные знания	4.A.1 Подкомпоненты биологических молекул и их последовательность определяют свойства этой молекулы.
Научная практика	7,1 Учащийся может связывать явления и модели в пространственных и временных масштабах.
Цель обучения	4,1 Учащийся может объяснить связь между последовательностью и подкомпонентами биологического полимера и его свойствами.
Основные знания	4.A.1 Подкомпоненты биологических молекул и их последовательность определяют свойства этой молекулы.
Научная практика	1,3 Студент может уточнить представления и модели природных или антропогенных явлений и систем в своей области.
Цель обучения	4,2 Учащийся может уточнить представления и модели, чтобы объяснить, как подкомпоненты биологического полимера и их последовательность определяют свойства этого полимера.
Основные знания	4.A.1 Подкомпоненты биологических молекул и их последовательность определяют свойства этой молекулы.
Научная практика	6,1 Студент может обосновать свои претензии доказательствами.
Научная практика	6,4 Студент может делать утверждения и предсказания о природных явлениях на основе научных теорий и моделей.
Цель обучения	4,3 Учащийся может использовать модели для прогнозирования и обоснования того, что изменения в подкомпонентах биологического полимера влияют на функциональность молекул.

Поддержка учителей

Важное заблуждение, которое необходимо преодолеть студентам, заключается в том, что липиды не вредны для организма. Они абсолютно необходимы для функций организма, в том числе для роста и выживания.

Еще одна концепция, которую следует обсудить, — это нерастворимость липидов в воде.В заправке для салатов это очевидно, но почему? Если к липидам присоединены другие функциональные группы, они могут содержать некоторые заряды и придают липиду определенную степень растворимости, но большинство липидов не имеют зарядов на поверхности молекул и не растворяются в воде, поэтому липиды обычно описывается как гидрофобный.

Нерастворимые липиды должны быть прикреплены к белкам в организме, чтобы они стали растворимыми в жидкостях организма. Попросите класс исследовать белки, которые переносят и переносят липиды.Определите их вклад в здоровье или болезнь.

Проблемные вопросы по научной практике содержат дополнительные тестовые вопросы для этого раздела, которые помогут вам подготовиться к экзамену AP. Эти вопросы касаются следующих стандартов:
[APLO 2.9] [APLO 2.10] [APLO 2.12] [APLO 2.13] [APLO 2.14] [APLO 4.14]

Жиры и масла

Липиды включают разнообразную группу соединений, которые в значительной степени неполярны по природе. Это потому, что они представляют собой углеводороды, которые включают в основном неполярные углерод-углеродные или углерод-водородные связи.Неполярные молекулы гидрофобны («водобоязнь») или нерастворимы в воде. Липиды выполняют в клетке множество различных функций. Клетки хранят энергию для длительного использования в виде жиров. Липиды также обеспечивают изоляцию растений и животных от окружающей среды (рис. 3.13). Например, их водоотталкивающая гидрофобная природа может помочь водным птицам и млекопитающим оставаться сухими, образуя защитный слой над мехом или перьями. Липиды также являются строительными блоками многих гормонов и важной составляющей всех клеточных мембран.Липиды включают жиры, воски, фосфолипиды и стероиды.

Поддержка учителей

Разница между жиром и маслом заключается в состоянии соединения при комнатной температуре (68 ° F). Жир представляет собой твердый или полутвердый материал, а масло при этой температуре является жидкостью. И жиры, и масла состоят из глицерина и двух или трех цепей жирных кислот, прикрепленных к его атомам углерода путем дегидратационного синтеза. Жирная кислота представляет собой цепочку атомов углерода с атомами водорода, присоединенными к открытым участкам связывания.Если цепь полностью насыщена атомами водорода, ее называют насыщенным жиром. Это дает компаунду относительно жесткую конфигурацию и помогает ему быть твердым. Если какой-либо из атомов водорода отсутствует, это называется ненасыщенным жиром или маслом. Отсутствие атомов водорода вдоль цепи вызывает образование двойных связей между соседними атомами углерода, что приводит к изгибу цепи. Это заставляет молекулы отталкивать другие молекулы рядом с ним, предотвращая упаковку цепей жирных кислот, и в результате образуется жидкость при комнатной температуре.Жиры, как правило, содержат высокую концентрацию насыщенных жирных кислот, а масла, как правило, содержат больше цепей ненасыщенных жирных кислот. Оба типа влияют на здоровье; высокое количество насыщенных жиров значительно менее полезно, чем большее количество ненасыщенных липидов. Исключение составляют трансжиры, ненасыщенные жиры, содержащиеся в обработанных пищевых продуктах. Транс-жиры ведут себя как насыщенные липиды.

Разделите класс на три секции: секция 1: молочный цех; раздел 2: заправки для салатов и раздел 3: картофельные чипсы.. Каждый раздел посетит супермаркет и определит, какие жиры или масла входят в пять наименований в их категории. Затем каждый раздел подготовит таблицу со своими выводами и поделится ею с классом.

Рис. 3.13. Гидрофобные липиды в мехе водных млекопитающих, таких как речная выдра, защищают их от непогоды. (кредит: Кен Босма)

Молекула жира состоит из двух основных компонентов — глицерина и жирных кислот. Глицерин — это органическое соединение (спирт) с тремя атомами углерода, пятью атомами водорода и тремя гидроксильными (ОН) группами.Жирные кислоты имеют длинную цепь углеводородов, к которой присоединена карбоксильная группа, отсюда и название «жирная кислота». Количество атомов углерода в жирной кислоте может составлять от 4 до 36; наиболее распространены те, которые содержат 12–18 атомов углерода. В молекуле жира жирные кислоты присоединены к каждому из трех атомов углерода молекулы глицерина сложноэфирной связью через атом кислорода (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Триацилглицерин образуется в результате присоединения трех жирных кислот к основной цепи глицерина в реакции дегидратации.При этом выделяются три молекулы воды.

Во время образования сложноэфирной связи высвобождаются три молекулы воды. Три жирные кислоты в триацилглицерине могут быть одинаковыми или разными. Жиры также называют триацилглицеринами или триглицеридами из-за их химической структуры. Некоторые жирные кислоты имеют общие названия, указывающие на их происхождение. Например, пальмитиновая кислота, насыщенная жирная кислота, получают из пальмы. Арахидовая кислота получена из Arachis hypogea, научного названия арахиса или арахиса.

Жирные кислоты могут быть насыщенными и ненасыщенными. В цепи жирной кислоты, если есть только одинарные связи между соседними атомами углерода в углеводородной цепи, жирная кислота называется насыщенной. Насыщенные жирные кислоты насыщены водородом; другими словами, количество атомов водорода, прикрепленных к углеродному скелету, максимально. Стеариновая кислота является примером насыщенной жирной кислоты (рис. 3.15)

Рис. 3.15. Стеариновая кислота — обычная насыщенная жирная кислота.

Когда углеводородная цепь содержит двойную связь, жирная кислота считается ненасыщенной.Олеиновая кислота является примером ненасыщенной жирной кислоты (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Олеиновая кислота — обычная ненасыщенная жирная кислота.

Большинство ненасыщенных жиров являются жидкими при комнатной температуре и называются маслами. Если в молекуле есть одна двойная связь, то он известен как мононенасыщенный жир (например, оливковое масло), а если имеется более одной двойной связи, то он известен как полиненасыщенный жир (например, масло канолы).

Когда жирная кислота не имеет двойных связей, она известна как насыщенная жирная кислота, потому что к атомам углерода цепи больше нельзя добавлять водород.Жир может содержать похожие или разные жирные кислоты, присоединенные к глицерину. Длинные прямые жирные кислоты с одинарными связями имеют тенденцию плотно упаковываться и остаются твердыми при комнатной температуре. Примерами насыщенных жиров являются животные жиры со стеариновой кислотой и пальмитиновой кислотой (обычно в мясе) и жир с масляной кислотой (обычно в сливочном масле). Млекопитающие хранят жиры в специализированных клетках, называемых адипоцитами, где жировые шарики занимают большую часть объема клетки. В растениях жир или масло хранятся во многих семенах и используются в качестве источника энергии во время развития рассады.Ненасыщенные жиры или масла обычно растительного происхождения и содержат цис- ненасыщенных жирных кислот. цис и транс указывают конфигурацию молекулы вокруг двойной связи. Если водороды присутствуют в одной плоскости, это называется цис-жиром; если атомы водорода находятся в двух разных плоскостях, это называется трансжиром. Двойная связь цис вызывает изгиб или «перегиб», который препятствует плотной упаковке жирных кислот, сохраняя их в жидком состоянии при комнатной температуре (Рисунок 3.17). Оливковое масло, кукурузное масло, масло канолы и жир печени трески являются примерами ненасыщенных жиров. Ненасыщенные жиры помогают снизить уровень холестерина в крови, тогда как насыщенные жиры способствуют образованию бляшек в артериях.

Рис. 3.17. У насыщенных жирных кислот углеводородные цепи соединены только одинарными связями. Ненасыщенные жирные кислоты имеют одну или несколько двойных связей. Каждая двойная связь может иметь конфигурацию цис или транс . В конфигурации цис оба атома водорода находятся на одной стороне углеводородной цепи.В конфигурации trans атомы водорода находятся на противоположных сторонах. Двойная связь цис вызывает перегиб в цепи.

Трансжиры

В пищевой промышленности масла искусственно гидрогенизируются для придания им полутвердого состояния и консистенции, необходимой для многих обработанных пищевых продуктов. Проще говоря, газообразный водород пропускают через масла, чтобы отвердить их. Во время этого процесса гидрирования двойные связи конформации цис — в углеводородной цепи могут быть преобразованы в двойные связи в транс-конформации.

Маргарин, некоторые виды арахисового масла и шортенинг являются примерами искусственно гидрогенизированных трансжиров. Недавние исследования показали, что увеличение трансжиров в рационе человека может привести к увеличению уровня липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) или «плохого» холестерина, что, в свою очередь, может привести к отложению бляшек в артериях, что приводит к сердечное заболевание. Многие рестораны быстрого питания недавно запретили использование трансжиров, и на пищевых этикетках требуется указывать содержание трансжиров.

Омега жирные кислоты

Незаменимые жирные кислоты — это жирные кислоты, которые необходимы, но не синтезируются человеческим организмом. Следовательно, они должны приниматься через диету. Жирные кислоты омега-3 (подобные тем, которые показаны на рис. 3.18) попадают в эту категорию и являются одной из двух, известных человеку (другая — жирная кислота омега-6). Это полиненасыщенные жирные кислоты, называемые омега-3, потому что третий углерод от конца углеводородной цепи соединен с соседним углеродом двойной связью.

Рис. 3.18. Альфа-линоленовая кислота является примером жирной кислоты омега-3. Он имеет три двойные связи цис и, как следствие, изогнутую форму. Для ясности атомы углерода не показаны. Каждый односвязанный углерод имеет два связанных с ним атома водорода, которые также не показаны.

Самый дальний углерод от карбоксильной группы пронумерован как углерод омега ( ω ), и если двойная связь находится между третьим и четвертым углеродом от этого конца, она известна как жирная кислота омега-3.К жирным кислотам омега-3, важным с точки зрения питания, поскольку они их не вырабатываются, относятся альфа-линолевая кислота (ALA), эйкозапентаеновая кислота (EPA) и докозагексаеновая кислота (DHA), все из которых являются полиненасыщенными. Лосось, форель и тунец — хорошие источники жирных кислот омега-3. Исследования показывают, что жирные кислоты омега-3 снижают риск внезапной смерти от сердечных приступов, снижают уровень триглицеридов в крови, снижают кровяное давление и предотвращают тромбоз, подавляя свертывание крови. Они также уменьшают воспаление и могут помочь снизить риск некоторых видов рака у животных.

Как и углеводы, жиры получили широкую огласку. Это правда, что чрезмерное употребление жареной и другой «жирной» пищи приводит к увеличению веса. Однако жиры выполняют важные функции. Многие витамины жирорастворимы, а жиры служат формой длительного хранения жирных кислот: источником энергии. Они также обеспечивают изоляцию тела. Поэтому «здоровые» жиры в умеренных количествах следует употреблять регулярно.

Поддержка учителей

Этот вопрос относится к приложению Цель обучения 4.3 и Научные практики 6.1 и 6.4, потому что студенты предсказывают, как изменение подкомпонентов молекулы может повлиять на свойства молекулы.

Фосфолипид состоит из фосфатной группы, связанной с глицерином, который связан с двумя цепями жирных кислот. Одна из цепей жирных кислот является насыщенной, а другая — ненасыщенной. Насыщенная — прямая, а ненасыщенная — с изгибом. Фосфолипиды составляют липидные бислои, основной компонент большинства плазматических мембран, и придают им свойство жидкости, благодаря тому, что хвосты жирных кислот создают пространство между молекулами фосфолипидов.

Понятие изогнутого жирнокислотного хвоста, способствующего текучести клеточной мембраны, может быть трудным для визуализации. Возьмите несколько старинных деревянных прищепок. Ручка вверху превращается в молекулу фосфата. Два зубца булавок становятся жирными кислотами. Оба зубца жесткие, поэтому представляют собой насыщенные жирные кислоты. В этой демонстрации нет ненасыщенных жирных кислот. Крепко держите несколько булавок в руке и попросите одного из учеников удалить булавку в центре. У них не должно быть такой возможности, поскольку вы прижимаете все штыри вместе.Это было бы в клеточной мембране без каких-либо ненасыщенных жирных кислот, отталкивающих соседние цепи, создавая пространства, которые позволяют мембране вести себя как жидкость.

Подключение к научной практике для курсов AP®

Подумай об этом

Объясните, почему трансжиры запрещены в некоторых ресторанах. Как производятся трансжиры и какое влияние простое химическое изменение оказывает на свойства липидов?

Воски

Воск покрывает перья некоторых водных птиц и поверхность листьев некоторых растений.Из-за гидрофобной природы восков они предотвращают прилипание воды к поверхности (рис. 3.19). Воски состоят из длинных цепей жирных кислот, этерифицированных до длинноцепочечных спиртов.

Рис. 3.19. Восковые покровы на некоторых листьях состоят из липидов. (кредит: Роджер Гриффит)

Фосфолипиды

Фосфолипиды — основные составляющие плазматической мембраны, самого внешнего слоя всех живых клеток. Как и жиры, они состоят из цепей жирных кислот, прикрепленных к глицериновой или сфингозиновой основе.Однако вместо трех жирных кислот, связанных, как в триглицеридах, есть две жирные кислоты, образующие диацилглицерин, а третий углерод глицеринового остова занят модифицированной фосфатной группой (рис. 3.20). Одна фосфатная группа, присоединенная к диацилглицерину, не квалифицируется как фосфолипид; это фосфатидат (диацилглицерин-3-фосфат), предшественник фосфолипидов. Фосфатная группа модифицируется спиртом. Фосфатидилхолин и фосфатидилсерин — два важных фосфолипида, которые обнаруживаются в плазматических мембранах.

Рис. 3.20. Фосфолипид — это молекула с двумя жирными кислотами и модифицированной фосфатной группой, присоединенными к глицериновой основной цепи. Фосфат можно модифицировать добавлением заряженных или полярных химических групп.

Фосфолипид — это амфипатическая молекула, что означает, что он имеет гидрофобную и гидрофильную части. Цепи жирных кислот гидрофобны и не могут взаимодействовать с водой, тогда как фосфатсодержащая группа гидрофильна и взаимодействует с водой (рис. 3.21).

Рисунок 3.21 Фосфолипидный бислой является основным компонентом всех клеточных мембран. Гидрофильные головные группы фосфолипидов обращены к водному раствору. Гидрофобные хвосты изолированы в середине бислоя.

Голова — это гидрофильная часть, а хвост содержит гидрофобные жирные кислоты. В мембране бислой фосфолипидов образует матрицу структуры, жирнокислотные хвосты фосфолипидов обращены внутрь, от воды, тогда как фосфатная группа обращена к внешней стороне, водной стороне (рис.21).

Фосфолипиды отвечают за динамическую природу плазматической мембраны. Если капля фосфолипидов помещается в воду, она самопроизвольно образует структуру, известную как мицелла, где гидрофильные фосфатные головки обращены наружу, а жирные кислоты обращены внутрь этой структуры.

Ежедневное подключение для курсов AP®

Жиры представляют собой амфифильные молекулы. Другими словами, длинный углеводородный хвост гидрофобен, а глицериновая часть молекулы гидрофильна.Находясь в воде, жиры собираются в шар, называемый мицеллами, так что гидрофильные «головы» находятся на внешней поверхности, а гидрофобные «хвосты» — внутри, где они защищены от окружающей воды.

Рисунок 3.22

Поддержка учителей

Преобладающим стероидом в организме является холестерин, который по-разному используется организмом для образования стероидных гормонов и придает гибкость клеткам, таким как красные кровяные тельца, которые должны изменять свою форму, чтобы проходить через кровеносные сосуды и ткани.

Стероиды

В отличие от фосфолипидов и жиров, рассмотренных ранее, стероиды имеют структуру конденсированного кольца. Хотя они не похожи на другие липиды, они сгруппированы с ними, поскольку они также гидрофобны и нерастворимы в воде. Все стероиды имеют четыре связанных углеродных кольца, и некоторые из них, как и холестерин, имеют короткий хвост (рис. 3.23). Многие стероиды также имеют функциональную группу –ОН, которая помещает их в классификацию алкоголя (стерины).

Рисунок 3.23 Стероиды, такие как холестерин и кортизол, состоят из четырех конденсированных углеводородных колец.

