Содержание фосфолипидов в мышечных тканях животных разного эволюционного уровня

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Кравцов А.П. 1

---

1ГБОУ школа 197 с углубленным изучением предметов естественнонаучного цикл

Пахомова Н.В. 1

---

1ГБОУ школа 197 с углубленным изучением предметов естественнонаучного цикла

Работа в формате PDF

119.3 KB

Введение

Актуальность работы связана с получением дополнительной информации, позволяющей уточнить роль фосфолипидов в структурно-функциональной организации клеточной мембраны мышечных тканей животных, стоящих на разных ступенях эволюционного развития. Эта информация позволяет сделать выводы об изменениях липидного состава в процессе эволюции. Анализ фосфолипидного состава одинаковых органов животных разного эволюционного уровня помогает сделать выводы о видовой специфичности липидного состава органов. Также данная работа может помочь в сфере ветеринарии, так как именно от фосфолипидов зависит работа местных анестетиков.

Цель работы: выявить закономерность уровня содержания фосфолипидов в мышечных тканях животных разного эволюционного уровня.

Задачи:

определить уровень содержания фосфолипидов в зависимости от эволюционного уровня исследуемых животных;

выявить закономерность высокого и низкого содержания фосфолипидов в зависимости от вида животного;

установить эволюционную закономерность концентрации липидов в связи с функцией органов и положением исследуемого животного в эволюционном ряду.

Литературный обзор

Биохимическое и биологическое значение фосфолипидов

Общие сведения о группах фосфолипидов и их значении, представленные в данном разделе, основаны на материалах работ [1, 2, 3].

К группе фосфолипидов относятся сложные эфиры многоатомного спирта глицерина или сфингозина с высшими жирными кислотами, в составе которых имеется остаток фосфорной кислоты и полярная группа.

Если фосфолипид содержит остаток глицерина, то он называется глицерофосфолипидом, а если остаток сфингозина – то сфингофосфолипидом. В названия фосфолипидов, потерявших одну из двух ацильных цепей, вводится приставка «лизо». Лизофосфолипиды обнаруживаются в мембранах в небольших количествах – появление этих веществ приводит к нарушению структуры бислоя и лизису клеток. Полярная группа сфингофосфолипидов представлена только холином, тогда как глицерофосфолипиды могут содержать холин, этаноламин, серин, инозит и др.

В полярной среде фосфолипиды легко образуют мицеллы. При этом остатки жирных кислот фосфолипида ориентированы внутрь мицеллы.

Существует несколько групп фосфолипидов: 1) плазмалогены, 2) диольные фосфолипиды и 3) дифосфатидилглицериды, 4) фосфатидилхолин, 5) фосфатидилэтаноламин, 6) фосфатидилинозитол, 7) фосфатидилсерин, 8) лизофосфолипиды, 9) сфингомиелины.

В молекуле плазмалогена первый углерод глицерина (С1) вместо ацильной группы присоединяет альдегид. На их долю приходится до 10% фосфолипидов мозга и мышечной ткани.

Диольные фосфолипиды характеризуются тем, что вместо глицерина в составе их молекул содержатся двухатомные спирты: этиленгликоль или пропандиол; это одноцепочечные липиды. В отношении клеточных мембран они обладают поверхностно активными свойствами, поэтому дестабилизируют мембраны и даже способны их разрушать. В малых дозах они не повреждают мембрану, а лишь изменяют ее свойства, например, повышают проницаемость для небольших молекул и ионов. В больших дозах они вызывают гемолиз эритроцитов, снижают рецепцию ацетилхолина, модифицируют иммунные реакции. По-видимому, некоторые клетки используют это свойство – начинают интенсивно синтезировать диольные липиды в период быстрого роста и прекращают их образование, когда клеточный рост замедляется. Возможно, это связано с тем, что в период роста клеток их мембраны должны быть более лабильными. Любопытно, что существуют организмы, которым не страшны высокие концентрации диольных липидов. Клетки морских звезд, например, могут накапливать очень много диолов без вреда для их собственных мембран, хотя механизм защиты клеточных мембран от этих соединений неизвестен.

