لیپیدها

غشاء سلولی؛ ساختمان، شکل گیری و عملکرد
غشاءهای سلولی حالتی غلیظ و چسبناک داشته، و در عین حال همانند پلاستیک ها مقاوم بوده و استحکام دارند. غشاءهای پلاسمائی فضاهایی بسته پیرامون پروتوپلاسم سلولی تشکیل می دهند و سلولها را از یکدیگر جدا می نمایند. قابلیت نفوذ غشاهای پلاسمائی انتخابی است بدین معنی که همانند سدی عمل نموده و اختلافات موجود، بین ترکیب داخل و خارج سلولی را حفظ می نمایند، این نفوذپذیری انتخابی در مورد یون ها و سوبستراهای مختلف به کمک کانال ها و پمپ های شیمیائی و برای پیام ها (هومون ها) توسط پذیرنده های خاصی انجام می پذیرد.
غشاهای پلاسمائی قادرند به کمک پدیده های برون ریزی (Exocytosis) و درون ریزی (Emdocytosis) تبادلاتی با محیط خارج سلولی برقرار نمایند، علاوه بر این در ساختمان غشاها

مناطق خاصی بنام انشعاب های شکافی
(Gap junctions) وجود دارد که امکان برخی تبادلات با سلولهای همجوار را فراهم می سازد.
در داخل سلول نیز غشاءها اندامک های داخل سلولی را تشکیل می دهند که دارای اشکال و وظایف کاملاً متمایزی می باشند؛ مانند میتوکندریها، تورینه های درون پلاسمائی، و دستگاه گلژی، شبکه سارکوپلاسمی، گرانول های ترشحی، لیزوزومها و غشاهای هسته ای. غشاها می توانند آنزیم هائی را در مکان هائی خاص در خود جای داده و همچنین می توانند به عنوان جزئی لازم و مکمل در جفت شدن پدیده تحریک – پاسخ (Excitation-Response coupling)  شرکت نموده و نیز جایگاهی برای جابجا شدن انرژی در واکنش هائی مانند فتوسنتز و فسفوریلاسیون اکسیداتیو فراهم نمایند.

اهمیت زیست پزشکی
بروز هرگونه تغییرات مهم در ساختمان غشاء را می توان بر تعادل آب و یونها، سرعت انتقال یونها به داخل سلول و از آنجا بر کلیه اعمال سلولی اثر بگذارد.
برخی تغییرات و یا اختلالات در ساختمان غشاء امکان دارد به بروز بیماریهای مختلف منجر شود (جدول 5-15)، به بیانی دیگر، عملکرد طبیعی سلول را بسته به سالم بودن غشاء سلول است.

اهمیت فضاهای داخل و خارج سلولی
حیات اولیه در محیطی آبی آغاز شده، واکنش های آنزیمی، فرآیندهای سلولی در اندامک های داخل  سلولی همگی در محیط های آبی تکامل یافته و عمل می کنند در صورتیکه امروزه اکثر پستانداران در محیطی گازی (هوا) زندگی می کنند، پس چگونه از حالت آبی اولیه سلول محافظت شده است؟
غشاءهای سلولی با وارد کردن آب بداخل بدن و تقسیم آن در فضاهای مختلف، محیط آبی مناسب را برای سلول فراهم ساخته اند؛
حدود 60 درصد وزن بدن (بدون چربی) را آب تشکیل می دهد و این آب در دو بخش یا فضا تقسیم شده است.
1-فضاهای داخل سلولی -   آب بدن در فضاهای داخل سلولی است، این آب محیط و شرایط لازم را برای انجام فعالیت های زیر فراهم می سازد:
الف- تولید، ذخیره و مصرف انرژی
ب-خودترمیمی سلول
ج-همانندسازی
د-انجام وظایف خاص در هر نوع سلول
2-فضاهای خارج سلولی – این فضا حاوی   آب بدن است و این آب در دو بخش؛ پلاسما و فضاهای بین سلولی تقسیم شده است.
فضای خارج سلولی در واقع نوعی دستگاه توزیع کننده مواد مورد نیاز سلول است. بدین معنی که ترکیبات غذایی (گلوکز، اسیدهای چرب و اسیدهای آمینه)، یونهای مختلف و عناصر معدنی و نیز انواع ملکولهای تنظیم کننده، مانند هورمونها را به سلول می رساند، علاوه بر این مایع فضای خارج سلولی CO2، مواد زائد و مواد سمی را از محیط پیرامون سلول دور می کند.