Холестерин — самый распространенный стероид. Холестерин в основном синтезируется в печени и является предшественником многих стероидных гормонов, таких как тестостерон и эстрадиол, которые секретируются гонадами и эндокринными железами. Он также является предшественником витамина D. Холестерин также является предшественником солей желчных кислот, которые помогают в эмульгировании жиров и их последующем поглощении клетками. Хотя неспециалисты часто отзываются о холестерине отрицательно, он необходим для нормального функционирования организма.Он является компонентом плазматической мембраны клеток животных и находится внутри фосфолипидного бислоя. Будучи самой внешней структурой в клетках животных, плазматическая мембрана отвечает за транспорт материалов и распознавание клеток, а также участвует в межклеточной коммуникации.

Ссылка на обучение

Чтобы узнать больше о липидах, изучите интерактивную анимацию «Биомолекулы: липиды».

К чему конкретно относится холестерин?

1. триглицерид
2. фосфолипид
3. стероид
4. воск

Что такое липиды?

Липиды — это молекулы, которые содержат углеводороды и составляют строительные блоки структуры и функции живых клеток.Примеры липидов включают жиры, масла, воски, некоторые витамины (такие как A, D, E и K), гормоны и большую часть клеточной мембраны, которая не состоит из белка.

Липиды не растворимы в воде, поскольку они неполярны, но поэтому они растворимы в неполярных растворителях, таких как хлороформ.

Липидный бислой человека — 3D-рендеринг. Кредит изображения: Crevis / Shutterstock

Из чего состоят липиды?

Липиды в основном состоят из углеводородов в их наиболее восстановленной форме, что делает их отличной формой хранения энергии, поскольку при метаболизме углеводороды окисляются с высвобождением большого количества энергии.Тип липидов, обнаруженных в жировых клетках для этой цели, представляет собой триглицерид, сложный эфир, созданный из глицерина и трех жирных кислот.

Откуда берутся липиды?

Избыточные углеводы в рационе преобразуются в триглицериды, что включает синтез жирных кислот из ацетил-КоА в процессе, известном как липогенез, и происходит в эндоплазматическом ретикулуме. У животных и грибов один многофункциональный белок управляет большинством этих процессов, в то время как бактерии используют несколько отдельных ферментов.Некоторые типы ненасыщенных жирных кислот не могут быть синтезированы в клетках млекопитающих, и поэтому должны потребляться как часть рациона, например, омега-3.

Ацетил-КоА также участвует в мевалонатном пути, ответственном за производство широкого спектра изопреноидов, в том числе важных липидов, таких как холестерин и стероидные гормоны.

Гидролизуемые и негидролизуемые липиды

Липиды, содержащие сложноэфирную функциональную группу, гидролизуются в воде. К ним относятся нейтральные жиры, воски, фосфолипиды и гликолипиды.Жиры и масла состоят из триглицеридов, состоящих из глицерина (1,2,3-тригидроксипропана) и 3 жирных кислот, образующих триэфир. Триглицериды находятся в крови и хранятся в жировых клетках. Полный гидролиз триацилглицеринов дает три жирные кислоты и молекулу глицерина.

Негидролизуемые липиды лишены таких функциональных групп и включают стероиды и жирорастворимые витамины (A, D, E и K).

жирные кислоты

Жирные кислоты представляют собой карбоновые кислоты с длинной цепью (обычно с 16 или более атомами углерода), которые могут содержать или не содержать двойные связи углерод-углерод.Число атомов углерода почти всегда четное и обычно неразветвленное. Олеиновая кислота — самая распространенная в природе жирная кислота.

Мембрана, окружающая клетку, состоит из белков и липидов. В зависимости от расположения мембраны и ее роли в организме липиды могут составлять от 20 до 80 процентов мембраны, а остальное — белки. Холестерин, которого нет в растительных клетках, представляет собой липид, который помогает укрепить мембрану.Кредит изображения: Национальный институт общих медицинских наук

Воски / жиры и масла

Это сложные эфиры длинноцепочечных карбоновых кислот и длинных спиртов. Жир — это название класса триглицеридов, которые при комнатной температуре выглядят как твердые или полутвердые, жиры в основном присутствуют у животных. Масла — это триглицериды, которые появляются в виде жидкости при комнатной температуре, масла в основном присутствуют в растениях, а иногда и в рыбе.

Моно / поли ненасыщенные и насыщенные

Жирные кислоты без двойных углерод-углеродных связей называются насыщенными.Те, которые имеют две или более двойных связи, называются полиненасыщенными. Олеиновая кислота является мононенасыщенной, так как имеет одинарную двойную связь.

Насыщенные жиры обычно представляют собой твердые вещества и получают из животных, в то время как ненасыщенные жиры являются жидкими и обычно извлекаются из растений.

Ненасыщенные жиры имеют особую геометрию, которая препятствует тому, чтобы молекулы упаковывались так же эффективно, как в насыщенных молекулах, что приводит к их склонности существовать в виде жидкости, а не твердого тела.Таким образом, температура кипения ненасыщенных жиров ниже, чем у насыщенных жиров.

Синтез и функции липидов в организме

Липиды используются напрямую или синтезируются иным способом из жиров, присутствующих в пище. Существует множество биосинтетических путей расщепления и синтеза липидов в организме.

Основные биологические функции липидов включают накопление энергии, поскольку липиды могут расщепляться с образованием большого количества энергии. Липиды также образуют структурные компоненты клеточных мембран и образуют различные мессенджеры и сигнальные молекулы в организме.

Отчет о химическом анализе крови, показывающий нормальные функциональные тесты печени и липидный профиль с высоким уровнем триглицеридов. Кредит изображения: Стивен Барнс / Shutterstock

Дополнительная литература

1.1 Обзор | Химия жизни

Введение (ESG43)

В этой первой главе учащиеся познакомятся с основными «строительными блоками» жизни. Этот раздел должен основываться на их базовых знаниях из «Материи и материалов» в естественных науках.Учащиеся будут изучать молекулярную структуру и биологические функции ключевых молекул, важных для жизни. Они изучат химию белков, углеводов, липидов, витаминов и нуклеиновых кислот и узнают роль каждого класса питательных веществ в жизни растений и животных. Они также узнают, как их диета позволяет им получать достаточное количество каждого из этих питательных веществ. В этом разделе представлены различные практические занятия и исследования, которые дают учащимся возможность попрактиковаться в применении научного метода.

В этой главе мы изучим молекулярную структуру и биологические функции ключевых молекул, важных для жизни. Мы изучим химию белков, углеводов, липидов, витаминов и нуклеиновых кислот и узнаем роль каждого класса питательных веществ в жизни растений и животных. Мы также узнаем, как наша диета позволяет нам получать достаточное количество каждого из этих питательных веществ. В этом разделе есть множество практических занятий и исследований, которые дают вам возможность попрактиковаться в применении научного метода.

• Органические молекулы всегда содержат углерод (C) и обычно также содержат атомы водорода (H) и кислорода (O). Некоторые важные органические молекулы также содержат азот (N), фосфор (P), серу (S), железо (Fe) и другие элементы.
• Вода (\ (\ text {H} _ {2} \ text {O} \)) — неорганическое соединение, состоящее из двух атомов H и одного атома O. Вода помогает регулировать температуру, формировать и поддерживать, транспортировать и смазывать, а также является средой для химических реакций.
• Минералы необходимы для здорового питания.Дефицит незаменимых минералов приводит к дефицитным заболеваниям у растений и животных.
• Удобрения — это способ добавления в почву необходимых питательных веществ для улучшения роста растений.
• Углеводы состоят из C, H и O. Они могут быть в форме моносахаридов (отдельные сахара), дисахаридов (двойные сахара) или полисахаридов (многие сахара) и являются важным источником энергии для растений и животных.
• Липиды состоят из C, H и O. Триглицериды — это тип липидов, которые содержат глицерин и три цепи жирных кислот.Холестерин, другой тип липидов, может увеличить риск сердечных заболеваний.
• Белки состоят из C, H, O, N, а некоторые содержат P, S и Fe. Белки состоят из длинной цепи аминокислот, которые складываются в очень специфическую трехмерную структуру. Белки являются важным строительным блоком для растений и животных и играют роль в иммунной системе и в клеточной коммуникации.
• Ферменты — это тип белка, который действует как биологический катализатор для ускорения реакций. Они работают по механизму «замок и ключ» и зависят от температуры и pH.
• Нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК, состоят из C, H, O, N и P. ДНК содержит генетическую информацию о наследственности, а РНК содержит инструкции о том, как производить белок.
• Витамины — это важные органические молекулы, которые необходимо получать с пищей. Они часто помогают ферментам работать должным образом или участвовать в росте или дифференцировке.

Чтобы понять химию живых систем, важно понять, как устроены все живые системы от мельчайшей единицы (атомный масштаб) до самой большой единицы (экосистемы).Простой способ описать уровни организации жизненного пространства можно дать так:

атом \ (\ rightarrow \) молекула \ (\ rightarrow \) клетка \ (\ rightarrow \) ткань \ (\ rightarrow \) орган \ (\ rightarrow \) система \ (\ rightarrow \) организм \ (\ rightarrow \) экосистема

Биохимия, липиды — StatPearls — Книжная полка NCBI

Введение

Жиры и липиды являются важным компонентом гомеостатической функции человеческого тела. Липиды участвуют в некоторых из наиболее важных процессов в организме.

Липиды представляют собой жирные, воскообразные или маслянистые соединения, растворимые в органических растворителях и нерастворимые в полярных растворителях, таких как вода. Липиды включают:

Основы

Жиры и масла — это сложные эфиры, состоящие из глицерина (трехуглеродный сахарный спирт / полиол) и трех жирных кислот. Жирные кислоты представляют собой углеводородные цепи разной длины с разной степенью насыщения, заканчивающиеся группами карбоновых кислот. Кроме того, двойные связи жирных кислот могут быть либо цис-, либо транс-, создавая множество различных типов жирных кислот.Жирные кислоты в биологических системах обычно содержат четное число атомов углерода и обычно имеют длину от 14 до 24 атомов углерода. Триглицериды накапливают энергию, обеспечивают изоляцию клеток и способствуют усвоению жирорастворимых витаминов. Жиры обычно твердые при комнатной температуре, тогда как масла обычно жидкие. [1]

Липиды являются важным компонентом клеточной мембраны. Структура обычно состоит из глицериновой основной цепи, двух хвостов жирных кислот (гидрофобная) и фосфатной группы (гидрофильная).Таким образом, фосфолипиды являются амфипатическими. В клеточной мембране фосфолипиды расположены двухслойным образом, обеспечивая защиту клетки и служа барьером для определенных молекул. Гидрофильная часть обращена наружу, а гидрофобная часть обращена внутрь. Такое расположение помогает отслеживать, какие молекулы могут входить в клетку и выходить из нее. Например, неполярные молекулы и небольшие полярные молекулы, такие как кислород и вода, могут легко диффундировать внутрь и из клетки. Большие полярные молекулы, например глюкоза, не могут свободно проходить, поэтому им нужна помощь транспортных белков.

Другой тип липидов — воск. Воски представляют собой сложные эфиры, состоящие из длинноцепочечного спирта и жирной кислоты. Они обеспечивают защиту, особенно растениям, у которых воск покрывает листья растений. У людей сера, также известная как ушная сера, помогает защитить кожу слухового прохода.

Другой класс включает стероиды, которые имеют структуру из 4 конденсированных колец. Один из важных стероидов — холестерин. Холестерин вырабатывается в печени и является предшественником многих других стероидных гормонов, таких как эстроген, тестостерон и кортизол.Он также является частью клеточных мембран, внедряясь в бислой и влияя на текучесть мембраны. [2]

Механизм

Взаимодействие между водобоязненными и жиролюбивыми проявлениями более четко проявляется во время транспорта липидов в плазме. И холестерин, и триглицериды представляют собой молекулы неполярных липидов. Следовательно, они должны перемещаться в полярной плазме с помощью липопротеиновых частиц. Основная цель липопротеинов — помочь транспортировать липиды (гидрофобные) в воде. В структуру липопротеинов входят триглицериды, холестерин, фосфолипиды и аполипопротеины.Аполипопротеины в основном функционируют как белки-носители, но также служат кофакторами для ферментов, которые метаболизируют липопротеины и помогают в обмене липидных компонентов между липопротеинами. Некоторые примеры липопротеинов включают хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (VLDL), липопротеины средней плотности (IDL), липопротеины низкой плотности (LDL) и липопротеины высокой плотности (HDL). Каждый из них используется на разных этапах транспорта липидов. [3]

Хиломикроны — это большие частицы, богатые триглицеридами, образующиеся в эндоплазматическом ретикулуме энтероцитов тонкой кишки.Они играют роль в переносе пищевых триглицеридов и холестерина в периферические ткани и печень. [4] Апо B-48 представляет собой аполипопротеин, который участвует в сборке хиломикронов, таким образом, играя жизненно важную роль в абсорбции пищевых жиров и жирорастворимых витаминов. [5]

ЛПОНП — это богатые триглицеридами частицы, вырабатываемые в печени. [4] Апо B-100 важен для производства ЛПОНП. [5]

IDL-частицы, богатые холестерином, образуются, когда триглицериды удаляются из VLDL мышцами и жировой тканью.[4]

частиц ЛПНП образуются из частиц ЛПОНП и ЛПОНП, а также богаты холестерином. ЛПНП транспортирует большую часть холестерина в крови и в просторечии считается «плохим холестерином». [4] Апо B-100 играет ключевую роль, действуя как лиганд для опосредованного рецептором ЛПНП поглощения частиц ЛПНП печенью и другими тканями. . [5]

Частицы ЛПВП богаты холестерином и фосфолипидами и способствуют обратному транспорту холестерина из периферических тканей в печень, где он удаляется.Таким образом, холестерин ЛПВП считается «хорошим холестерином». [4]

Транспортировка липидов плазмы осуществляется двумя путями. Один из них — это экзогенный путь транспортировки пищевых триглицеридов и холестерина из тонкого кишечника. [3] В тонком кишечнике триглицериды расщепляются с помощью ферментов и желчных кислот, таких как холевая кислота. Во-первых, продукты раннего пищеварения, такие как свободные жирные кислоты, вызывают высвобождение гормона холецистокинина (ХЦК) двенадцатиперстной кишкой. Активность ХЦК стимулирует опорожнение желчного пузыря, что приводит к выделению желчи в тонкий кишечник и дополнительно заставляет поджелудочную железу выделять пищеварительные ферменты поджелудочной железы в кишечник.[6] Моющее действие желчных кислот способствует эмульгированию жиров, что облегчает гидролиз водорастворимыми пищеварительными ферментами из-за увеличенной площади поверхности. Один важный фермент, липаза поджелудочной железы, расщепляет триглицериды с образованием свободных жирных кислот и моноацилглицерина, которые абсорбируются клетками слизистой оболочки кишечника с помощью смешанных мицелл, образовавшихся в процессе [7].

Жирные кислоты состоят из 12 атомов углерода или меньше и всасываются через ворсинки слизистой оболочки кишечника.Они попадают в кровоток через капилляры, достигают воротной вены и доставляются в печень с помощью белков-переносчиков липидов, которые используются для получения энергии. Однако жирные кислоты с более длинной цепью абсорбируются слизистой оболочкой кишечника из просвета, где они повторно этерифицируются с образованием триглицеридов и включаются в хиломикроны; Затем хиломикроны попадают в кишечную лимфу, секретируются в кровоток через грудной проток и прикрепляются к стенкам капилляров в жировой и скелетной мышечной ткани.В точках прикрепления хиломикроны взаимодействуют с ферментом липопротеин липазой, что приводит к разрушению триглицеридного ядра и высвобождению свободных жирных кислот. Жирные кислоты проникают через эндотелиальные клетки капилляров и либо накапливаются в жировых клетках, либо окисляются в клетках скелетных мышц. В результате гидролиза триглицеридного ядра остатки удаляются из плазмы и доставляются в клетки печени для разложения лизосомами. Это вызывает выброс холестерина, который может превращаться в желчные кислоты, интегрироваться в ЛПОНП или даже объединяться с желчью.

Другой путь — через эндогенную систему, в которой холестерин и триглицериды перемещаются из печени и других некишечных тканей в кровоток. Печень производит триглицериды из углеводов и свободных жирных кислот. Эти триглицериды затем высвобождаются в плазму в ядре ЛПОНП. Частицы ЛПОНП взаимодействуют с липопротеинлипазой в тканевых капиллярах, вызывая гидролиз ядра триглицеридов и высвобождение свободных жирных кислот. Некоторые из остаточных частиц выводятся из плазмы и связываются с клетками печени.Остальные остаточные частицы, однако, трансформируются в частицы ЛПНП, которые затем поставляют холестерин клеткам, имеющим рецепторы ЛПНП, таким как гонады, надпочечники, скелетные мышцы, лимфоциты и почки.

В дополнение к функциям, упомянутым выше, когда требуется энергия, жир также может быть преобразован в энергию. Глюкагон (высвобождается во время голодания) или адреналин (высвобождается во время упражнений) активирует липазу триглицеридов жиров (ATGL), гормоночувствительную липазу (HSL) и моноглицерид липазу (MGL) для высвобождения жирных кислот.Эти жирные кислоты затем могут использоваться для получения энергии большинством тканей с помощью митохондрий и цикла Кребса. [3]

Тестирование

Тесты могут быть выполнены для определения уровней различных типов липидов в крови. Хотя уровень холестерина обычно стабильный, уровень триглицеридов меняется изо дня в день и повышается после еды. Следовательно, образец крови, называемый «липидной панелью», взятый для анализа липидов, должен быть взят после 12-часового периода голодания, что позволяет удалить хиломикроны из крови.Для получения более точных результатов пациентам не следует принимать какие-либо лекарства, которые могут изменить уровень липидов в крови, или проходить анализ во время стресса или болезни. [3]

Клиническая значимость

Аномальные уровни холестерина и триглицеридов в крови часто возникают из-за необычной сборки, разрушения или транспорта липопротеиновых частиц. Повышенный уровень липопротеинов плазмы называется гиперлипопротеинемией, а пониженный уровень липопротеинов плазмы называется гиполипопротеинемией.