Дифосфатидилглицериды – наиболее широко распространенным представителем этой группы фосфолипидов является кардиолипин – непременный компонент митохондриальных мембран, выделенный первоначально из сердечной мышцы, также кардиолипин входит в состав бактериальных мембран и мембран хлоропластов.

Лецитины (фосфатидилхолины) широко представлены в клетках различных тканей, они выполняют как метаболические, так и структурные функции в мембранах. Дипальмитиллецитин – очень эффективный повехностно-активный агент, снижающий поверхностное натяжение и тем самым препятствующий слипанию внутренних поверхностей дыхательных путей и легких. Его отсутствие в легких недоношенных новорожденных приводит к развитию синдрома дыхательной недостаточности.

Высокое содержание лецитинов в организме животных отмечается в мозге, сперме, надпочечниках, эритроцитах.

Фосфатидилхолины используются в пищевой промышленности при производстве шоколада и маргарина. В медицине лецитины применяются при лечении заболеваний нервной системы, а также в качестве антиоксидантов.

Высокое содержание лецитина и фосфатидилэтаноламина (кефалин) в животных тканях определяется тем, что они служат основными компонентами мембран клеток и клеточных органелл. Фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины являются основными фосфолипидами молока, содержание которых составляет более 60% всех фосфолипидов.

В фосфатидилинозитолах полярной группой является шестиуглеродный циклический спирт инозит. У животных фосфатидилинозиты обнаружены в мышечной ткани сердца, печени, легких и особенно их много в миелиновых оболочках нервных волокон спинного мозга.

Фосфатидилсерин. В тканях находится также родственный кефалину фосфолипид, содержащий вместо этаноламина остаток серина. Кроме того, были выделены фосфолипиды, содержащие остаток треонина.

Лизофосфолипиды. Эту группу соединений образуют фосфоацилглицеролы, содержащие только один ацильный радикал. Примером служит лизолецитин, играющий важную роль в метаболизме фосфолипидов.

Как упоминалось выше, кроме глицерофосфолипидов в группу фосфолипидов входят и сфинголипиды, которые можно представить, как производные церамида (жирнокислотного эфира ненасыщенного аминоспирта сфингозина) и монофосфорных эфиров спиртов. В случае наиболее распространенного сфинголипида – сфингомиелина таким эфиром является фосфорилхолин. Сфингомиелин содержится в больших количествах в белом веществе мозга, в миелиновых оболочках нервных стволов.

Функции фосфолипидов в зависимости от выполняемой функции органов

В работе [1] подробно рассмотрены функции фосфолипидов. Приведенная ниже информация большей частью базируется на этих материалах.

Липопротеины. Основную транспортную функцию в крови человека и животных выполняют сложные высокомолекулярные белково-липидные структурные образования, которые называются липопротеинами. В составе липопротеинов присутствуют белки, триациглицеролы, фосфолипиды, холестерол и его эфиры, жирные кислоты, жирорастворимые витамины.

Липопротеины предназначены для связывания и транспорта различных нерастворимых в воде соединений, в том числе и липидов. Кроме того, липопротеины входят в состав мембран митохондрий, ядра клетки, микросом и клеточной мембраны. Все липопротеины имеют гидрофобное ядро, в состав которого входят липиды, окруженные полярными липидами и оболочкой из белков.

Белково-липидные комплексы

Сложные комплексы белков и липидов могут формировать упорядоченные структуры, построенные по типу мицелл, которые формируются неполярными молекулами в полярной среде.

В полярных растворителях образование мицелл происходит путем упорядоченного расположения липидов таким образом, что их гидрофильные головки бывают обращены в сторону полярных молекул воды, тогда как неполярные углеводородные радикалы формируют гидрофобное ядро, изолированное от молекул растворителя. К мицеллообразующим молекулам относятся жирные кислоты, фосфолипиды, ганглиозиды, желчные кислоты. Устойчивые мицеллы могут образовываться в смешанных белково-липидных комплексах. При этом белки располагаются по периферии мицеллы, контактируя с молекулами воды, а гидрофобные молекулы (липиды) занимают центральную часть молекулы.