ترکیب یونی مایعات داخل و خارج سلولی
ترکیب یونی مایعات داخل و خارج سلولی بسیار متفاوت است (جدول 1-15)؛ پتاسیم (K+) و منیزیم (Mg2+) مهمترین کاتیون و فسفات مهمترین آنیون داخل سلولی است، در حالیکه در مایع خارج سلولی سدیم (Na+) و کلسیم (Ca2+) کاتیونهای اصلی و کلر (Cl-) آنیون اصلی است. شایان توجه است که گلوکز با غلظت های بالاتری در مایعات خارج سلولی وجود دارد، در صورتیکه غلظت پروتئین ها در داخل سلول به مراتب بیشتر از خارج سلول می باشد، علت این تفاوت های زیاد چیست؟
ظاهراً اینطور به نظر می آید که آب دریاهای اولیه یعنی مکانی که حیات آغاز شده است حاوی غلظت های بالا از یونهای K+ و Mg2+  بوده و بنابراین د ر سیر تکاملی واکنش های آنزیمی و سایر فرایندهای زیستی در جهت سازش بیشتر با چنین شرایطی پیش رفته اند و در نتیجه غلظت این یونها در داخل سلول بالا باقی مانده است، اما از آنجائیکه ترکیب آب دریاها – به تدریج تغییر کرد و غلظت یونهای Na+ و Ca2+ افزایش یافت، سلولها شدیداً تحت فشار اصل انتخاب قرار گرفته که نیازمند تغییرات گسترده و تکامل در جهت کسب مکانیسم های کاملاً متفاوت بیوشیمی و فیزیولوژی بود، اما سلول ها به جای پذیرفتن اینگونه تغییرات گسترده و دگرگونی بنیانی واکنش های بیوشیمی فقط سدهایی را ایجاد کردند (غشاءها و پمپ های شیمیایی) تا بدین ترتیب از فضای کوچک داخلی خود محافظت کرده باشند.

جدول 1-15-مقایسه غلظت متوسط ملکولهای مختلف در داخل و خارج سلولهای پستانداران

ساختمان پیچیده غشاءها
در ساختمان پیچیدة غشاها، ایپیدها، پروتئین ها و کربوهیدراتها شرکت دارند. نسبت پروتئین‌ها به لیپیدها در غشاهای مختلف داخل سلولی و مابین سلولی متفاوت است (شکل 1-15) و به جز چند استثناء، در اکثر غشاءها مقدار پروتئیبن ها برابر و یا بیشتر از لیپیدها است که البته با توجه به اعمال و وظایف متنوع غشاءها، اینگونه تفاوت ها در ترکیب آنها دور از انتظار نیست. غشاءهای ساختمانی ورقه مانند، بسته و غیرمتقارن دارند و دارای دو سطح داخلی و خارجی می باشند. این ساختمان ورقه مانند در واقع مجتمع های غیر کووالانسی می باشند که از نظر ترمودینامیک پایدار و از نظر متابولیسمی فعال اند. علاوه بر این در ساختمان غشاءهای ملکولهای پروتئین خاصی قلاب وار به غشاء متصل شده و هر یک در انجام اعمال اختصاصی سلول یا اندامک خاص شرکت می نمایند.

لیپیدهای اصلی در ساختمان غشاءها
لیپیدهای اصلی عبارتند از: فسفولیپیدها – گلیکواسفنگو لیپیدها – کلسترول
1-فسفولیپیدها:
از دو گروه فسفولیپیدهای موجود در ساختمان غشاءها، فسفوگلیسیریدها فراوان تر می باشند. این فسفولیپیدها تشکیل یافته اند از یک ریشه گلیسرول که دو اسید چرب توسط پیوندهای استری و یک الکل فسفریله به آن متصل شده اند.

شکل 2-15 یک فسفوگلیسرید با دو اسید چرب (R2,R1) گلیسرول و الکل فسفوریله. در اسید فسفاتید یک (R3=H)
اسیدهای چرب این فسفولیپیدها معمولاً دارای تعداد کربن زوج (16 یا 18) و بدون شاخه های انشعابی بوده و ممکن است اشباع یا غیر اشباعی باشند.
اسید فسفاتیدیک (1 و 2 دی اسیل گلیسرول 3- فسفات) ساده ترین فسفوگلسریدها است که نقش کلیدی در سنتز سایر فسفولیپیدها بر عهده  دارد. در سایر فسفولیپیدها ریشة
3-فسفات توسط الکل هائی مانند اتانل آمین، کلین، سرین، گلیسرول و یا اینوزیتول استری شده اند.
اسفنگومیلین ها دومین گروه فسفولیپیدهای موجود در ساختمان غشاءهای سلولی محسوب می شوند و در آنها به جای ریشة گلیسرول (در فسفوگلیسریدها) یک ریشه اسفنگوزین قرار گرفته و یک اسید چرب نیز با پیوند آمیدی به عامل آمین انفنگوزین اتصال یافته است. عامل هیدروکسیل نوع اول انفنگوزین نیز توسط ملکول فسفوریل کلین استری شده است. همانطور که از نام این گروه فسفولیبیدها مشهود است (اسفنگومیلین)، این فسفولیپیدها به مقدار زیاد در غلاف های میلین فیبرهای عصبی وجود دارند.

2-گلیکو اسفنگولیپیدها:
این گروه لیپیدها نیز از اسفنگوزین مشتق می شوند با این تفاوت که در ساختمان آنها یک یا چند مولکول قند نیز شرکت دارد؛ مانند سربروزیدها و کانگلیوزیدها. اختلاف این ترکیبات با اسفنگومیلین در نوع گروه شیمیایی است که برروی هیدروکسیل نوع اول اسفنگوزین قرار می گیرد در اسفنگومیلین ها یک مولکول فسفوریل کلین برروی عامل هیدروکسیل قرار گرفته در صورتیکه در سربروزیدها یک ملکول هگزور (گلوکز یا کالاکتوز) و در گانگلیوزیدها یک زنجیره سه یا چند قندی که دست کم یکی از آنها اسید سیالیک می باشد برروی عامل هیدروکسیل اسفنگوزین قرار می گیرد.