Уровни липидов в плазме являются хорошими индикаторами риска сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). Например, гиперлипопротеинемия связана с повышенным риском атеросклеротического сердечно-сосудистого заболевания, а также с более высокой частотой ишемической сосудистой болезни и развитием жировых отложений под кожей, известных как ксантомы и ксантелазмы. Повышенные концентрации общего холестерина и ЛПНП в плазме связаны с повышенным риском ишемической болезни сердца и повышением уровня триглицеридов в плазме.Увеличение ЛПОНП связано с большей распространенностью атеросклеротической болезни сердца. Однако повышенный уровень холестерина ЛПВП может защитить от атеросклеротического заболевания сердца из-за его способности предотвращать чрезмерное накопление холестерина в организме. Существует несколько типов и подтипов нарушений, связанных с липидами, и они описаны ниже.

Гипертриглицеридемия — это заболевание с высоким уровнем триглицеридов в крови. Пять основных нарушений приводят к гипертриглицеридемии:

• Семейная гипертриглицеридемия: аутосомно-доминантное заболевание, которое приводит к повышенным уровням ЛПОНП в плазме.

• Врожденная недостаточность липопротеинлипазы: аутосомно-рецессивное заболевание, которое приводит к низкой или нулевой активности липопротеинлипазы; обычно хиломикроны накапливаются в крови и развиваются эруптивные ксантомы.

• Дефицит апопротеина CII: аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся отсутствием апопротеина CII, важного кофактора для активности липопротеинлипазы; обычно наблюдается накопление хиломикронов и ЛПОНП в плазме

• Семейная дисбеталипопротеинемия: заболевание, при котором наблюдается дефект аполипопротеина Е; из-за накопления остаточных частиц ЛПОНП в крови повышается уровень холестерина и триглицеридов в плазме

Гиперхолестеринемия — это заболевание, при котором в крови повышен уровень холестерина.Три основных состояния приводят к гиперхолестеринемии:

• Полигенная гиперхолестеринемия: наиболее частое нарушение, повышающее уровень холестерина; имеется много вовлеченных генов, которые повышают концентрацию ЛПНП в плазме

• Семейная гиперхолестеринемия: аутосомно-доминантное заболевание, при котором ген рецептора ЛПНП является дефектным, поэтому удаление ЛПНП из плазмы менее эффективно

• Семейная комбинированная гиперлипидемия : Обсуждалась ранее выше

Гиперальфалипопротеинемия — это заболевание с повышенным уровнем ЛПВП в плазме.Большинство случаев наследуются по доминантному или полигенному типу и связаны с более низким риском ишемической болезни сердца [8].

Высокий уровень липидов в плазме также может быть вызван диетическими факторами, такими как прием избыточных калорий, насыщенных жирных кислот и холестерина, а также приемом лекарств.

Гиполипопротеинемия означает относительно низкий уровень липидов в крови. Такое состояние может быть связано с генетическим компонентом или, возможно, с другими состояниями, такими как анемия или сверхактивная щитовидная железа.

Гиполипопротеинемии включают три основных состояния:

• Гипоальфалипопротеинемия: снижение уровня холестерина ЛПВП в плазме, связанное с повышенным риском ишемической болезни сердца

• Абеталипопротеинемия: аутосомно-рецессивное заболевание; это вызвано дефицитом апопротеина B и характеризуется отсутствием хиломикронов, ЛПНП и ЛПОНП в крови

• Болезнь Танжера: аутосомно-рецессивное заболевание, классифицируемое по отсутствию ЛПВП в плазме, что приводит к синтезу аномального хиломикрона. remnant

Другие нарушения, при которых в крови присутствуют аномальные структурные липопротеины и их концентрации, называются дислипопротеинемией.Одним из нарушений такого рода является дефицит ЛХАТ (лецитин-холестерин-ацилтрансфераза). Низкая активность этого фермента вызывает накопление неэтерифицированного холестерина в плазме и тканях [3].

Другие болезни включают болезни накопления липидов или липидозы, которые являются генетическими заболеваниями, при которых в клетках и тканях накапливаются атипичные количества липидов. Липидозы характеризуются отсутствием ферментов, необходимых для метаболизма липидов, или нарушением правильного функционирования ферментов. Это ненормальное отложение жира может привести к серьезным повреждениям клеток и тканей, включая мозг, сердце, печень, почки и селезенку.Два примера липидозов включают болезнь Гоше и болезнь Тея-Сакса. Болезнь Гоше вызывается дефицитом фермента глюкоцереброзидазы, что приводит к гепатоспленомегалии, панцитопении и костным кризам. Тай-Сакс вызывается отсутствием фермента гексозаминидазы-A и приводит к прогрессирующей потере умственных и физических возможностей. [9]

Хотя лечение липидозов неспецифично и в основном ограничивается заместительной ферментной терапией, существуют варианты лекарств, которые помогают снизить уровень липидов в плазме.Однако крайне важно контролировать потребление пищи и изменения образа жизни до начала приема лекарств или одновременно с ними. Некоторые из этих изменений могут включать в себя низкокалорийную диету, упражнения и отказ от курения, если вы курите. Популярные варианты лечения включают статины, фибраты, омега-3 жирные кислоты, секвестранты желчных кислот, ингибитор абсорбции холестерина и никотиновую кислоту. Из этих вариантов наиболее широко назначаемым лечением являются статины. [10] Они могут снизить биосинтез холестерина, в первую очередь в печени, путем конкурентного ингибирования HMG-CoA редуктазы, фермента, ограничивающего скорость производства холестерина.Статины также помогают в поглощении и разрушении ЛПНП. Они внесли свой вклад в прогресс, достигнутый в первичной и вторичной профилактике ишемической болезни сердца, и снизили уровень смертности среди пациентов с коронарной болезнью. [11]

Определить структуру и назначение углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или несколько ваших авторских прав, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105


Или заполните форму ниже:

Липиды: определение, структура, функция и примеры

Липиды включают группу соединений, таких как жиры, масла, стероиды и воски, обнаруженные в живых организмах. И прокариоты, и эукариоты обладают липидами, которые играют важную биологическую роль, такую ​​как формирование мембран, защита, изоляция, накопление энергии, деление клеток и многое другое.В медицине липиды относятся к жирам в крови.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Липиды обозначают жиры, масла, стероиды и воски, обнаруженные в живых организмах. Липиды выполняют множество функций у разных видов, для хранения энергии, защиты, изоляции, деления клеток и других важных биологических функций.

Структура липидов

Липиды состоят из триглицерида, состоящего из спирта глицерина и жирных кислот. Дополнения к этой основной структуре приводят к большому разнообразию липидов.На данный момент открыто более 10 000 видов липидов, и многие из них работают с огромным разнообразием белков для клеточного метаболизма и транспорта материалов. Липиды значительно меньше белков.

Примеры липидов

Жирные кислоты являются одним из типов липидов и также служат строительными блоками для других липидов. Жирные кислоты содержат карбоксильные (-COOH) группы, связанные с углеродной цепью с присоединенными атомами водорода. Эта цепь нерастворима в воде. Жирные кислоты могут быть насыщенными или ненасыщенными.Насыщенные жирные кислоты имеют одинарные углеродные связи, тогда как ненасыщенные жирные кислоты имеют двойные углеродные связи. Когда насыщенные жирные кислоты сочетаются с триглицеридами, это приводит к твердым жирам при комнатной температуре. Это потому, что их структура заставляет их плотно упаковываться. Напротив, ненасыщенные жирные кислоты в сочетании с триглицеридами имеют тенденцию давать жидкие масла. Изогнутая структура ненасыщенных жиров дает более рыхлое и жидкое вещество при комнатной температуре.

Фосфолипиды состоят из триглицерида с фосфатной группой, замещенной жирной кислотой.Их можно описать как имеющие заряженную голову и углеводородный хвост. Их головы гидрофильны или водолюбивы, тогда как их хвосты гидрофобны или отталкивают воду.

Другой пример липида — холестерин. Холестерины образуют жесткие кольцевые структуры из пяти или шести атомов углерода с присоединенными атомами водорода и гибким углеводородным хвостом. Первое кольцо содержит гидроксильную группу, которая распространяется в водную среду мембран клеток животных. Однако остальная часть молекулы нерастворима в воде.

Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) — это липиды, которые способствуют текучести мембран. ПНЖК участвуют в передаче клеточных сигналов, связанных с нервным воспалением и энергетическим метаболизмом. Они могут оказывать нейрозащитное действие, как омега-3 жирные кислоты, и в этом составе они обладают противовоспалительным действием. Что касается жирных кислот омега-6, ПНЖК могут вызывать воспаление.

Стерины — это липиды, содержащиеся в мембранах растений. Гликолипиды — это липиды, связанные с углеводами, которые входят в состав липидных пулов клеток.

Функции липидов

Липиды играют в организмах несколько ролей. Липиды создают защитные барьеры. Они включают клеточные мембраны и часть структуры клеточных стенок растений. Липиды обеспечивают хранение энергии растениям и животным. Довольно часто липиды действуют вместе с белками. На функции липидов могут влиять изменения их полярных головных групп, а также их боковых цепей.

Фосфолипиды с их амфипатической природой составляют основу липидных бислоев, из которых состоят клеточные мембраны.Внешний слой взаимодействует с водой, в то время как внутренний слой существует в виде гибкого маслянистого вещества. Жидкая природа клеточных мембран помогает в их функции. Липиды составляют не только плазматические мембраны, но и клеточные компартменты, такие как ядерная оболочка, эндоплазматический ретикулум (ER), аппарат Гольджи и везикулы.

Липиды также участвуют в делении клеток. Делящиеся клетки регулируют содержание липидов в зависимости от клеточного цикла. По крайней мере, 11 липидов участвуют в активности клеточного цикла. Сфинголипиды играют роль в цитокинезе во время интерфазы.Поскольку деление клеток приводит к натяжению плазматической мембраны, липиды, по-видимому, помогают с механическими аспектами деления, такими как жесткость мембраны.

Липиды обеспечивают защитные барьеры для специализированных тканей, таких как нервы. Защитная миелиновая оболочка, окружающая нервы, содержит липиды.

Липиды обеспечивают наибольшее количество энергии за счет потребления, имея более чем в два раза больше энергии, чем белки и углеводы. Организм расщепляет жиры в процессе пищеварения, некоторые из которых используются для немедленных энергетических нужд, а другие — для хранения.Организм использует запасы липидов для физических упражнений, используя липазы для расщепления этих липидов и, в конечном итоге, для производства большего количества аденозинтрифосфата (АТФ) для питания клеток.

В растениях масла из семян, такие как триацилглицерины (ТАГ), служат хранилищем пищи для прорастания и роста семян как покрытосеменных, так и голосеменных растений. Эти масла хранятся в масляных телах (ОВ) и защищены фосфолипидами и белками, называемыми олеозинами. Все эти вещества вырабатываются эндоплазматическим ретикулумом (ЭР).Почки масляного тела из ER.

Липиды дают растениям энергию, необходимую для их метаболических процессов и сигналов между клетками. Флоэма, одна из основных транспортных частей растений (наряду с ксилемой), содержит липиды, такие как холестерин, ситостерин, кампостерол, стигмастерин и несколько различных липофильных гормонов и молекул. Различные липиды могут играть роль в передаче сигналов о повреждении растения. Фосфолипиды в растениях также действуют в ответ на факторы стресса окружающей среды, воздействующие на растения, а также в ответ на патогенные инфекции.

У животных липиды также служат изоляцией от окружающей среды и защитой жизненно важных органов. Липиды также обеспечивают плавучесть и водонепроницаемость.

Липиды на основе сфингоидов, называемые церамидами, выполняют важные функции для здоровья кожи. Они помогают формировать эпидермис, который служит внешним слоем кожи, защищающим от окружающей среды и предотвращающим потерю воды. Керамиды действуют как предшественники метаболизма сфинголипидов; в коже происходит активный липидный обмен.Сфинголипиды составляют структурные и сигнальные липиды, обнаруженные в коже. Сфингомиелины, изготовленные из керамидов, преобладают в нервной системе и помогают выжить мотонейронам.

Липиды также играют роль в передаче сигналов клетками. В центральной и периферической нервной системе липиды контролируют текучесть мембран и способствуют передаче электрических сигналов. Липиды помогают стабилизировать синапсы.

Липиды необходимы для роста, здоровой иммунной системы и репродукции. Липиды позволяют организму накапливать в печени витамины, такие как жирорастворимые витамины A, D, E и K.Холестерин служит предшественником таких гормонов, как эстроген и тестостерон. Он также вырабатывает желчные кислоты, растворяющие жир. Печень и кишечник производят примерно 80 процентов холестерина, а остальное поступает с пищей.

Липиды и здоровье

Обычно животные жиры насыщенные и, следовательно, твердые, тогда как растительные масла имеют тенденцию быть ненасыщенными и, следовательно, жидкими. Животные не могут производить ненасыщенные жиры, поэтому эти жиры должны потребляться от производителей, таких как растения и водоросли.В свою очередь, животные, которые едят этих потребителей растений (например, холодноводную рыбу), получают эти полезные жиры. Ненасыщенные жиры — самые полезные для здоровья жиры, поскольку они снижают риск заболеваний. Примеры этих жиров включают масла, такие как оливковое и подсолнечное масла, а также семена, орехи и рыбу. Листовые зеленые овощи также являются хорошим источником пищевых ненасыщенных жиров. Жирные кислоты в листьях используются в хлоропластах.

Трансжиры — это частично гидрогенизированные растительные масла, напоминающие насыщенные жиры.Трансжиры, которые раньше использовались в кулинарии, теперь считаются вредными для здоровья.

Насыщенные жиры следует потреблять меньше, чем ненасыщенные, поскольку насыщенные жиры могут увеличить риск заболевания. Примеры насыщенных жиров включают красное мясо животных и жирные молочные продукты, а также кокосовое масло и пальмовое масло.

Когда медицинские работники называют липиды жирами крови, это относится к типу жиров, которые часто обсуждаются в отношении здоровья сердечно-сосудистой системы, особенно к холестерину.Липопротеины помогают переносить холестерин в организм. Липопротеины высокой плотности (ЛПВП) относятся к холестерину, который является «хорошим» жиром. Он помогает выводить плохой холестерин через печень. «Плохие» холестерины включают ЛПНП, ЛПОНП, ЛПОНП и некоторые триглицериды. Плохие жиры увеличивают риск сердечного приступа и инсульта из-за их накопления в виде бляшек, что может привести к закупорке артерий. Поэтому баланс липидов имеет решающее значение для здоровья.

При воспалительных заболеваниях кожи может помочь потребление определенных липидов, таких как эйкозапентаеновая кислота (EPA) и доксагексаеновая кислота (DHA).Было показано, что EPA изменяет профиль церамидов кожи.

Ряд заболеваний связан с липидами в организме человека. Гипертриглицеридемия, состояние высокого уровня триглицеридов в крови, может привести к панкреатиту. Ряд лекарств снижает уровень триглицеридов, например, ферментами, разрушающими жиры крови. У некоторых людей также было обнаружено высокое снижение уровня триглицеридов при приеме медицинских добавок с рыбьим жиром.

Гиперхолестеринемия (высокий уровень холестерина в крови) может быть приобретенной или генетической.Люди с семейной гиперхолестеринемией обладают чрезвычайно высокими значениями холестерина, которые невозможно контролировать с помощью лекарств. Это значительно увеличивает риск сердечного приступа и инсульта, при этом многие люди умирают, не дожив до 50 лет.

Генетические заболевания, приводящие к накоплению большого количества липидов в кровеносных сосудах, называются болезнями накопления липидов. Это чрезмерное накопление жира оказывает вредное воздействие на мозг и другие части тела. Некоторые примеры болезней накопления липидов включают болезнь Фабри, болезнь Гоше, болезнь Ниманна-Пика, болезнь Сандхоффа и болезнь Тея-Сакса.К сожалению, многие из этих болезней накопления липидов приводят к болезням и смерти в молодом возрасте.

Липиды также играют роль в заболеваниях двигательных нейронов (БДН), поскольку эти состояния характеризуются не только дегенерацией и гибелью двигательных нейронов, но и проблемами с метаболизмом липидов. При БДН изменяются структурные липиды центральной нервной системы, и это влияет как на мембраны, так и на передачу сигналов клеток. Например, гиперметаболизм возникает при боковом амиотрофическом склерозе (БАС). По-видимому, существует связь между питанием (в данном случае, недостаточным потреблением липидных калорий) и риском развития БАС.Более высокие липиды соответствуют лучшим результатам для пациентов с БАС. Лекарства, нацеленные на сфинголипиды, рассматриваются как средства лечения пациентов с БАС. Необходимы дополнительные исследования, чтобы лучше понять задействованные механизмы и предложить правильные варианты лечения.

При спинальной мышечной атрофии (СМА), генетическом аутосомно-рецессивном заболевании, липиды не используются должным образом для получения энергии. Люди с СМА обладают высокой жировой массой при низком потреблении калорий. Следовательно, опять же, дисфункция липидного обмена играет важную роль в заболевании двигательных нейронов.