В организме животных липиды выполняют разнообразные функции: 1) входят в состав мембран клеток и органелл (насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, фосфолипиды сфинголипиды и др); 2) окисление липидов (жирных кислот) обеспечивает энергетические потребности живoго opгaнизма; 3) служат предшественниками молекул, обладающих регуляторным действием, в частности, ненасыщенные жирные кислоты входят в состав витамина А, из арахидоновой кислоты синтезируются простагландины и тромбоксаны; 4) предшественником кортикостероидов, женских и мужских половых гормонов, желчных кислот и витамина D является холестерин; 5) кортикостероиды могут стимулировать синтез РНК и белков, обладают противовоспалительным, антиаллергическим, иммунодепрессивным, противошоковым и антитоксическим действием; 6) в качестве женских и мужских половых гормонов липиды отвечают за проявление вторичных половых признаков, регулируют активность генома клеток; 7) желчные кислоты в составе желчи принимают участие в процессе переваривания и транспорте липидов по кишечнику; 8) витамин D участвует в переносе ионов кальция; 9) в составе сложных белков липиды формируют комплексы (липопротеиды обеспечивающие перенос нерастворимых в воде соединений; 10) выполняют функции изоляторов в составе липоидных слоев миелиновых оболочек, защищая при этом проводящие части нервного волокна от окружающей среды; l1) отложение липидов в подкожно-жировом слое проявляет их термоизоляционные свойства; 12) входя в состав жировых шариков молока, липиды обеспечивают стабильность этих образований; 13) липиды придают водоотталкивающие свойства кожным покровам животных.

Фосфолипиды тромбоцитов участвуют в процессе коагуляции протеинов, выполняют роль инициатора активности субстратов тромбоцитарных ферментов, продуцирующих тромбоксан А2, который является важнейшим элементом в механизме активации тромбоцитов и мощным тромбоцитарным кофактором, инициирующим агрегацию тромбоцитов.

В состав нервной ткани входят специфические липиды, которые определяют сложность и своеобразие мембран и надмолекулярных образований, в частности, миелина. На долю липидов приходится до 50% сухой массы нервной ткани, из которой одну половину составляют фосфолипиды, а другую – холестерин и гликолипиды. Нервная ткань особенно богата кефалином, сфингомиелином.

Содержание фосфолипидов в различных органах, в зависимости от эволюции животного

«Сходство фосфолипидного состава у разных групп животных и даже относительной концентрации отдельных семейств фосфолипидов» убедительно продемонстрировано работами академика Е. М. Крепса и его сотрудников на примере нервной системы животных, занимающих совершенно различное положение в эволюционном ряду. Эти исследования позволили сделать вывод о консерватизме биохимической эволюции мембранных фосфолипидов и их генетической закрепленности. Представленные в статье [4] данные по содержанию фосфолипидов в других тканях показывают, что преобладающими фосфолипидами всюду являются фосфатидилхолин (ФХ) и фосфатидилэтаноламин (ФЭА). Отсюда следует вывод, что именно этим двум липидам принадлежит, вероятно, особая, определяющая роль в структурно-функциональной организации мембраны, возникшей на заре эволюции как гидрофобный двуслойный барьер в водной среде при зарождении жизни на Земле.

В таблице 1 представлены данные по содержанию различных классов фосфолипидов в тканях моллюсков. Эти результаты сопоставлены с полученными ранее данными о количестве различных фосфолипидов в тканях рыб, сусликов и других животных [5]. Представленные данные показывают, что независимо от исследуемой ткани или всего организма или, что особенно важно, от уровня эволюционного развития животного преобладающими фосфолипидами всюду являются ФХ и ФЭА.

Данные по содержанию и липидному составу различных органов рыб и морских организмов представлены и всесторонне проанализированы в работе [6]. На основе данной книги была сформирована таблица 2, в которой собраны только данные, характеризующие фосфолипидный состав мышечной ткани рыб и морских организмов. Как видно из таблицы, содержание фосфолипидов варьируется от 6 до 91%.

В статье [9] исследовался фосфолипидный состав в различных органах (мозгу, сердце, мышцах) кролика, крысы, утки, лягушки, миноги. Автором показано, что каждый орган характеризуется своим специфическим содержанием фосфолипидов. При этом идентичные органы животных разного эволюционного уровня имеют очень различный состав, хотя выполняют одинаковую функцию. На этом основании автор делает вывод об органной и видовой специфичности липидного состава органов и об изменениях липидного состава в процессе эволюции.