Существуют доказательства того, что жирные кислоты омега-3 играют полезную роль в таких дегенеративных заболеваниях, как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Доказано, что это не так для БАС, и фактически противоположный эффект токсичности был обнаружен на моделях мышей.

Текущие исследования липидов

Ученые продолжают открывать новые липиды. В настоящее время липиды не изучены на уровне белков и поэтому менее изучены. Большая часть нынешней классификации липидов опирается на химиков и биофизиков с упором на структуру, а не на функцию.Кроме того, было сложно выявить функции липидов из-за их тенденции соединяться с белками. Также трудно выяснить функцию липидов в живых клетках. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и масс-спектрометрия (МС) позволяют идентифицировать липиды с помощью компьютерного программного обеспечения. Однако для понимания механизмов и функций липидов необходимо лучшее разрешение микроскопии. Вместо анализа группы липидных экстрактов потребуется более специфический МС для выделения липидов из их белковых комплексов.Маркировка изотопов может улучшить визуализацию и, следовательно, идентификацию.

Очевидно, что липиды, в дополнение к их известным структурным и энергетическим характеристикам, играют роль в важных моторных функциях и передаче сигналов. По мере совершенствования технологий идентификации и визуализации липидов потребуются дополнительные исследования для определения функции липидов. В конце концов, есть надежда, что можно будет разработать маркеры, которые не нарушали бы чрезмерно липидную функцию. Возможность манипулировать липидной функцией на субклеточных уровнях может стать прорывом в исследованиях.Это могло бы произвести революцию в науке так же, как и исследования белков. В свою очередь, могут быть созданы новые лекарства, которые потенциально могут помочь тем, кто страдает липидными нарушениями.

Структура биологических мембран in vivo и доказательства наличия липидных доменов

Abstract

Изучение фундаментальной структуры и процессов живых клеток на наноуровне представляет собой уникальную аналитическую задачу, поскольку клетки динамичны, химически разнообразны и хрупки.Речь идет о клеточной мембране, которая слишком мала, чтобы ее можно было увидеть непосредственно с помощью оптической микроскопии, и не дает большого контраста для других методов. Как следствие, определение характеристик мембраны в наномасштабе проводилось ex vivo или в присутствии экзогенных меток, используемых для усиления контраста и придания специфичности. Здесь мы представляем стратегию изотопного мечения в грамположительной бактерии Bacillus subtilis для исследования наноразмерной структуры и организации ее плазматической мембраны in vivo.Посредством генетических и химических манипуляций с организмом мы независимо пометили клетку и ее мембрану определенными количествами водорода (H) и дейтерия (D). Эти изотопы обладают разными свойствами рассеяния нейтронов без изменения химического состава клеток. По спектрам рассеяния нейтронов мы подтвердили, что B . Клеточная мембрана subtilis является пластинчатой, и было определено, что ее средняя гидрофобная толщина составляет 24,3 ± 0,9 Ангстрем (Å). Кроме того, создав нейтронный контраст в плоскости мембраны с использованием смеси H- и D-жирных кислот, мы обнаружили латеральные особенности размером менее 40 нм, которые согласуются с понятием липидных рафтов.Эти эксперименты, проводимые в биологически значимых условиях, отвечают на давние вопросы мембранной биологии и иллюстрируют принципиально новый подход к систематическим исследованиям структуры клеточных мембран in vivo.

Информация об авторе

Структура и организация клеточной мембраны являются центральными для многих биологических функций, и, хотя они были тщательно изучены, мы все еще многого не понимаем. Большое количество подробной информации было получено в результате исследований модельных липидных мембран.Однако эти системы часто очень упрощены по составу и всегда лишены активных процессов, обнаруженных в клетках. Основным препятствием для изучения мембран in vivo в живых клетках было то, что физические методы с высоким разрешением, используемые для исследования структуры мембран, несовместимы с живыми организмами. Чтобы преодолеть это препятствие, мы использовали новый подход in vivo, который позволяет наблюдать структуру мембраны непосредственно у грамположительной бактерии B . subtilis .Этот подход основан на настройке изотопного содержания водорода в мембране и других частях бактерии, чтобы генерировать спектры рассеяния нейтронов исключительно на мембране. Используя этот подход, мы подтвердили, что структура файла B . Мембрана subtilis пластинчатая и имеет среднюю гидрофобную толщину 23,9 ± 0,9 Ангстрем (Å). Мы также смогли наблюдать наноскопические латеральные мембранные структуры, соответствующие представлению о липидных рафтах. Этот экспериментальный подход позволит в будущем проводить широкий спектр структурных исследований клеточной мембраны (и, возможно, других классов биомолекул) без необходимости использования внешних зондов или меток.Таким образом, он коренным образом меняет круг структурных вопросов наноразмерного масштаба, которые могут быть решены in vivo.

Образец цитирования: Nickels JD, Chatterjee S, Stanley CB, Qian S, Cheng X, Myles DAA и др. (2017) Структура биологических мембран in vivo и доказательства существования липидных доменов. PLoS Biol 15 (5): e2002214. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214

Академический редактор: Даниэль Лопес, Centro Nacional de Biotecnologia, Испания

Поступила: 10 февраля 2017 г .; Одобрена: 11 апреля 2017 г .; Опубликован: 23 мая 2017 г.

Авторские права: © 2017 Nickels et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе и его файлах с вспомогательной информацией.

Финансирование: Это исследование спонсировалось Программой исследований и разработок под руководством лаборатории (номер гранта 6988) Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL), управляемой UT-Battelle, LLC, для США.S. Министерство энергетики (DOE) по контракту № DE-AC05-00OR22725. Поддержка J.K. предоставлено Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США, Отделом научных пользовательских объектов и Департаментом биологических и экологических исследований Министерства энергетики США (номер гранта ERKP-851). В этом исследовании использовались ресурсы центра Oak Ridge Leadership Computing Facility в ORNL при поддержке Департамента перспективных научных компьютерных исследований Министерства энергетики США. Малоугловое рассеяние нейтронов было выполнено в ORNL с использованием прибора Bio-SANS на реакторе с изотопами с высоким потоком при поддержке Управления биологических и экологических исследований Министерства энергетики США, Отдела биологических систем, через Центр структурной молекулярной биологии ORNL и EQ. -Прибор SANS на источнике нейтронов расщепления, при поддержке Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США, Подразделения научных пользователей (номер гранта ERKP-SNX).Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Сокращения: Å, Ангстремс; а15: 0, антеизопентадекановая кислота; D, дейтерий; Д-М9, обогащенная дейтерием минимальная среда М9; ЭМ, электронная микроскопия; FA, жирная кислота; СЛАВА, метиловый эфир жирной кислоты; ГХ / МС, газовая хроматография / масс-спектрометрия; ЧАС, водород; H-M9, стандартный M9 минимальный средний; n16: 0, нормальная гексадекановая кислота; PBS, фосфатно-солевой буфер; ПК, фосфатидилхолин; SANS, малоугловое рассеяние нейтронов; ρ , плотность длины рассеяния нейтронов

Введение

Из-за присущей живым клеткам сложности, аналитические методы с высоким разрешением обычно используются ex vivo, и многие из них зависят от меток для дифференциации интересующих видов.В случае клеточных мембран их наноскопическая структура (ультраструктура) была выяснена в основном с помощью электронной микроскопии (ЭМ) с метками тяжелых атомов [1], дополненных биофизическими исследованиями модельных мембран in vitro. [2–12] Мембрана in vivo. исследования с более низким разрешением, особенно с помощью флуоресцентной микроскопии, предоставили дополнительные детали латеральной структуры, а также важную информацию о диффузии и других динамических процессах. [13] Благодаря этим методам появилась яркая картина мембраны.[14–19] Тем не менее, они имеют значительные ограничения, и фундаментальные вопросы об ультраструктуре мембраны in vivo остаются нерешенными. [20]

Например, гидрофобная толщина мембраны является основным структурным параметром, влияющим на мембранный транспорт, а также складывание и функцию мембранных белков. Однако гидрофобная толщина мембран никогда не определялась in vivo. Другой нерешенный вопрос касается существования наноскопических доменов или липидных рафтов.Гипотеза липидного рафта [21] предполагает латеральную организацию мембранных липидов и белков в отдельные домены в плоскости мембраны, чтобы облегчить сборку и регуляцию многомолекулярных комплексов. Эта гипотеза дает убедительное обоснование для многочисленных наблюдений, связанных с переносом через мембрану, эндоцитозом, передачей сигналов и другими процессами. [22-25] Однако доказательства существования липидных доменов были в значительной степени предположительными, и в настоящее время широко распространено мнение, что эти домены являются наноскопическими. а также переходные [26,27], что затрудняет их обнаружение.Новые методы исследования латеральной структуры in vivo — в идеале без использования внешних зондов — помогли бы нам понять роль латеральной гетерогенности во многих клеточных процессах, в которых она была задействована.

В этом контексте малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН) стало уникальным мощным инструментом для изучения структуры липидного бислоя in vitro. Нейтроны имеют длину волны порядка Ангстремов (Å) и, таким образом, по своей сути являются наноскопическими зондами, хорошо подобранными по размерам мембранной структуры.Используя правильно спланированные эксперименты, можно точно определить как поперечную (перпендикулярно плоскости мембраны) [7], так и латеральную (внутри плоскости мембраны) [28,29] структуру. Важно отметить, что методы рассеяния нейтронов не требуют внешних молекул или тяжелых атомов в качестве меток и вместо этого полагаются на изотопное замещение водородом (H) / дейтерием (D). Холодные и тепловые нейтроны также неразрушающие [30–32], что делает их идеальными для изучения живых систем. Однако применение мощных ультраструктурных методов на основе нейтронов ограничено моделями мембран in vitro из-за сложного сигнала рассеяния, возникающего от клеток в результате их разнообразного биомолекулярного состава.

Эксперименты по рассеянию и визуализации требуют, чтобы интересующие объекты имели наблюдаемый сигнал, контрастирующий с фоном. Если контраст в исходной системе недостаточен, он должен передаваться с помощью меток. В случае флуоресцентной визуализации контраст возникает из-за отличительных свойств возбуждения и излучения нативных или, чаще, введенных флуорофоров. В случае рентгеновских лучей и электронов контраст рассеяния возникает из-за разницы в электронной плотности, которая масштабируется с атомным номером.С другой стороны, нейтроны рассеиваются атомными ядрами, и ключевым параметром контраста, аналогичным плотности электронов, является плотность длины рассеяния ( ρ ). Длины рассеяния нейтронов ( b ) не связаны с атомным номером и, фактически, различаются для разных изотопов одного и того же элемента (S1 Рис.). Наиболее важно то, что длины рассеяния водорода ( b _H = -3,74 фм) и дейтерия ( b _D = 6,67 фм) существенно различаются. [31] Таким образом, нейтронный контраст уникален тем, что его можно варьировать в богатых водородом биологических системах с изотопными метками H / D, в отличие от меток тяжелых атомов, используемых в рентгеновском и электронном рассеянии, или флуоресцентных меток, используемых в микроскопии.

Различные классы биомолекул (т.е. белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты) имеют разный элементный состав, что дает каждому классу разное значение ρ (рис. 1a и 1b; таблица A в тексте S1). Многокомпонентные системы могут быть спроектированы таким образом, что 2 или более компонентов имеют одинаковый ρ , например, белок примерно на 42% D ₂ O / H ₂ O. В этом случае говорят, что белок и растворитель подобран по контрасту, и белок не генерирует отчетливого сигнала рассеяния — i.е., он фактически невидим для нейтронов. [30] Если вводится третий компонент, имеющий другое значение ρ (например, ДНК), он становится единственным участником чистого рассеяния. Посредством разумного H / D-мечения образца и водной среды можно настроить ρ для различных биомолекул, чтобы усилить или ослабить их рассеяние. Таким образом, контраст можно изменять без изменения химического состава системы.

Рис. 1. Структура оболочки и рассеивающие свойства B . subtilis .

(а) Изображение клеточной стенки, мембраны и части цитоплазмы. (b) Плотности длины рассеяния нейтронов, ρ , различных немеченых биомолекул в зависимости от процента D ₂ O в водной среде. Цвета линий соответствуют (а). Наклонные линии являются результатом частичного дейтерирования за счет обмена водородов NH, OH и SH со все более дейтерированной водой. Где линия для каждого типа биомолекул пересекает черную ватерлинию, e.g., примерно при 42% D ₂ O для белка (оранжевая линия), класс биомолекул сопоставим по контрасту и фактически невидим для нейтронов. (c) Полное рассеяние нейтронов от клеток, выращенных в обычной водородной (H) среде и ресуспендированных в фосфатно-солевом буфере (PBS) при различных концентрациях D ₂ O (см. данные S1). Расчетная интенсивность I (0) показана с наблюдаемой интенсивностью, выраженной как инвариант Порода Q *, из экспериментов по малоугловому рассеянию нейтронов (МУРН). I (0) был рассчитан с использованием значений ρ в (b) и биомолекулярного состава B . subtilis (таблицы A – E в тексте S1). Вклад отдельных видов показан с использованием той же цветовой схемы, что и на (b). Интенсивность масштабируется с Δ ρ ² и отображается как квадратный корень для сохранения пропорциональности по ординатам между (b) и (c).

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.g001

В этом отчете мы описываем химико-биологический подход к управлению изменением нейтронного контраста in vivo и его применение для изучения ультраструктуры клеточной мембраны.В качестве платформы мы выбрали грамположительную бактерию B . subtilis . Этот организм имеет ряд привлекательных особенностей, таких как способность к генетической трактовке, хорошо изученный липидный обмен и легко расти в дейтерированных средах. Важно отметить, что он имеет единственную мембрану и использует только насыщенные жирные кислоты (ЖК), которые можно легко приготовить в дейтерированной форме, что позволяет регулировать контраст мембран. После подавления клеточного контраста посредством глобального D-мечения (т. Е.(заменяя большую часть H на D по всей клетке), мы выборочно повторно вводили контраст в мембрану, поставляя H-FA, которые включала клетка. Таким образом, мы смогли выделить спектр МУРН мембраны, который показал, что это пластинчатая структура с гидрофобной толщиной 24,3 ± 0,9 Å. Модификация схемы контрастного мечения привела к наблюдению наноскопических липидных структур размером <40 нм в плоскости клеточной мембраны, предоставив экспериментальные доказательства существования наноскопических липидных доменов (липидных рафтов) в активной биологической мембране.

Результаты

Стратегия согласования общего клеточного нейтронного контраста для

B . subtilis

Сигнал нейтронного рассеяния от клетки отражает сумму вкладов всех клеточных компонентов, в данном случае воды, белка, РНК, ДНК, углеводов и липидов (рис. 1а). Каждый из них имеет характеристику ρ (рис. 1b), а из их относительного содержания в B . subtilis , [33] мы оценили общее рассеяние от организма как функцию концентрации D ₂ O в водной среде.Вода составляет примерно 85% клеточного объема и быстро обменивается через мембрану. Следовательно, погружение клеток в дейтерированный буфер изменяет нейтронный контраст, следовательно, суммарное рассеяние, при этом относительные вклады различных молекулярных видов меняются в зависимости от концентрации D ₂ O (рис. 1c; S2, рис.).

Затем мы измерили полное рассеяние от B . subtilis культивировали в стандартной минимальной среде M9 (H-M9) и ресуспендировали в фосфатно-солевом буфере (PBS) при различных концентрациях D ₂ O.Наблюдаемое рассеяние близко соответствовало предсказаниям простой композиционной модели, как показано на рис. 1c. Обратите внимание, что клетки сильно разбросаны по всему диапазону процентов D ₂ O, а общий сигнал при любой концентрации D ₂ O отражает вклады множества классов биомолекул, присутствующих в клетке. Структурный анализ на основе перекрывающихся сигналов непрактичен, если вообще возможен.

Чтобы изолировать значимый сигнал рассеяния от мембраны, сначала необходимо было подавить нейтронный контраст от всей клетки, манипулируя ее H / D-составом.Эта цель была достигнута путем культивирования B . subtilis в обогащенной дейтерием минимальной среде M9 (D-M9, приготовленный на 90% D ₂ O с H-глюкозой в качестве источника углерода). Благодаря метаболическому обмену H / D дейтерий из ростовой среды постоянно включается в углеродные скелеты биосинтетических молекул. В целом, дейтерирование скелета составляло примерно 70% (S4 Рис., Таблицы B и C в S1 Text), что, как предполагалось, создаст условия, близкие к контрастному, согласованному для всех биомолекул, когда клетки были погружены примерно на 85% D ₂ O буфер. (Рис. 2а).Это ожидание подтвердилось в эксперименте по рассеянию, где сильное уменьшение общего рассеяния наблюдалось примерно при 85% D ₂ O (рис. 2b, светлые кружки; S2 рис.).

Рис. 2. Условия роста для контроля состава мембраны и нейтронного контраста.

(a) Плотности длины рассеяния ρ для различных классов биомолекул в B . subtilis культивировали в 90% D ₂ O с водородом (H) -глюкозой. По сравнению с рис. 1b, наблюдается явный сдвиг ρ к более высоким значениям для всех классов биомолекул в результате дейтерирования, сходящийся в диапазоне 90% –100% D ₂ O.Включение экзогенных H-жирных кислот (ЖК; сплошная синяя линия) создает сильный нейтронный контраст (синяя стрелка вниз). (b) Общее рассеяние нейтронов от клеток, выращенных в дейтерированной среде и ресуспендированных в фосфатно-солевом буфере (PBS) при различных концентрациях D ₂ O. Наблюдаемая интенсивность рассеяния Q * показана вместе с рассчитанными интенсивностями I (0) для клеток Δ yusL , выращенных в отсутствие (белые кружки) или в присутствии (белые квадраты) церуленина и H-FA.Разница при 85% D ₂ O (синяя стрелка вверх) является результатом сильного контраста между H-FA и остальной частью клетки и буфером. (c) Клеточные липиды экстрагировали, затем подвергали метанолизу для высвобождения ЖК в виде сложных метиловых эфиров для анализа с помощью газовой хроматографии / масс-спектрометрии (S3 фиг.). (вверху) B . Мембраны subtilis содержат смесь 7 линейных и разветвленных насыщенных ЖК [34]. (посередине) Рост клеток в дейтерированной среде существенно не изменяет состав ЖК (S4 рис. и таблица B в тексте S1).Пики смещаются, потому что дейтерирование снижает удерживание на колонке и расширяется из-за присутствия нескольких изотопомеров, в среднем около 70% дейтерия (D). (внизу) Обработанные церуленином клетки Δ yusL , спасенные добавлением 2 нативных ЖК, H-антеизопентадекановой кислоты (a15: 0) и H-нормальной-гексадекановой кислоты (n16: 0), включают только эти 2 ЖК в их мембраны. См. Данные S2. (d) деградация ЖК посредством β-окисления подавлялась делецией гена yusL ( fadN ) (локус BSU32840), а биосинтез ЖК блокировался условно добавлением церуленина в среду.Экзогенные ЖК спасают рост и включаются в фосфолипиды мембран.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.g002

Включение H / D-меченых ЖК в клеточную мембрану

При подавлении контраста следующим шагом было повторное введение контраста конкретно в мембрану путем предоставления экзогенных ЖК для включения в фосфолипиды мембраны. Мембранные ЖК после превращения в метиловые эфиры ЖК (МЭЖК) легко анализируются на структуру и изотопное замещение с помощью газовой хроматографии / масс-спектрометрии (ГХ / МС).Как показано на рис. 2c (вверху), B . subtilis использует смесь 7 основных ЖК, все из которых являются насыщенными (не имеют двойных связей) и все, кроме одной, разветвленные. [34,35] Первоначальные эксперименты по добавлению добавок с B дикого типа. subtilis показал, что экзогенные ЖК не были включены в липиды мембран в неповрежденном виде, поэтому нативные пути как катаболизма, так и анаболизма ЖК должны быть заблокированы (рис. 2d).

Катаболизм был генетически заблокирован делецией yusL , гена, кодирующего критический фермент β-окисления, еноил-КоА гидратазу.[36] Анаболизм был заблокирован химически с помощью церуленина, необратимого ингибитора β-кетоацил-ACP-синтазы, который подавляет биосинтез de novo FA. [37] Эта комбинация привела к условному FA-зависимому росту (продемонстрировано на S5 Fig). Ингибирование роста, вызванное церуленином, может быть устранено с помощью смеси всего лишь двух природных компонентов ЖК — пальмитиновой кислоты (нормальная гексадекановая кислота [n16: 0]) и 12-метилтетрадекановой кислоты (антеизопентадекановая кислота [a15: 0]). . [38] Эти 2 составляют минимальный набор из 1 тугоплавкой (n16: 0) и 1 легкоплавкой (a15: 0) ЖК, с помощью которых клетка может регулировать текучесть и структуру своей мембраны.Немеченые (H) и пердейтерированные (D) формы этих 2 FA затем использовали в различных смесях для настройки нейтронного контраста в мембране.

Рост B . subtilis Δ yusL в среде D-M9 не изменяет состав ЖК мембраны (рис. 2c, верхняя и средняя панели; см. Рис. S4 для распределения пиков и таблицу B в тексте S1 для площадей пиков и анализа дейтерирования). Однако, когда обработанные церуленином клетки Δ yusL выращивали в той же среде D-M9, дополненной H-n16: 0 и H-a15: 0, их мембранные ЖК состояли исключительно из этих 2 ЖК, без дейтерий, включенный из среды (рис. 2в, нижняя панель).Общее рассеяние нейтронов от этих клеток показало большое увеличение рассеяния при 85% D ₂ O (отмечено синей стрелкой на фиг. 2b), что можно полностью отнести на счет H-FA, включенных в фосфолипиды мембраны.

Измерения SANS для определения толщины гидрофобной мембраны

Придав контраст мембране (рис. 3a), мы использовали SANS для определения поперечной структуры мембраны путем регистрации интенсивности рассеяния, I (q) , как функции волнового вектора рассеяния, q .Клетки для этого эксперимента культивировали, как описано выше, в среде D-M9 с добавлением церуленина и H-n16: 0 и H-a15: 0 для мечения мембраны, затем переносили в 85% буфер D ₂ O. Поскольку это более трудоемкие эксперименты, клетки ресуспендировали в 85% буфере D ₂ O с добавлением глюкозы, Mg ²⁺ и церуленина. Эти добавки предотвращают автолиз и сохраняют мембранный потенциал [39,40], так что клетки в суспензии оставались жизнеспособными на> 90% в течение 4 часов при 25 ° C, что было определено прямым подсчетом клеток, измерениями оптической плотности и живыми / мертвое окрашивание (S6 и S7 фиг.).Остаточный фон регистрировали с использованием обработанных церуленином клеток Δ yusL , которым скармливали смесь FA, контрастно соответствующую 85% D ₂ O (a15: 0 и n16: 0, каждый 30% H и 70% D ), которые не вносят существенного вклада в суммарный сигнал рассеяния нейтронов.

Рис. 3. Малоугловое рассеяние нейтронов с изменением контраста (МУРН) показывает структуру B . subtilis мембрана.

(a) Схема мембраны, меченной водородом (H), в свете нейтронов.Клеточная стенка и содержимое цитоплазмы сопоставимы по контрасту при 85% D ₂ O, следовательно, невидимы для нейтронов, в то время как мембрана со встроенными H-жирными кислотами (ЖК) выделяется на сильном контрасте. (b) Данные SANS, построенные как интенсивность рассеяния, I (q) , как функция волнового вектора рассеяния, q (Å ^-1 ), от B . subtilis мембрана. Планки погрешностей соответствуют ± σ . Экспериментальные данные показаны наложенными на наиболее подходящие (красная сплошная линия) с использованием пластинчатого форм-фактора [45], показывая среднюю гидрофобную толщину 24.3 ± 0,9 Å, что соответствует липидному бислою жидкой фазы (см. Данные S3). Анализ мембранных ЖК методом газовой хроматографии / масс-спектрометрии (ГХ / МС) показан на рис. 2с с интегралами пиков в таблице E в тексте S1.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.g003

В SANS форма данных I (q) по сравнению с данными q описывает структуру выборки от порядка Ангстремов до приблизительно 100 нм. Формально эти данные моделируются с использованием пластинчатого форм-фактора, представляющего ацильное ядро ​​бислоя, с двумя идентичными областями головной группы с каждой стороны, сопоставленными по контрасту с плотностью рассеяния окружающей клеточной среды.Пластинчатый форм-фактор характеризуется зависимостью q ⁻² при низком уровне — q , возникающей из поверхности двумерной мембраны всей бактерии, переходящей к зависимости q ⁻⁴ , типичной для трехмерных объектов с гладкие поверхности и острые границы раздела — более подробная информация доступна в литературе [41–44], а также в материалах и методах .

Вычитание фона из рассеяния образца показало чистый мембранный спектр, который показал пластинчатый форм-фактор, характерный для липидного бислоя (рис. 3b), с ожидаемой зависимостью q ⁻² при низком уровне — q (пунктирная линия линия).Подгонка данных (сплошная красная линия) показала, что средняя гидрофобная толщина мембраны (2 D _C ) составляла 24,3 ± 0,9 Å при 25 ° C (S8 Рис.). Гидрофобная толщина живого B . Таким образом, мембрана subtilis сравнима с мембраной синтетических фосфатидилхолиновых (PC) бислоев, таких как димиристоил PC (2 D _C = 25,7 Å при 30 ° C) или 1-пальмитоил-2-олеоил PC (2 D _C = 28.8 Å при 30 ° C). [46] Он также сопоставим с очищенными базолатеральными плазматическими мембранами гепатоцитов крыс (приблизительно 26 Å), как измерено с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей [6], подчеркивая сохранение структуры мембран в царствах животных и эубактерий.

Определение латеральной структуры мембраны in vivo с помощью SANS

Наконец, мы попытались изучить латеральную структуру внутри мембраны, чтобы определить, присутствуют ли липиды в B . Мембраны subtilis и однородно перемешаны или демонстрируют наноскопическую организацию, как предсказывает гипотеза липидного плотика.[21] Считается, что канонические липидные домены млекопитающих обогащены высокоплавкими липидами, холестерином и сфингомиелином. Бактерии обычно лишены этих липидов, но, тем не менее, считается, что липидные домены [47–53] образованы из видов липидов, играющих аналогичные роли. [54,55] Ожидаемым признаком липидных доменов в любой системе является латеральное разделение липидов с более высокой и низкой температурой плавления с ассоциированными белками на отдельные фазы.

Мы недавно ввели стратегию вариации контраста для обнаружения латеральной липидной организации в синтетических везикулах с использованием SANS [28,29].Эта стратегия основана на дифференциальной H / D-маркировке липидных фаз для контроля контраста в плоскости мембраны. При подходящей стратегии маркировки разделенные фазы можно либо сопоставить, либо сопоставить друг с другом и с буфером. Особенно важным является случай, когда смесь липидов имеет средний контраст, соответствующий таковому у буфера, но разделяется на H- и D-обогащенные фазы, которые контрастируют друг с другом и с буфером. Экспериментально равномерное перемешивание создает условие нулевого рассеяния, тогда как разделение фаз в плоскости мембраны (образование доменов) вызывает нейтронный контраст и наблюдаемый сигнал в спектре МУРН.На рис. S9 и в таблице F в тексте S1 мы представляем серию аналогичных экспериментов МУРН, которые показывают, как нейтроны чувствительны к контрасту в плоскости бислоя и как нейтронный контраст можно контролировать с помощью термически индуцированного смешивания двух фаз или путем выбора конкретных смеси изотопов, в результате которых получаются согласованные по контрасту фазы.

При адаптации этой стратегии in vivo сравнивается рассеяние от клеток с 2 различными смесями H- и D-FA, которые, в среднем, сопоставимы по контрасту со средой (рис. 4a).В контрольной смеси не может быть контраста независимо от того, равномерно ли смешаны мембранные липиды, потому что все виды присутствуют при одинаковом соотношении H / D. Однако в экспериментальной смеси рассредоточение липидов создает контраст, как описано выше, вызывая измеримое увеличение интенсивности рассеяния в результате локальных неоднородностей в распределении H / D.

Рис. 4. Обнаружение латеральной липидной организации в B . subtilis .

(а) Схема эксперимента.Контраст нейтронов в мембране контролировали с помощью различных смесей водородных (H) и дейтериевых (D) жирных кислот (ЖК). Контрольная смесь состояла из антеизопентадекановой кислоты (a15: 0) и нормальной гексадекановой кислоты (n16: 0), каждый из которых составлял 30% H и 70% D (вставка на фиг. 3b, красная кривая). Эта смесь сопоставима по контрасту с 85% D ₂ O и дает только фоновое рассеяние независимо от того, равномерно ли распределены липиды (нижняя левая и нижняя центральная панели). Экспериментальная смесь содержала те же ЖК, но с другим распределением изотопов, т.е.е., n16: 0 соответствует 100% D, а a15: 0 соответствует 40/60 H / D. В Б . subtilis , эта смесь дает общее соотношение 30/70 H / D, потому что a15: 0 более распространено (рис. 2c, внизу). Если липиды распределены равномерно, мембрана будет согласована по контрасту и не будет давать чистого рассеяния над фоном (неотличимо от контрольной нижней центральной панели). Однако, если липиды организованы таким образом, что тугоплавкие n16: 0 и легкоплавкие a15: 0 в мембранных липидах распределены неравномерно, возникнет нейтронный контраст и сигнал рассеяния, как показано на нижней правой панели (a ) и в (c), которые имеют пятна, обогащенные n16: 0.Подобно тому, как эти пятна создают контраст, видимый глазом на иллюстрации, они создают контраст, видимый нейтронами в эксперименте, в виде избыточного рассеяния. (б) Спектры малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) обработанного церуленином B . subtilis Δ yusL , включающий экспериментальную и контрольную смеси. Экспериментальная смесь демонстрирует явное избыточное рассеяние (вставка), которое может быть результатом только неравномерного распределения липидов с разным контрастом.Из соотношения ℓ = 2π / q можно заключить, что избыточное рассеяние в диапазоне q = 0,01–0,15 Å ^–1 соответствует структурам с масштабами длины 3–40 нм. Планки погрешностей соответствуют ± σ . См. Данные S4. Анализ мембранных ЖК с помощью газовой хроматографии / масс-спектрометрии (ГХ / МС) представлен на рис. S10. (C) Изображение мембраны, имеющей видимые липидные пятна (произвольной структуры), при этом буфер, клеточная стенка и цитоплазматическое содержимое контрастируют -подобный.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.g004

Мы реализовали эту стратегию для обработанного церуленином B . subtilis Δ yusL клеток с использованием экспериментальной смеси 100% D n16: 0 (тугоплавкие) и 40/60 H / D a15: 0 (легкоплавкие). После корректировки на относительное содержание этих ЖК в клетке (S10 рис.) Эта смесь создает средний контраст мембраны, соответствующий соотношению H / D FA 30/70 (a15: 0 и n16: 0, каждое 30% H и 70% D), используемый для контрольной смеси (вставка на фиг. 4b), а также для остальных клеточных компонентов, включая 85% буфер D ₂ O.Спектры МУРН от B . subtilis , подаваемый экспериментальной смесью, воспроизводимо демонстрировал избыточное рассеяние в диапазоне q 0,015–0,2 Å ^–1 по сравнению с клетками, получавшими контрольную смесь (результаты повторного эксперимента показаны на фиг. S11). Поскольку единственным источником контраста в эксперименте был пул мембранных H / D FA, этот результат подтверждает идею о латеральном рассмешивании липидов, содержащих высокоплавкие и легкоплавкие ЖК, на шкале длины ℓ от 3 до 40. нм (ℓ = 2π / q ) (рис. 4c), что согласуется с гипотезой липидного рафта.

Обсуждение

Понимание того, как наноразмерная структура биологических систем соотносится с функциями, — непростая, постоянная задача. Одна из трудностей заключается в том, что только несколько зондов способны напрямую опрашивать структуру в этом масштабе: электроны, рентгеновские лучи и нейтроны. Электроны нашли самое широкое применение в клеточной биологии, и ЭМ остается самым мощным инструментом для изучения ультраструктуры клеток. Что касается B . Мембрана subtilis , крио-ЭМ исследование секционированных замороженных клеток предоставило поразительную картину клеточной архитектуры, включая клеточную стенку.[56] Однако структура плазматической мембраны не была хорошо определена, и ее толщина была оценена в 66 ± 8 Å, что является удивительно большим значением. Наши результаты дополняют эту ЭМ-картину клеточной оболочки, обеспечивая определение гидрофобной толщины с высоким разрешением, полученное в физиологических условиях.

Рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов широко использовалось для изучения структуры модельных мембран, состоящих из определенных липидных смесей [3–5,28,29,46] или природных липидных экстрактов.[6–12] Рассеяние рентгеновских лучей также недавно использовалось для исследования клеточных мембран ex vivo [6], но его применение к интактным клеткам затруднено из-за фонового рассеяния от воды и биомолекул. Рассеяние нейтронов однозначно решает проблему фона в виде изменения изотопического контраста. Мы показали здесь, что изменение контраста in vivo посредством метаболического мечения может эффективно подавлять рассеяние из сложной клеточной среды, выделяя при этом конкретные интересующие особенности, даже когда они возникают из-за второстепенных компонентов, таких как липиды (примерно 1% влажной клеточной массы).Кроме того, холодные нейтроны, используемые для экспериментов по рассеянию, хорошо подходят для исследований живых клеток из-за их низкой кинетической энергии (<0,025 эВ) и их неионизирующего характера - в отличие от высокоэнергетических рентгеновских лучей и электронных пучков (> 5000 эВ). .

Предыдущие применения рассеяния нейтронов in vivo основывались только на внешнем контрасте растворителя, которого в некоторых случаях было достаточно для наблюдения брэгговского рассеяния на повторяющихся структурах в тилакоидных мембранах [57,58] и митохондриях.[59] Эти исследования не выявили мембранную структуру как таковую, но предоставили информацию о расположении плотно упакованных мембран. Создавая внутренний контраст, то есть путем дифференцированной маркировки определенных клеточных компонентов, мы впервые обеспечили ультраструктурные измерения с высоким разрешением на одной мембране. В этой работе мы продемонстрировали возможности основанного на химии и биологии подхода к созданию селективного внутреннего контраста, что позволяет проводить измерения толщины мембран in vivo с высоким разрешением.