Таблица 1. Содержание отдельных классов фосфолипидов в тканях животных разного эволюционного уровня (% суммы всех ЖК) [4]

Примечание.** - данные авторов; ** - содержание фосфолипидов округлено до целых значений; сл – следовые количества, менее 0,5%; ФХ – фосфатидилхолин, п-ФХ – плазмалоген-фосфатидилхолин, ФЭА – фосфатидилэтаноламин, п-ФЭА – плазмалоген-фосфатидилэтаноламин, ФС – фосфатидилсерин, МФИ – монофосфатидилинозитол, ДФГ – дифосфатидилглицерин, ФК – фосфатидная кислота.

Таблица 2. Содержание фосфолипидов в липидах мышечных тканей рыб и морских организмов [6]

Объекты и методы исследования

Методика определения фосфолипидов живых организмов в лабораторных условиях

В данной работе анализируется содержание фосфолипидов в мышечных тканях животных. Для исследования брали образцы тканей животных, которые являются типичными представителями своего класса: корова и свинья (млекопитающие), курица (птица), минтай (рыба), кальмар (головоногий моллюск). В качестве образцов были взяты свежие мышцы коровы, свиньи, курицы, минтая и кальмара. Приборами для приготовления субстрата служили ступка и пестик. Также для фильтрации полученного гомогената использовалась марля. В начале работы каждый образец перетирался в ступке с добавлением уксусной кислоты до получения однородной смеси (рис. 2–4). Затем производилась фильтрация полученной смеси с помощью нескольких слоев марли. После чего пробы были расфасованы по заранее приготовленным контейнерам (рис. 5). Содержание фосфолипидов определялось в лабораторных условиях колориметрическим методом. Далее рассмотрим принцип работы фотоколориметра. Луч света от источника проходит через светофильтр. Полученный монохроматический свет проходит через кювету с раствором. Кюветы – сосуды, в которые помещают анализируемый раствор и раствор сравнения. Они представляют из себя прямоугольные сосуды с определённым расстоянием между стенками. Для аналитических измерений важен не общий объём раствора, помещённого в кювету, а толщина слоя раствора, которая определяется расстоянием между передней и задней стенками. Кюветы изготавливают из стекла, пропускающего все лучи видимого спектра.

Прошедший через раствор свет попадает на фотоприёмник (фотодиод), который преобразует энергию световой волны в электрический ток. Сигнал усиливается усилителем и поступает на измерительный элемент (гальванометр), где находятся две шкалы. На нижней шкале нанесены значения оптической плотности раствора, а на верхней – коэффициента пропускания в процентах.

Принцип измерения коэффициента пропускания и оптической плотности состоит в том, что на фотоприёмник направляют поочерёдно световые потоки – полный и прошедший через анализируемый раствор. Вначале в световой поток помещают кювету с раствором сравнения (растворитель или дистиллированная вода). Изменением чувствительности фотоэлектроколориметра добиваются, чтобы отсчёт по шкале коэффициентов пропускания был равен 100 делениям (или был равен нулю по шкале оптической плотности). Таким образом, полный световой поток условно принимается за 100%. Далее в световой поток помещают кювету с исследуемым раствором. Вследствие поглощения света раствором световой поток ослабляется, и стрелка гальванометра отклоняется от нуля. По показаниям стрелки на шкале определяют значение оптической плотности или коэффициента пропускания исследуемого раствора.

Биологическая характеристика исследуемых органов животных

Мышечная ткань составляет 40–42% от массы тела. Основная динамическая функция мышц – обеспечить подвижность путем сокращения и последующего расслабления. При сокращении мышц осуществляется работа, связанная с превращением химической энергии в механическую.

Различают три типа мышечной ткани: скелетную, сердечную и гладкую мышечную ткань.

К поперечно-полосатым мышцам, помимо скелетных, относятся мышцы языка и верхней трети пищевода, внешние мышцы глазного яблока и некоторые другие. Морфологически миокард относится к поперечно-полосатой мускулатуре, но по ряду других признаков он занимает промежуточное положение между гладкими и поперечно-полосатыми мышцами.