Наш подход к вариации контраста in vivo также предоставляет новый инструмент для изучения структуры латеральной мембраны в живых клетках. Структурные методы, основанные на нейтронах, предлагают явные преимущества в том, что они напрямую сообщают о наноскопической структуре липидов, без необходимости использования моделей или внешних зондов. Признаки неравномерного перемешивания [60,61] в плазматической мембране появились одновременно с эпохальной жидко-мозаичной моделью, предложенной в 1972 году [16], концепция мембранных доменов стала прочно обоснованной к середине 1970-х годов [62], а липидный плот Гипотеза была формализована в 1997 году.[21] Тем не менее, существование липидных доменов оставалось спорным, [63] и поскольку они, как полагают, являются временными и меньше дифракционного предела света (200 нм), они ускользнули от наблюдения с помощью обычных микроскопических методов. Однако недавно флуоресцентная микроскопия сверхвысокого разрешения была использована для идентификации диффузно ограниченных островков в масштабе 20 нм в плазматической мембране эпителиальных клеток почек крысы [6]. Наше наблюдение сегрегации липидов в сопоставимых масштабах в плазматической мембране B . subtilis согласуется с существованием аналогичных липидных доменов у бактерий и поддерживает идею о том, что наноскопические липидные ансамбли являются неотъемлемой частью биологических мембран.

Критическим барьером, который помешал применению методов рассеяния нейтронов с высоким разрешением in vivo, было отсутствие средств для создания внутреннего контраста. В этой работе мы преодолели барьер и показали, что B . subtilis — идеальная модельная система in vivo для применения стратегий изменения нейтронного контраста.Благодаря специфическим условиям роста и выбранным генотипам мы смогли глобально ослабить клеточный контраст и точно повторно ввести контраст в мембрану. Имея возможность контролировать как химические, так и изотопные свойства мембранных липидов, мы смогли исследовать как поперечную, так и боковую структуру мембраны. Тот же общий подход к селективному контрастированию потенциально может быть распространен на другие биомолекулы и модельные организмы для приложений вне мембранной арены. Более того, экспериментальная платформа in vivo может быть использована для исследования реакции плазматической мембраны на широкий спектр физических, химических, генетических и экологических стимулов.Мы ожидаем, что эта возможность окажется полезной во многих областях, таких как разработка антибиотиков, производство биотоплива, функция мембранного белка и понимание взаимодействия между мембраной, цитоскелетом и клеточной стенкой в ​​создании защитного, адаптируемого, многофункционального интерфейса.

Материалы и методы

Материалы

Оксид дейтерия (99,9% D) и аминокислоты водорослей (немеченые и однородно меченные D, с изотопной чистотой 98%) были получены из Cambridge Isotope Laboratories.Пальмитиновая кислота (H-n16: 0) и пальмитиновая кислота-d ₃₁ (D-n16: 0) были получены от Sigma-Aldrich. 12-Метилтетрадекановая кислота (H-a15: 0) была приобретена у Sigma-Aldrich или получена из s -бутилхлорида магния (Sigma-Aldrich) и 11-бромундекановой кислоты (Sigma-Aldrich) по методу Баера и Карни. [64] и очищен вакуумной перегонкой. Педейтерированный D-a15: 0 получали из H-a15: 0 через 3 цикла обмена H / D с D ₂ O, катализируемого 10% Pt / C при 220 ° C, как описано Yepuri et al., [65] с последующей хроматографией на силикагеле и вакуумной перегонкой. Конечный продукт был химически гомогенным и имел изотопную чистоту 99%, как определено анализом его производного метилового эфира с помощью ГХ / МС. Церуленин получали от Alfa Aesar (Тевскбери, Массачусетс) и хранили в темноте при –80 ° C в виде твердого вещества. Бычий сывороточный альбумин без ЖК (BSA, каталожный номер A8806) был получен от Sigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури). Все остальные материалы были получены от коммерческих поставщиков и использовались в том виде, в котором они были получены.

Условия культивирования, подготовка образцов и жизнеспособность клеток

Б . subtilis 168 (родительский штамм) и мутант Δ yusL (штамм BKE32840) были получены из Bacillus Genetic Stock Center (Университет штата Огайо, Колумбус, Огайо). Штамм Δ yusL лишен активности еноил-КоА-гидратазы / 3-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназы и сильно не обладает способностью расщеплять экзогенные длинноцепочечные ЖК; [36] поэтому этот штамм использовался во всех экспериментах, в которых использовались экзогенные ЖК. поставляется в среде культивирования.Общий рост и обслуживание B . subtilis выполняли либо на богатой среде Лурия-Бертани (LB), либо на минимальной среде M9 с 2% глюкозы с добавлением 5 мМ l-триптофана. Твердые среды были приготовлены путем добавления 1,5% Bacto или благородного агара (Difco) к среде LB или M9 соответственно. Эритромицин добавляли до 0,5 мкг / мл для обычного поддержания BKE32840. Культуры инкубировали при 37 ° C, а жидкие культуры аэрировали встряхиванием со скоростью 250 об / мин. Где применимо, дополнительные ЖК добавляли до конечной концентрации 8 мг / л каждого из растворов a15: 0 и n16: 0 из 25 мг / мл исходных растворов в этаноле вместе с 10 г / л БСА без ЖК в качестве носителя для способствует растворимости.Церуленин (10 мг / мл в исходном растворе этанола) готовили свежим и добавляли непосредственно перед инокуляцией. Требуемая конечная концентрация определялась эмпирически и варьировалась в зависимости от поставщика и партии. Для работы, описанной здесь, церуленин от Alfa Aesar был использован в конечной концентрации 50 мкг / мл, что было достаточно для полного подавления эндогенного синтеза ЖК, о чем судили по ингибированию роста и спасения за счет экзогенной ЖК (S5 Фиг.).

Частично дейтерированные клетки выращивали в M9, приготовленном с использованием 90% об. / Об. D ₂ O и H-глюкозы.Эта среда производила примерно 60–70% дейтерирования углеродных скелетов в биосинтетических молекулах (анализ описан ниже). Б . subtilis 168 и BKE32840 были адаптированы для роста в M9-Gluc + 5 мМ l-триптофана, приготовленного с 90% ( об. / Об. ) D ₂ O путем серийного пассажа (посевной материал 1: 100) в среде, приготовленной с увеличением концентрации D ₂ O (H ₂ O: D ₂ O 100: 0, 50:50 и 10:90). Обработанные церуленином клетки с добавкой FA выращивали, начиная с культуры необработанных клеток без добавок.Заквасочную культуру (OD ₆₀₀ 0,8–1,0) разводили 1:20 в среде церуленин / FA до OD ₆₀₀ прибл. 0,05, инкубировали для роста до OD ₆₀₀ 0,8–1,0, затем пассировали путем разведения (1:20) в свежую среду. Состав ЖК контролировали при каждом пассаже с помощью ГХ / МС; 5-8 пассажей требовалось для очистки нативных FA и адаптации клеток к FA-зависимому состоянию. Контрольные культуры без поставляемых FA (контроля без роста) контролировали параллельно для каждого эксперимента, чтобы гарантировать, что церуленин оставался активным в течение периода инкубации.Оптическую плотность определяли при 600 нм, используя планшет-ридер Synergy Mx (BioTek, Winooski, VT, USA), используя 96-луночный микротитровальный планшет и объемы лунок 300 мкл.

Для экспериментов с контрастом (рис. 1 и 2 и рис. S2): B . subtilis 168 клеток ресуспендировали в PBS (10 мМ Na ₂ HPO ₄ , 1,8 мМ KH ₂ PO ₄ , 137 мМ NaCl и 2,7 мМ KCl), приготовленных либо с H ₂ O или D ₂ O (H-PBS или D-PBS, соответственно), затем смешанные в соответствующих пропорциях.Для всех H-клеток (рис. 1c) 250 мл свежей культуры (OD ₆₀₀ = 1,5) в среде H-M9 были разделены на 2 части, которые обрабатывались параллельно. Клетки собирали центрифугированием при 6000 × g в течение 20 минут при 4 ° C, затем промывали центрифугированием / ресуспендированием с 3 × 10 мл H- или D-PBS, давая 5 минут для уравновешивания на каждом этапе. Затем промытые осадки клеток ресуспендировали в 11 мл того же буфера для обеспечения концентрации клеток приблизительно 50 мг / мл сырого веса, что эквивалентно приблизительно 10 мг / мл сухого веса.Для дейтерированных клеток (рис. 2) применялась та же процедура, за исключением того, что использовалась 125-мл культура, выращенная в D-M9, приготовленная с 90% D ₂ O, обеспечивающая конечную концентрацию клеток приблизительно 5 мг / мл сухой массы. . Суспензии клеток загружали в кварцевые «банджо» ячейки (диаметр 22 мм, длина пути 1 мм) для исследования методом SANS. Измерения проводились при 37 ° C с использованием одного положения детектора, и общее рассеяние анализировалось, как описано ниже.

Для структурного анализа мембран (рис. 3 и 4, рис. S7 и S11), с подачей ТВС B . subtilis 168 Δ yusL клетки выращивали в M9-Gluc, приготовленном с 90% D ₂ О. Клетки из 35-мл культуры собирали при OD ₆₀₀ 0,5, промывали 3 × 3 мл PBS, приготовленный с 85% D ₂ O и ресуспендированный в 1 мл того же буфера, обеспечивая конечную концентрацию клеток приблизительно 5 мг / мл сухой массы. Из-за того, что требуется длительное время сбора данных (до 4 часов), глюкоза (0,1% мас. / Об. ), MgSO ₄ (10 мМ) и церуленин (50 мкг / мл) были добавлены в окончательный буфер для ресуспендирования. , pH снизился до 6.8, и измерения проводились при 25 ° C, чтобы продлить жизнеспособность клеток и минимизировать автолиз. [39,40] Как обсуждается ниже в разделе «Жизнеспособность и целостность клеток » и показано на рис. S6 и S7, клетки оставались жизнеспособными на> 90% и отображались. согласованные спектры МУРН в течение 4 часов в этих условиях.

Экстракция клеточных липидов и получение FAME

Липиды были извлечены из клеток и охарактеризованы на содержание ЖК с помощью ГХ / МС производных FAME (схематическое описание представлено на рис. S4).Экстракты общих липидов были приготовлены с использованием модификации [66] метода Блая и Дайера. [67] Вкратце, клетки осаждали центрифугированием при 6000 × g в течение 15 минут с последующими 3 промываниями в 1% (мас. / Об.) NaCl. Образцы лиофилизировали в стеклянных пробирках объемом 10 мл с завинчивающимися крышками с тефлоновым покрытием, в каждую из которых последовательно добавляли 0,5 мл хлороформа, 1 мл метанола и 0,4 мл воды при энергичном перемешивании на каждой стадии. Эта смесь образует единую фазу, и ее оставляют на 18 ч при комнатной температуре с периодическим перемешиванием.Через 18 ч разделение фаз вызывали добавлением 0,5 мл хлороформа и 0,5 мл воды. Липиды выделяли из нижней фазы хлороформа испарением растворителя в новой стеклянной пробирке объемом 10 мл в токе аргона. МЭЖК получали кислотным метанолизом высушенных липидных экстрактов или интактных клеток. [68] Растворители, если они присутствовали, выпаривали в потоке аргона перед добавлением 1 мл концентрированной HCl / метанола (10% об. / Об.). Затем пробирку продували аргоном, герметично закрывали и нагревали до 85 ° C в течение 2 часов.После охлаждения добавляли 1 мл воды и 1 мл гексана и содержимое перемешивали на вортексе. После разделения фаз часть (примерно 700 мкл) верхней фазы отбирали для анализа ГХ / МС.

Получение и дериватизация клеточных аминокислот

Клеточные аминокислоты были проанализированы с помощью ГХ / МС, как описано Даунером и Зауэром. [69] Клетки из 10 мл культуры с OD ₆₀₀ ≈ 0,7 собирали центрифугированием, промывали 3 раза водой путем ресуспендирования / центрифугирования и хранили замороженными.Для анализа клетки ресуспендировали в 1 мл воды в микроцентрифужной пробирке и лизировали ультразвуком. После центрифугирования при 14000 × g в течение 15 минут порцию супернатанта объемом 500 мкл переносили в стеклянный флакон и смешивали с 1,5 мл 6 М HCl. Стандартные растворы готовили из смесей аминокислот H- или D-водорослей и обрабатывали таким же образом. Флаконы закрывали крышками с тефлоновым покрытием и нагревали при 110 ° C в течение 24 часов для гидролиза белка, после чего летучие вещества удаляли роторным испарением.Гидролизаты ресуспендировали в тетрагидрофуране (100 мкл) и N — трет -бутилдиметилсилил- N -метилтрфторацетамид (100 мкл), а затем нагревали до 60 ° C в течение 1 часа с получением трет-метилметилсилил-амино-бутилированной кислоты. подходит для анализа ГХ / МС. Перед анализом образцы разбавляли гексаном 1:10 (об. / Об.).

ГХ / МС

Анализ

ГХ / МС выполняли с использованием газового хроматографа Agilent 5890A с масс-чувствительным детектором 5975C, работающим в режиме электронного удара (Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния).Прибор был оборудован капиллярной колонкой HP-5ms (длиной 30 м, внешним диаметром 0,25 мм и толщиной покрытия 0,25 мкм) с использованием гелия со скоростью 1 мл / мин в качестве газа-носителя. Образцы объемом 1 мкл вводили с использованием безразделенной инъекции при температуре на входе 270 ° C. МЭЖК элюировали с использованием 2-минутной температурной программы при 60 ° C; От 20 ° C / мин до 170 ° C; От 5 ° C / мин до 240 ° C; и от 30 ° C / мин до 300 ° C в течение 2 мин. Дериватизированные аминокислоты элюировали с температурной программой 2 мин при 100 ° C; От 10 ° C / мин до 280 ° C в течение 2 мин.; и от 25 ° C / мин до 325 ° C в течение 2 минут. Присвоение пиков, интегрирование и масс-спектральный анализ выполняли с использованием программного обеспечения прибора ChemStation Enhanced Data Analysis и базы данных масс-спектров NIST. Пики для дейтерированных соединений были идентифицированы на основе времени удерживания и спектрального сравнения с недейтерированными соединениями. Степень дейтерирования оценивали путем определения увеличения молекулярной массы исходных ионов FAME (таблица B в тексте S1) или выбранных фрагментных ионов для аминокислот (таблица C в тексте S1).

SANS

Данные

SANS были собраны с помощью Bio-SANS [70] и малоуглового нейтронного спектрометра с расширенным Q-диапазоном (EQ-SANS) [71] в реакторе изотопного потока с высоким потоком и источнике нейтронов расщепления, соответственно, расположенных в Оук. Риджская национальная лаборатория. Данные двумерного рассеяния от обоих приборов были сокращены с помощью программного обеспечения Mantid [72] и нормализованы по стандарту пористого кремнезема для установления абсолютной шкалы, а также скорректированы на чувствительность пикселей, темновой ток и пропускание образца.Фоновое рассеяние было вычтено из одномерной интенсивности по сравнению с q , которая определяется как: (1) где λ — длина волны нейтронов, а 2θ — угол рассеяния относительно падающего луча. В EQ-SANS данные были собраны в режиме 60 Гц с двумя конфигурациями приборов: расстояние от образца до детектора 1,3 м с нейтронами 4–7 Å ( q = 0,050–0,4 Å ⁻¹ ) и 4,0 м. расстояние от образца до детектора с нейтронами 10–13,4 Å ( q = 0,009–0,07 Å ⁻¹ ), что дает общий диапазон q от примерно 0.009 до 0,4 Å ^-1 . В BioSANS нейтроны размером 6 Å использовались на двух расстояниях от образца до детектора, 2,5 м ( q = 0,050–0,30 Å ^–1 ) и 15,3 м ( q = 0,005–0,060 Å ^–1 ). ), что дает всего q -диапазон от 0,005 до 0,30 Å ⁻¹ . Время сбора не превышало 4 ч, в этот момент было определено, что жизнеспособность клеток выше 90%, как показано ниже в разделе «Жизнеспособность клеток и целостность образца » (S6 и S7, фиг.). Данные по рассеянию клеток не демонстрируют статистически значимого изменения интенсивности рассеяния через 4 часа (S7, фиг.).

Модельные липидные смеси (S9 Fig) были получены с использованием синтетических липидов Avanti Polar Lipids (Alabaster, AL) и приготовлены следующим образом: липиды растворяли в хлороформе, диспергировали в виде пленки путем выпаривания в 20-миллилитровом сцинтилляционном флаконе и сушили в течение ночи. под вакуумом (> 6 ч). Затем липидные пленки повторно гидратировали в подходящем изотопном растворителе (H ₂ O, D ₂ O или их комбинации) и подвергали 5 циклам замораживания-оттаивания перед экструзией через протравленную дорожку с диаметром пор 100 нм. поликарбонатные мембранные фильтры.Конечная концентрация везикул для измерений рассеяния составляла 10 мг / мл.

Данные, использованные для экспериментов по контрастированию (рис. 1 и 2), были собраны с помощью EQ-SANS для 0,009 Å ⁻¹ < q <0,06 Å ⁻¹ . Данные оценивались как инвариант Порода: (2)

Пропорциональность Q * общей интенсивности рассеяния I (0) делает его полезным показателем для сравнения с независимыми от структуры оценками I (0), основанными только на составе и плотности длины рассеяния, ρ . V _p — объем Порода. Для анализа ацильной толщины бислоя данные были смоделированы с использованием выражения: [73] (3) для произвольного числа бислоев, N , объема, V _s , с плотностью длины рассеяния ρ _s , в растворителе ρ _м , где F ( q ) — это форм-фактор, описывающий пластинчатую форму, и ( ρ _м — ρ _s ) — контрастный член.Закон рассеяния, используемый для моделирования данных, представлял собой пластинчатый форм-фактор, представляющий углеводородное ядро ​​бислоя, с двумя идентичными областями головной группы с каждой стороны, с плотностями рассеяния, соответствующими плотности рассеяния окружающей клеточной среды. Подбор данных SANS был выполнен в SASview. [74]

Оценка молекулярного и клеточного рассеяния

Оценки полного рассеяния от B . subtilis (Фиг.1 и 2) получали следующим образом. Сигнал рассеяния нейтронов возникает, когда существует разница в плотности длины рассеяния нейтронов, ρ , между разновидностью, s , и средой, в которой он находится, м .Разница ( ρ _м −ρ _s ) называется контрастом, и интенсивность рассеяния пропорциональна его квадрату. Для любого вида, (4) где n — количество атомов, b — длина когерентного рассеяния нейтронов для каждого атома, а V — объем частицы. Поскольку каждый класс биомолекул (то есть белок, липид, углевод, РНК или ДНК) имеет почти постоянный химический состав и плотность, ρ хорошо аппроксимируется как единое значение для каждого класса (таблица A в тексте S1).[30]

Мечение дейтерием увеличивает ρ немеченой молекулы ( ρ _H ), поскольку длина рассеяния b больше для D, чем для H (6,67 против –3,74 фм) [31]. В биомолекулах атомы водорода могут быть отнесены к 2 категориям: атомы, связанные с углеродом (CH), которые не обмениваются с водой, и атомы, связанные с гетероатомами (XH, X = N, O или S), которые обмениваются с воды. Доли в двух категориях согласованы в пределах каждого класса биомолекул, что позволяет дать определение терминов Δ ρ _CD и Δ ρ _XD , которые представляют собой увеличение ρ в результате полное дейтерирование каждой категории.Для дейтерированной биомолекулы: (5) где ρ _H равно ρ для немеченой (полностью H) молекулы, а f _XD и f _CD являются фракциями замещения дейтерия в категориях XH и CH соответственно. Оценки (рис. 1b и 2a) были получены с использованием уравнения 5 и значений для ρ _H , Δ ρ _XD и Δ ρ _CD в таблице A в тексте S1. Разные наклоны для каждого класса биомолекул отражают различия в Δ _XD .

Общее рассеяние от клетки, I _клетка (0), представляет собой сумму вкладов рассеяния от всех биомолекулярных видов клетки, определяемых соотношением (6) где χ _s — объемная доля каждого вида s , ρ _s — его плотность длины рассеяния нейтронов, а ρ _м — средняя плотность длины рассеяния нейтронов в среде. (все виды s , включая внутриклеточную воду).Когда ρ _s = ρ _m , частицы сопоставимы по контрасту и, таким образом, фактически невидимы для нейтронов при условии, что среда однородна. Рассеяние, относящееся к отдельному виду j , определяется по формуле: (7)

В недейтерированной клетке χ _j для биомолекул достаточно высок, а ρ _j достаточно отличается, так что окружающая среда не является действительно однородной.В результате общее рассеяние для данного вида j отражает межвидовой контраст и не обнуляется полностью при номинальном совпадении контраста, определяемом средним значением (χ _j = χ _m ). Однако разумное дейтерирование можно использовать для сведения ρ для воды и большинства биомолекул (см. Рис. 1b и 2a), эффективно подавляя межвидовые вклады.

Знание клеточного состава (таблица A в тексте S1) позволяет оценить общее клеточное рассеяние — разбитое на биомолекулярные частицы как функцию дейтерирования в растворителе и в скелетах CH различных биомолекул (рис. 1c и 2d). .Примерно 80% от сухой массы B . Клетка subtilis состоит из белка (53%), РНК (18%), ДНК (2,6%), липидов (5,2%) и углеводов (2,8%). [33] Оставшаяся масса, которой в наших оценках пренебрегли, состоит из небольших органических молекул, таких как аминокислоты, кофакторы и нуклеотиды, плюс неорганический материал. Эти данные были использованы с уравнениями 6 и 7 для расчета предсказанного полного рассеяния на рис. 1c.

Расчетное рассеяние для клеток, выращенных в D-M9 (рис. 2b), основано на анализе липидов и белков, экстрагированных из B . subtilis в соответствующих условиях для корректировки ρ в соответствии с уравнением 5. Чистое дейтерирование пула ЖК в отсутствие церуленина и дополнительных ЖК составляло 68,5%, при этом дейтерирование отдельных ЖК варьировалось от 66% до 71% (Таблица B в тексте S1). Дейтерирование аминокислотного пула было более вариабельным и имело более низкое среднее дейтерирование 60% (таблица C в тексте S1), что аналогично тому, что можно было бы ожидать в Escherichia coli . [75] Значение 70% было предполагалось для других биомолекул, и предполагалось, что степень дейтерирования в водообменных позициях соответствует таковой для среды.

Жизнеспособность клеток и целостность образца

Жизнеспособность клеток

оценивали с помощью измерений оптической плотности, ручного подсчета клеток с помощью гемоцитометра и флуоресцентного окрашивания живых / мертвых клеток с помощью набора BacLight Bacterial Viability Kit (номер по каталогу L7012, Molecular Probes, Юджин, штат Орегон). В анализе живых / мертвых клеток используется смесь двух флуоресцентных красителей нуклеиновых кислот (SYTO 9 и йодид пропидия), которые окрашивают живые клетки в зеленый цвет, а мертвые клетки с поврежденными мембранами — в красный цвет. Флуоресцентные микрофотографии окрашенных клеток получали с помощью Zeiss Axioskop 2 Plus и анализировали с помощью ImageJ [76] для подсчета клеток с использованием зеленого и красного каналов флуоресценции.В качестве контролей использовали необлученные суспензии штамма Δ yusL , приготовленные так же, как образцы, использованные для экспериментов на пучке нейтронов. Суспензии клеток инкубировали в запечатанной кювете при 25 ° C, и оптическую плотность (OD ₆₀₀ ) регистрировали с 1-минутными интервалами в течение 24 часов (S6a фиг.). Прямой подсчет клеток и окрашивание живых / мертвых необлученных образцов проводили сразу после обработки и через 4 часа и 24 часа (S6b Рис.). Эти эксперименты показали тесное соответствие между тремя показателями жизнеспособности и что клетки оставались жизнеспособными на 90% в течение 4 часов и на 50–60% в течение 24 часов в условиях эксперимента.Облученные клеточные суспензии были взяты из нейтронного пучка после сбора данных и оставлены на распад в течение примерно 30 минут, после чего они были подвергнуты радиологическому исследованию. Протоколы радиологической безопасности не позволяют своевременно извлекать суспензии клеток для микроскопического исследования. Вместо этого измерения оптической плотности клеток через 4 и 24 часа проводили с использованием спектрофотометра Shimadzu UV-2700 UV-Vis (S6a, рис.). Стабильность FA контролировали в течение 4 часов, которые потребовались для сбора полного набора данных SANS с использованием ГХ / МС, как описано выше для необлученных образцов (S7 Рис).Наконец, стабильность ячейки в нейтронном пучке была оценена путем повторения измерения SANS через 3,5 часа после того, как ячейки были помещены в пучок, показав отсутствие изменений в интенсивности рассеяния (S7, фиг.).

Дополнительная информация

S1 Рис. Относительная чувствительность различных датчиков к элементному составу.

Для нейтронов и рентгеновских лучей радиусы кружков масштабируются до длины рассеяния, которая пропорциональна атомному номеру Z для рентгеновских лучей и не связана с Z для нейтронов.Водород ( ¹ H) отличается от других элементов, показанных тем, что его длина рассеяния b отрицательна, и соответствующий кружок окрашен в красный цвет, чтобы отметить это различие. Для электронов площади масштабируются до сечений упругого рассеяния, которые приблизительно пропорциональны Z ^3/2 . [77] Мощность рассеяния нормирована на кислород ( Z = 8).

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s001

(TIF)

S2 Рис.Необработанные данные SANS.

Исходные данные для экспериментов с серией контрастов показаны в основном тексте как ( a ) Рис. 1c и ( b и c ) 2d . Малоугловое рассеяние измеряли как функцию% D ₂ O в буфере. Данные в S5 Data, которые необходимо скорректировать для инструментального фона и фона растворителя и масштабировать до стандарта пористого кремнезема. Инвариант Порода был оценен из этих измерений, как в наблюдаемом диапазоне q от 0,009 Å ^-1 < q <0.06 Å ^-1 . Эта величина, Q *, прямо пропорциональна I (0) [ I (0) / Q * = V _P / 2π ² , где V _P объем порода), что делает его полезным показателем для сравнения с оценочными значениями I (0).

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s002

(TIF)

S3 Рис. Схема протокола экстракции жирных кислот и метанолиза.

Общую липидную фракцию экстрагировали из аликвоты клеток с использованием метода Блая-Дайера.После экстракции фазу, содержащую нижний липид, сушили в атмосфере аргона и липиды нагревали в кислом метаноле для получения метиловых эфиров жирных кислот, которые затем экстрагировали гексаном и анализировали с помощью ГХ / МС.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s003

(TIF)

S4 Рис. Резюме ГХ / МС анализа липидных экстрактов немодифицированного

B . subtilis , выращенный в условиях H ₂ O и 90% D ₂ O.

(a) ГХ / МС хроматограммы общих ионов для МЭЖК, экстрагированных из B . subtilis , выращенный в среде M9, приготовленной с H-глюкозой и либо H ₂ O (черный, вверху), либо 90% D ₂ O (красный, внизу). Фосфолипиды в нативной мембране B . subtilis содержат смесь насыщенных линейных (нормальных) и разветвленных (изо- или антеизо) жирных кислот, показанных в (b). Как и ожидалось, 7 FAME наблюдали из клеток, культивированных в 90% D ₂ O (a, нижняя панель). Дейтерированные FAME элюировались раньше, и связанные с ними пики были шире из-за присутствия нескольких изотопомеров для каждого вида.(c) и (d) показывают масс-спектры для каждого FAME из клеток, выращенных в H- или D-среде, соответственно. Из спектров определяли степень дейтерирования, отмечая изменение массы молекулярного иона [M] ^{+ •} (таблица B в тексте S1 и данных S2). Распределение изотопмеров показано на (d).

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s004

(TIF)

S5 Рис. FA-зависимый рост

B . subtilis BKE32840 в присутствии церуленина.

Рост клеток сильно подавлялся в присутствии церуленина (Cer; 50 мкг / мл). Однако рост может быть предотвращен добавлением экзогенных жирных кислот ( a 15: 0 + n 16: 0) в присутствии БСА, не содержащего жирных кислот, в качестве носителя, что обеспечивает химический и изотопный контроль клеточной мембраны. Состав FA. Показаны конечные оптические плотности (OD ₆₀₀ ) для клеток, выращенных в минимальной среде M9, содержащей 5 мМ 1-триптофана, 2% глюкозы (за исключением указанных) и указанные добавки (см. Данные S6).Конечные измерения регистрировали через 24 часа для контрольных условий (только BSA) и через 64 ​​часа для других условий, при которых клетки росли медленнее. Все эксперименты проводили в трех повторностях.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s005

(TIF)

S6 Рис. Устойчивость и жизнеспособность

B . subtilis клеток в суспензии.

Для исследований SANS при 25 ° C клетки суспендировали в 85% D ₂ O PBS (pH 6,8), содержащем глюкозу (0.1% мас. / Об.), MgSO ₄ (10 мМ) и церуленин (50 мкг / мл), а затем переносили в кварцевые кюветы в форме банджо с длиной пути луча 1 или 2 мм. После переноса клеток кюветы закрывали. Измерения МУРН проводились в течение максимум 4 часов. (a) OD ₆₀₀ падает медленно в течение первых 8 часов и более быстро после этого. Голубые ромбы обозначают измерения OD ₆₀₀ , проведенные для облученного образца, спектр SANS которого показан на рис. 4. Падение OD ₆₀₀ за 4-часовой период измерения составило 5% для образца в пучке и 7% для образца. контрольный (необлученный), непрерывно контролируемый образец.(b) Плотность клеток также определяли прямым подсчетом с использованием гемоцитометра на аликвотах контрольного образца из (а). Плотность клеток соответствует измерениям OD ₆₀₀ . (c) Долю интактных клеток (которые также оказались живыми) определяли количественно с использованием стандартной окраски живых / мертвых клеток на аликвотах непрерывно контролируемого образца из (а). В течение 24-часового периода наблюдения> 90% интактных клеток окрашивались в зеленый цвет, что указывает на превосходную жизнеспособность клеток и целостность мембран.Через 4 часа, что соответствует максимальному времени воздействия нейтронов на клетки, 95% клеток были живы (см. Данные S6). (d-f) Типичные ложно окрашенные, наложенные друг на друга микрофотографии флуоресценции с красным и зеленым каналами, соответствующие результатам, показанным на (c). Живые клетки выглядят зелеными, а мертвые клетки — красными, шкала соответствует 20 мкм.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s006

(TIF)

S7 Рис. Стабильность образца: содержание ЖК и повторные измерения рассеяния.

Содержание жирных кислот в течение периода измерений оценивали путем извлечения липидов мембран, проведения кислотного метанолиза и количественного определения содержания FAME с помощью ГХ / МС. (a) Общие ионные хроматограммы показаны для липидов, экстрагированных из B . subtilis при сборе, после 4 часов инкубации, т. Е. В условиях, которые соответствовали условиям измерений SANS, и через 24 часа инкубации в модифицированном буфере PBS. (б) Интегрированные площади пиков для хроматограмм в (а).Менее 1% изменения наблюдается для любой FA через 4 часа, и только 1-2% изменение через 24 часа вне культуры. (c) Повторное измерение рассеяния (розовый), выполненное через 2 часа после первоначального измерения, накладывается на данные, показанные на рис. 3 основного текста (синий). Этот результат разброса показывает, что образец стабилен в течение 4-часового периода сбора данных (см. Данные S6). Примечание: статистика повторных измерений хуже (следовательно, больше шума) просто из-за более короткого времени сбора.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s007

(TIF)

S8 Рис. Обработка данных для получения рассеяния

B . subtilis клеточная мембрана.

( a ) Остаточный фон регистрировали с использованием обработанных церуленином клеток Δ yusL , которым вводили смесь ЖК, сопоставленных по контрасту с 85% D ₂ O ( a 15: 0 и n. 16: 0, каждое 30% H и 70% D), рассеяние образца регистрировали от клеток, культивируемых идентично, за исключением того, что в культуральной среде присутствовали H-a 15: 0 и H- n 16: 0.Вычитание фона из рассеяния образца выявило чистый спектр мембраны, который показал пластинчатый форм-фактор, характерный для липидного бислоя (рис. 3b). ( b ) Подгонка пластинчатого форм-фактора с посадками, иллюстрирующими огибающую модели ± 2σ и ± 4σ, наложенную на данные.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s008

(TIF)

S9 Рис. Стратегия изменения контраста, используемая для выявления латеральной липидной организации.

Мы демонстрируем, как нейтронный контраст можно манипулировать с помощью изотопного замещения, чтобы выявить латеральное рассмешивание с использованием везикул POPC / DSPC / Chol.(см. Таблицу F в S1 Text и S7 Data). Обнаружение рассмешивания требует наблюдения бислоя в двух состояниях: смешанном (розовый) и рассредоточенном (красный и синий). Этого можно достичь двумя способами. Первая (а, верхняя строка) сравнивает систему в двух разных состояниях (т.е. смешанном и рассредоточенном). При высокой температуре различные липиды NSLD равномерно смешиваются, при этом их средний NSLD соответствует среднему значению NSLD в буфере. Понижение температуры вызывает расслоение липидов. Хотя средний липидный NSLD не изменился, домены и окружение имеют NSLD, которые отличаются от NSLD буфера и друг друга, что приводит к избыточному рассеянию.Мы провели этот эксперимент, и результаты показаны на (б). Хотя этот подход можно успешно использовать, когда температура является переменной, его нельзя применять к живым клеткам, поскольку изменения температуры могут отрицательно повлиять на их жизнеспособность. В качестве альтернативы (а, нижняя строка) можно построить систему, в которой домены и окружение имеют одинаковое среднее значение NSLD, которое соответствует буферу. Это достигается за счет обеспечения всех компонентов одинаковым изотопным соотношением, так что один и тот же NSLD сохраняется независимо от того, смешаны ли липиды или нет.В этом сценарии сигнал рассеяния одинаков для обоих состояний, как показано на (c). Эта стратегия была адаптирована для B . subtilis эксперименты при 25 ° C, в которых для изменения контраста в бислое использовалось только изотопное замещение.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s009

(TIF)

S11 Рис. Повторите наблюдение SANS бокового размешивания жирных кислот в

B . subtilis .

( a ) Эксперименты, показанные на рис. 4, были повторены.Такое же избыточное рассеяние наблюдается в диапазоне q от ~ 0,015 до 0,15 Å ^-1 , подтверждая наличие наноскопических особенностей порядка 40 нм. ( b ) ГХ / МС хроматограммы липидов в этих мембранах (цвета соответствуют спектрам на панели ( a ), показывая ожидаемое H / D-распределение жирных кислот, аналогичное тому, которое показано на S10 Fig (см. S8 Данные).

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002214.s011

(TIF)

Благодарности

Благодарим Ф.A. Heberle за обсуждения и вклад, MA Matheson и JD Hemman за визуализацию изображений и мультимедийной графики, C. Gao и L. Walker за поддержку канала передачи, а также DT Reeves и K. Hong за помощь в подготовке и дейтерировании a15: 0 .