Поперечно-полосатая мышца состоит из многочисленных удлиненных волокон, или мышечных клеток. Двигательные нервы входят в различных точках в мышечное волокно и передают ему электрический импульс, вызывающий сокращение. Мышечное волокно обычно рассматривают как многоядерную клетку гигантских размеров, покрытую эластичной оболочкой – сарколеммой.

В каждом мышечном волокне в полужидкой саркоплазме по длине волокна расположено, нередко в форме пучков, множество нитевидных образований – миофибрилл (толщина их обычно менее 1 мкм). В саркоплазме мышечных волокон обнаруживается и ряд других структур: митохондрии, микросомы, рибосомы, трубочки и цистерны саркоплазматической сети, различные вакуоли, глыбки гликогена и включения липидов, играющие роль запасных энергетических материалов, и т.д.

В мышечной ткани взрослых животных и человека содержится от 72 до 80% воды. Около 20–28% от массы мышцы приходится на долю сухого остатка, главным образом белков. Помимо белков, в состав сухого остатка входят гликоген и другие углеводы, различные липиды, экстрактивные азотсодержащие вещества, соли органических и неорганических кислот и другие химические соединения [8].

Биологическая характеристика исследуемых видов животных

Кальмары (Teuthida), отряд головоногих моллюсков. Возникли предположительно в позднем мезозое, расцвет кальмаров — в неогене. Длина туловища от 2 см до 5 м; длина тела (вместе со щупальцами) гигантских кальмаров (Architeuthis) 6–13 м, иногда до 18 м, масса до 300 кг. Тело обычно удлинённое, веретеновидное. На голове 8 рук и 2 щупальца, которые у части видов утрачиваются на стадии личинки или в период полового созревания. Скелет — узкая роговая пластинка (гладиус). Яйца в слизистых капсулах, откладываются на дно или в толщу воды, иногда вымётываются в воду поодиночке. Некоторые кальмары совершают дальние нагульные и нерестовые миграции. Нектонные и нектобентосные кальмары — активные стайные хищники, планктонные — малоподвижные макропланктофаги [9].

Минтаи (Theragra), род рыб семейства тресковых. Длина 40–55 см, масса до 1,5 кг. Тело удлинённое, прогонистое. Спинных плавников 3, анальных 2 (почти равные), хвостовой — с небольшой выемкой. Дальневосточный минтай (T. chalcogramma) обитает в морях северной части Тихого океана от Берингова пролива до Кореи и Северной Калифорнии, на глубине 500–700 м. Питается ракообразными и мелкой рыбой [9].

Курообразные, куриные (Galliformes), отряд птиц. Известны с нижнего эоцена. Филогенетические связи с другими отрядами недостаточно ясны; возможно, курообразные близки к журавлеобразным. Курообразные встречаются от тундры до тропических лесов и альпийского пояса гор. В основном оседлые или кочующие. Главным образом наземные птицы. Птенцы вылупляются покрытыми густым пухом и сразу покидают гнездо, питаются преимущественно животной пищей (насекомые, черви и т. д.); взрослые — растительноядные [9].

Свиные (Suidae), семейство нежвачных парнокопытных. Морда длинная, заканчивающаяся голым хрящевым подвижным «пятачком». Волосяной покров редкий, состоящий преимущественно из щетины. Клыки хорошо развиты, острые, изогнутые вверх. Конечности четырёхпалые. В отличие от других копытных всеядны [9].

Корова — самка домашнего быка, одомашненного подвида дикого быка (Bos taurus), парнокопытного жвачного животного подсемейства Быки. Разводится для получения мяса, молока и кожи. Различают мясные, мясо-молочные и молочные породы коров [9].