Список литературы

1. 1. Хендерсон Р., Анвин PNT. Трехмерная модель фиолетовой мембраны, полученная с помощью электронной микроскопии. Природа. 1975. 257 (5521): 28–32. pmid: 1161000
2. 2. Едидин М. Состояние липидных рафтов: от модельных мембран к клеткам.Annu Rev Biophys Biomol Struct. 2003. 32: 257–83. pmid: 12543707
3. 3. Нэгл Дж. Ф., Тристрам-Нэгл С. Структура липидных бислоев. Biochim Biophys Acta, Rev Biomembr. 2000. 1469 (3): 159–95.
4. 4. Петраче Х.И., Додд С.В., Браун М.Ф. Распределение площади на липид и длину ацила в жидких фосфатидилхолинах, определенное с помощью спектроскопии ЯМР ² H. Biophys J. 2000; 79 (6): 3172–92. pmid: 11106622
5. 5. Силиг Дж., Силиг А. Конформация липидов в модельных мембранах и биологических мембранах.Q Rev Biophys. 1980. 13 (1): 19–61. pmid: 7220788
6. 6. Mitra K, Ubarretxena-Belandia I, Taguchi T, Warren G, Engelman DM. Модуляция двуслойной толщины мембран экзоцитарного пути мембранными белками, а не холестерином. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2004; 101 (12): 4083–8. pmid: 15016920
7. 7. Zaccai G, Blasie J, Schoenborn B. Исследования нейтронной дифракции на расположении воды в мембранах двухслойной лецитиновой модели. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1975. 72 (1): 376–80.pmid: 16592215
8. 8. Herbette L, DeFoor P, Fleischer S, Pascolini D, Scarpa A, Blasie J. Отдельные профильные структуры функционального белка кальциевой помпы и фосфолипидного бислоя в изолированных мембранах саркоплазматической ретикулума, определяемые с помощью рентгеновского излучения и нейтронной дифракции. Biochim Biophys Acta — Biomembr. 1985. 817 (1): 103–22.
9. 9. Уилкинс М., Блаурок А., Энгельман Д. Двухслойная структура в мембранах. Природа. 1971. 230 (11): 72–6.
10. 10. Шварц С., Каин Дж., Дратц Э., Блейси Дж.Анализ ламеллярной дифракции рентгеновских лучей на многослойных неупорядоченных мембранах с приложением к данным внешних сегментов стержня сетчатки. Biophys J. 1975; 15 (12): 1201–33. pmid: 1203447
11. 11. Энгельман ДМ. Рентгеноструктурные исследования фазовых переходов в мембране микоплазмы Mycoplasma laylawii . J Mol Biol. 1970; 47 (1): 115IN13117–116.
12. 12. Энгельман ДМ. Структура липидного бислоя в мембране микоплазмы Mycoplasma laylawii . J Mol Biol.1971. 58 (1): 153–65. pmid: 5088924
13. 13. Эггелинг С., Рингеманн С., Медда Р., Шварцманн Г., Сандхофф К., Полякова С. и др. Прямое наблюдение за наномасштабной динамикой мембранных липидов в живой клетке. Природа. 2009. 457 (7233): 1159–62. pmid: 1

    97

14. 14. Браун Д.А., Лондон Э. Функции липидных рафтов в биологических мембранах. Annu Rev Cell Dev Biol. 1998. 14: 111–36. pmid: 98
15. 15. Op den Kamp JAF. Липидная асимметрия мембран.Анну Рев Биохим. 1979; 48: 47–71. pmid: 382989
16. 16. Певица С, Николсон Г.Л. Модель жидкой мозаики структуры клеточных мембран. Наука. 1972; 175: 720–31. pmid: 4333397
17. 17. Спектор А.А., Йорек М.А. Состав мембранных липидов и клеточная функция. J Lipid Res. 1985. 26 (9): 1015–35. pmid: 3

    8

18. 18. ван Меер Г., Фолькер Д. Р., Фейгенсон Г. В.. Мембранные липиды: где они и как ведут себя. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008. 9 (2): 112–24.pmid: 18216768
19. 19. Никелс Дж. Д., Смит Дж. С., Ченг X. Боковая организация, двухслойная асимметрия и межлистовое сцепление биологических мембран. Chem Phys Lipids. 2015; 192: 87–99. pmid: 26232661
20. 20. Якобсон К., Моуритсен О.Г., Андерсон Р.Г.В. Липидные рафты: на перекрестке между клеточной биологией и физикой. Nat Cell Biol. 2007; 9 (1): 7–14. pmid: 17199125
21. 21. Саймонс К., Иконен Э. Функциональные рафты в клеточных мембранах. Природа. 1997. 387 (6633): 569–72.pmid:
22. 42
23. 22. Аллен Дж. А., Халверсон-Тамболи Р. А., Расеник М. М.. Микродомены липидного рафта и передача сигналов нейротрансмиттерами. Nat Rev Neurosci. 2007. 8 (2): 128–40. pmid: 17195035
24. 23. Шоу А.С. Липидные рафты: теперь вы их видите, а теперь нет. Nat Immunol. 2006. 7 (11): 1139–42. pmid: 17053798
25. 24. Саймонс К., Эхехальт Р. Холестерин, липидные рафты и болезни. J Clin Invest. 2002. 110 (5): 597–603. pmid: 12208858
26. 25. Саймонс К., Тоомре Д.Липидные рафты и передача сигналов. Nat Rev Mol Cell Biol. 2000; 1 (1): 31–9. pmid: 11413487
27. 26. Лингвуд Д., Саймонс К. Липидные рафты как принцип организации мембраны. Наука. 2010. 327 (5961): 46–50. pmid: 20044567
28. 27. Мукерджи С, Максфилд Фр. Мембранные домены. Annu Rev Cell Dev Biol. 2004. 20: 839–66. pmid: 15473862
29. 28. Heberle F, Petruzielo R, Pan J, Drazba P, Kučerka N, Standaert R и др. Несоответствие толщины бислоя контролирует размер домена в модельных мембранах.J Am Chem Soc. 2013. 135 (18): 6853–9. pmid: 233
30. 29. Никелс Дж. Д., Ченг Х, Мостофиан Б., Стэнли С., Линднер Б., Хеберле Ф. А. и др. Механические свойства наноскопических липидных доменов. J Am Chem Soc. 2015; 137 (50): 15772–80. pmid: 26415030
31. 30. Жакро Б. Исследование биологических структур методом рассеяния нейтронов из раствора. Rep Prog Phys. 1976; 39 (10): 911–53.
32. 31. Sears VF. Длины и сечения рассеяния нейтронов. Нейтронные новости.1992. 3 (3): 26–37.
33. 32. Марти В., Яснин М., Фабиани Э., Воклар П., Габель Ф., Трапп М. и др. Рассеяние нейтронов: инструмент для обнаружения эффектов теплового стресса in vivo на уровне молекулярной динамики в микроорганизмах. J R Soc, Интерфейс. 2013; 10 (82): 20130003.
34. 33. Бишоп Д., Рутберг Л., Самуэльссон Б. Химический состав цитоплазматической мембраны Bacillus subtilis . Eur J Biochem. 1967. 2 (4): 448–53. pmid: 4295208
35. 34. Канеда Т.Биосинтез жирных кислот с разветвленной цепью. I. Выделение и идентификация жирных кислот из Bacillus subtilis (ATCC 7059). J Biol Chem. 1963. 238 (4): 1222–8.
36. 35. Оп ден Камп ЯФ, Редай I, ван Динен, магистр права. Фосфолипидный состав Bacillus subtilis . J Bacteriol. 1969; 99 (1): 298–303. pmid: 4979443
37. 36. Мацуока Х., Хироока К., Фудзита Ю. Организация и функция Ysia Regulon Bacillus subtilis , участвующего в деградации жирных кислот.J Biol Chem. 2007. 282 (8): 5180–94. pmid: 17189250
38. 37. Price AC, Choi K-H, Heath RJ, Li Z, White SW, Rock CO. Ингибирование синтаз белка-носителя β-кетоацил-ацила с помощью тиолактомицина и структуры и механизма церуленина. J Biol Chem. 2001. 276 (9): 6551–9. pmid: 11050088
39. 38. Вилле В., Эйзенштадт Э., Виллеке К. Ингибирование синтеза жирных кислот De Novo антибиотиком церуленином в Bacillus subtilis : влияние на цитрат-Mg ²⁺ Транспорт и синтез макромолекул.Антимикробные агенты Chemother. 1975. 8 (3): 231–7. pmid: 810081
40. 39. Джоллифф Л.К., Дойл Р.Дж., Стрейпс ООН. Энергетическая мембрана и клеточный автолиз у Bacillus subtilis . Клетка. 1981; 25 (3): 753–63. pmid: 6793239
41. 40. Сварачорн А., Синмё А., Цучидо Т., Такано М. Автолиз Bacillus subtilis , индуцированный одновалентными катионами. Appl Microbiol Biotechnol. 1989. 30 (3): 299–304.
42. 41. Балгавы П., Дубничкова М., Кучерка Н., Киселев М.А., Ярадайкин С.П., Урикова Д.Толщина бислоя и площадь поверхности раздела липидов в однослойных экструдированных 1,2-диацилфосфатидилхолиновых липосомах: исследование малоуглового рассеяния нейтронов. Biochim Biochim Acta — Biomembr. 2001; 1512 (1): 40–52.
43. 42. Kučerka N, Nagle JF, Feller SE, Balgavý P. Модели для анализа малоуглового рассеяния нейтронов от однослойных липидных пузырьков. Physical Review E. 2004; 69 (5): 051903.
44. 43. Marquardt D, Heberle FA, Nickels JD, Pabst G, Katsaras J. О рассеянных волнах и липидных доменах: обнаружение мембранных плотиков с помощью рентгеновских лучей и нейтронов.Мягкая материя. 2015; 11 (47): 9055–72. pmid: 26428538
45. 44. Kučerka N, Nagle JF, Sachs JN, Feller SE, Pencer J, Jackson A, et al. Структура липидного бислоя, определенная одновременным анализом данных рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей. Biophys J. 2008; 95 (5): 2356–67. pmid: 18502796
46. 45. Nallet F, Laversanne R, Roux D. Моделирование спектров рассеяния рентгеновских лучей или нейтронов лиотропных ламеллярных фаз: взаимодействие между формами и структурными факторами. J. Phys II. 1993. 3 (4): 487–502.
47. 46. Kučerka N, Nieh M-P, Katsaras J. Липидные области жидкой фазы и двухслойная толщина широко используемых фосфатидилхолинов в зависимости от температуры. Biochim Biophys Acta, Biomembr. 2011; 1808 (11): 2761–71.
48. 47. Милейковская Е., Доухан В. Визуализация фосфолипидных доменов в Escherichia coli с использованием кардиолипин-специфического флуоресцентного красителя 10- N -Нонилакридиновый апельсин. J Bacteriol. 2000. 182 (4): 1172–5. pmid: 10648548
49. 48.Kawai F, Shoda M, Harashima R, Sadaie Y, Hara H, Matsumoto K. Кардиолипиновые домены в Bacillus subtilis Marburg Membranes. J Bacteriol. 2004. 186 (5): 1475–83. pmid: 14973018
50. 49. Мацумото К., Кусака Дж., Нисибори А., Хара Х. Липидные домены в бактериальных мембранах. Mol Microbiol. 2006. 61 (5): 1110–7. pmid: 16925550
51. 50. Донован С., Брамкамп М. Характеристика и субклеточная локализация гомолога бактериального флотилина. Микробиология (Лондон, Великобритания).2009; 155: 1786–99.
52. 51. Лопес Д., Колтер Р. Функциональные микродомены в бактериальных мембранах. Genes Dev. 2010. 24 (17): 1893–902. pmid: 20713508
53. 52. Бах Дж. Н., Брамкамп М. Флотилины функционально организуют бактериальную мембрану. Mol Microbiol. 2013. 88 (6): 1205–17. pmid: 23651456
54. 53. Брамкамп М., Лопес Д. Изучение существования липидных рафтов в бактериях. Microbiol Mol Biol Rev.2015; 79 (1): 81–100. pmid: 25652542
55. 54. ЛаРокка Т.Дж., Кроули Д.Т., Кьюсак Б.Дж., Патак П., Бенах Дж., Лондон Э. и др.Липиды холестерина Borrelia burgdorferi образуют липидные рафты и необходимы для бактерицидной активности комплемент-независимого антитела. Клеточный микроб-хозяин. 2010. 8 (4): 331–42. pmid: 20951967
56. 55. Саенс Дж. П., Гроссер Д., Брэдли А. С., Лагни Т. Дж., Лавриненко О., Брода М. и др. Гопаноиды как функциональные аналоги холестерина в бактериальных мембранах. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2015; 112 (38): 11971–6. pmid: 26351677
57. 56. Матиас VRF, Беверидж Т.Дж.Криоэлектронная микроскопия выявляет структуру нативной полимерной клеточной стенки в Bacillus subtilis 168 и наличие периплазматического пространства. Mol Microbiol. 2005. 56 (1): 240–51. pmid: 15773993
58. 57. Либертон М., Пейдж ЛЭ, О’Делл В.Б., О’Нил Х., Мамонтов Э., Урбан В.С. и др. Организация и гибкость тилакоидных мембран цианобактерий, исследованных методом рассеяния нейтронов. J Biol Chem. 2013. 288 (5): 3632–40. pmid: 23255600
59. 58. Надь Г., Посселт Д., Ковач Л., Холм Дж. К., Сабо М., Угги Б. и др.Обратимые реорганизации мембран во время фотосинтеза in vivo: выявленные методом малоуглового рассеяния нейтронов. Биохим Дж. 2011; 436: 225–30. pmid: 21473741
60. 59. Муругова Т.Н., Солодовникова И.М., Юрков В.И., Горделий В.И., Куклин А.И., Иванков О.И. и др. Возможности малоуглового рассеяния нейтронов для исследования структуры «живых» митохондрий. Нейтронные новости. 2011; 22 (3): 11–4.
61. 60. Стир А., Сакманн Э. Спиновые метки как ферментные субстраты. Гетерогенное распределение липидов в мембранах микросом печени.Biochim Biophys Acta, Biomembr. 1973; 311 (3): 400–8.
62. 61. Verkleij A, Zwaal R, Roelofsen B, Comfurius P, Kastelijn D, Van Deenen L. Асимметричное распределение фосфолипидов в мембране красных клеток человека. Комбинированное исследование с использованием фосфолипаз и электронной микроскопии с замораживанием. Biochim Biophys Acta, Biomembr. 1973; 323 (2): 178–93.
63. 62. Клауснер Р., Кляйнфельд А., Гувер Р., Карновский М.Дж. Липидные домены в мембранах. Доказательства, полученные на основе структурных возмущений, вызванных свободными жирными кислотами, и анализа неоднородности за время жизни.J Biol Chem. 1980; 255 (4): 1286–95. pmid: 7354027
64. 63. Манро С. Липидные плоты: неуловимые или призрачные? Клетка. 2003. 115 (4): 377–88. pmid: 14622593
65. 64. Баер Т.А., Карни Р.Л. Катализируемая медью реакция реактивов Гриньяра с хлормагниевыми солями Ω-бромокислот. Tetrahedron Lett. 1976; 17 (51): 4697–700.
66. 65. Епури Н.Р., Джеймисон С.А., Дарвиш Т.А., Равал А., Хук Дж. М., Тордарсон П. и др. Синтез пердейтерированных алкиламинов для получения дейтерированных органических гелеобразователей пиромеллитамида.Tetrahedron Lett. 2013. 54 (20): 2538–41.
67. 66. Льюис Т., Николс П.Д., МакМикин Т.А. Оценка методов экстракции для извлечения жирных кислот из липид-продуцирующих микрогетеротрофов. J Microbiol Methods. 2000. 43 (2): 107–16. pmid: 11121609
68. 67. Блай EG, Дайер WJ. Быстрый метод экстракции и очистки общих липидов. Может J Biochem Physiol. 1959; 37 (8): 911–7. pmid: 13671378
69. 68. Ичихара Ки, Фукубаяси Ю. Приготовление метиловых эфиров жирных кислот для газожидкостной хроматографии.J Lipid Res. 2010. 51 (3): 635–40. pmid: 19759389
70. 69. Даунер М., Зауэр У. Анализ Gc-Ms аминокислот быстро предоставляет обширную информацию для балансировки изотопомеров. Biotechnol Prog. 2000. 16 (4): 642–9. pmid: 10933840
71. 70. Линн Г.В., Хеллер В., Урбан В., Виньял Г.Д., Вайс К., Майлз DAA. Bio-Sans — специализированный центр нейтронной структурной биологии в Национальной лаборатории Окриджа. Phys B (Амстердам, Нет). 2006; 385: 880–2.
72. 71. Чжао Дж. К., Гао С. Ю., Лю Д.Малоугловой дифрактометр нейтронного рассеяния с расширенным Q-диапазоном на Sns. J Appl Crystallogr. 2010; 43 (5 часть 1): 1068–77.
73. 72. О’Доннелл А., Нахайе М., Гудфеллоу М., Минникин Д., Хайек В. Численный анализ профилей жирных кислот при идентификации стафилококков. Микробиология. 1985. 131 (8): 2023–2033.
74. 73. Гинье А., Фурне Г. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей. Нью-Йорк: J. Wiley & Sons; 1955.
75. 74. Пенсер Дж., Миллс Т., Ангел В., Крюгер С., Эпанд Р.М., Катсарас Дж.Обнаружение плотоводных доменов субмикронных размеров в мембранах методом малоуглового рассеяния нейтронов. Eur Phys J E. 2005; 18: 447–58. pmid: 16292472
76. 75. Лейтинг Б., Марсилио Ф., О’Коннелл Дж. Ф. Прогнозируемое дейтерирование рекомбинантных белков, экспрессируемых в Escherichia coli . Анальная биохимия. 1998. 265 (2): 351–5. pmid: 9882413
77. 76.