Экспериментальная часть

Определение содержания фосфолипидов в различных органах животных разного эволюционного уровня

Результаты количественного определения содержания фосфолипидов в мышечных тканях животных разного эволюционного уровня представлены в таблице 3 и на рисунке 1. Как показало исследование, наибольшее содержание фосфолипидов характерно для мышечной ткани коровы (Bos taurus) и свиньи (Suidae). Это связанно с гомойотермностью данных животных. Как видно из таблицы 3, для свиньи и коровы характерно относительно низкое содержание триглицеридов и холестерина (62% и 60% соответственно). Представителем класса птиц была курица (Gallus gallus). Содержание фосфолипидов в мышечной ткани курицы составляет 17%. Этот показатель значительно ниже, чем у первых двух представителей. Исследования показали, что для пойкилотермных (минтай, кальмар) животных характерно более низкое содержание фосфолипидов, чем для гомойотермных. У минтая – 13%, у кальмара – 3% (самое низкое содержание среди исследованных образцов). Также для минтая (Theragra chalcogramma) и кальмара (Teuthida) характерно более высокое содержание триглицеридов и холестерина. Таким образом, при сопоставлении фосфолипидного состава мышечных тканей животных разных видов, стоящих на разных ступенях эволюционного развития, можно увидеть существенные различия. Полученные данные говорят о видовой специфичности фосфолипидного состава мышечной ткани и о его эволюционном изменении.

Таблица 3. Содержание фосфолипидов в мышечной ткани животных

Рис. 1. Содержание фосфолипидов в мышечной ткани животных.

Заключение

1) В результате наших исследований было установлено, что мышечные ткани животных разного эволюционного уровня отличаются по процентному содержанию фосфолипидов относительно других липидов.

2) Было установлено, что наибольшее содержание фосфолипидов в мышцах наблюдается у коровы и свиньи (40% и 38% соответственно), также результаты связаны с функциями мышечных тканей и зависят от степени упитанности и добавления биодобавок в рацион мясных пород животных.

3) Наименьшее содержание фосфолипидов установлено в мышцах кальмара и минтая (3% и 13% соответственно), что можно объяснить функцией органа и хладнокровностью животного. В теле гидроби­онтов расположение скоплений липидов и их относительное со­держание в тканях непостоянно и зависит от многочисленных факторов, в частности от вида, пола, возраста, физиологическо­го состояния и др. Биохимические осо­бенности процессов липидного метаболизма у отдельных видов гидробионтов отражаются на химическом составе липидов, со­держащихся в различных тканях. Данные исследования подтверждают тот факт, что в основном у данной группы животных фосфолипиды сосредотачиваются в подкожной клетчатке, в жировых отложениях на желудке и кишечнике, а также в буром жире, выполняющих в основном защитные функции.

4) Таким образом, содержание фосфолипидов в отдельных органах зависит не только от места животного в эволюционном ряду, его тепло- или холоднокровности, но и от функции органа, а также структуры клеток, которые образуют исследуемый орган: так мышцы характеризуются небольшим содержанием фосфолипидов.

Литература

В.В. Рожин / Биохимия животных // СПб: ГИОРД, 2009, 552 с.

А.А. Болдырев, Е.И. Кяйвяряйнен, В.А. Илюха / Биомембранология // Петрозаводск: Изд-во Кар. НЦ РАН, 2006, 226 с.

Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. / Биохимия человека: В 2-х томах. Пер. с англ. // М.: Мир, 1993. – 384 с.

М. А. Чеботарева, С. А. Забелинский, Е. П. Шуколюкова, А. И. Кривченко / Предел изменения индекса ненасыщенности жирнокислотного состава фосфолипидов при адаптациях моллюсков к биогенным и абиогенным факторам внешней среды // Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2011г., т. 47, № 5, с. 383–387.

С. А. Забелинский, М. А. Чеботарева, А. М. Каландаров, Б. А. Фейзулаев, Н. К. Кличханов, А. И. Кривченко, А. М. Казеннов / Влияние общей гипотермии на жирнокислотный состав фосфолипидов крови крыс и сусликов и светового излучения на химические процессы в липидном экстракте // Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2011г., т. 47, № 4.

В.Ф. Рожавская / Жиры рыб и морских млекопитающих // Изд-во «Пищевая промышленность», 1976, 470 с.

Лебедев В.Н. / Сравнительно-биохимическое исследование липидного состава мозга и других органов у животных разного эволюционного уровня // в сборнике: Герценовские чтения материалы межвузовской конференции молодых ученых. Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена: факультет биологии. 2001. С. 34-36.

Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин / Биологическая химия // М: Медицина, 1998, 701 с.

Биологический энциклопедический словарь // Гл. ред. М. С. Гиляров – 2-е изд., исправл. – М.: Сов. Энциклопедия, 1986 – 864 с.