3-کلسترول:
از بین استرول های مختلف، کلسترول فراوانترین استرول در ساختمان غشاهای سلولی است و انحصاراً در غشاءهای پلاسمائی سلولهای پستانداران وجود دارد اما، احتمال دارد به مقادیر کم در میتوکندری های دستگاه گلژی و غشاء هسته ای نیز یافت شود.
از غشاء پلاسمانی، مولکول های کلسترول بیشتر در لایه های خارجی غشا یافت می شوند، در این لایه ها مولکولهای کلسترول طوری در لابلای ملکولهای فسفولیپیدی فرو رفته اند که عامل هیدروکسیل آنها به طرف فصل مشترک آبی و مابقی ملکول در داخل ورقه های غشاء قرار گرفته اند و بدینترتیب است که ملکولهای کلسترول نقش مهمی در سیال بودن غشاء بر عهده دارند که بعداً مورد بحث قرار خواهیم داد.
خواص آمفی پاتیک لیپیدهای غشاء
تمام لیپیدهای اصلی غشاء تؤماً دارای مناطق هیدروفوب و هیدروفیل هستند و بنابراین غشاءها نیز دارای خواص آمفی پاتیک می باشند. اگر مناطق هیدروفوب را از ملکول لیپیدها جدا کنیم، باقیمانده ملکول نامحلول در آب ولی محلول در روغن خواهد بود و در جهت معکوس نیز اگر مناطق هیدروفیل را در مولکول لیپید جدا کنیم باقیمانده مولکول در روغن ها نامحلول ولی محلول در آب خواهد بود لیپیدهای آمفی پاتیک غشاءها دارای گروههای قطبی در ناحیه سر و گروههای غیر قطبی در ناحیه دم می باشند.

 تصویری فرضی از یک فسفولیپید و یا سایر لیپیدهای غشاء
1-گروه سرقطبی و هیدروفیل و هیدروکربنهای دم، هیدروفوب
2-در قسمت دم اسیدهای چرب اشباعی (S) و یا غیر اشباعی (U)
3-معمولاً اشباعی ها به کربن1و غیراشباعی‌ها به کربن2 گلیسرول متصل می‌شوند
اسیدهای چرب اشباعی (S) بسبب راحت بودن دم ها و اسیدهای چرب غیر اشباعی (U)، که معمولاً در غشاء به حالت سیس می باشند، باعث تاب دار شدن دم ها می گردند. هرچه دم ها بیشتر تاب دار باشند تراکم و فشردگی غشاء کمتر و غشاء سیال تر خواهد بود. اترژنت ها ملکولهای آمفی پاتیک هستند و ساختمان ملکولی آنها بی شباهت به فسفولیپیدها نیست، از همین رو است که از برخی دترژنها برای جدا کردن پروتئین ها از غشاء و بمنظور حل کردن پروتئین استفاده می شود. در این عمل انتهای هیدروفوب دترژن با مناطق هیدروفوب پروتئین ها پیوند یافته و جانشین بیشتر پیوندهای لیپیدی می گردد و سپس انتهای قطبی و آزاد دترژن پروتئین ها را به شکل کمپلکس دترژن – پروتئین که محلول است – درمی آورد.

ساختمان دولایه ای لیپیدها در غشاء
با توجه به خاصیت آمفی پاتیک فسفولیپیدها اینطور بنظر می اید که مناطق مختلف ملکول (هیدروفیل و هیدروفوب) از نظر حلالیّت با یکدیگر سازگار نمی‌باشند، اما فسفولیپیدها در حلاّلی مانند آب و در وضعیتی قرار می گیرند که از نظر ترمودینامیک برای هر دو منطقه ملکول قابل قبول می باشد.
میسل ها که ساختمانی کروی دارند یکی از این وضعیت ها محسوب می شوند. (شکل 4-15)

 تصویری فرضی از یک مقطع میسل
گروه سر قطبی در آب فرو رفته در حالیکه دم های هیدروکربن هیدروفوب توسط سایر هیدروکربن ها احاطه شده و آنها را از آب محافظت می کند.
در میسل های مناطق هیدروفیل قطبی (در ناحیه سر) در تماس با آب قرار دارند در حالیکه هیدروکربن های هیدروفوب (ناحیه دم) در مرکز میسل قرار گرفته و توسط سایر هیدروکربن ها پوشانده شده اند.
لایه های دو ملکولی و یا دو لایه ای‌ها (BILAYERS) وضعیت دیگری هستند که می توانند پاسخگوی خواص ترمودینامیک ملکولهای آمفی پاتیک در محیط آبی باشند. دولایه‌ائی‌های مصالح کلیدی در غشاء می باشند؛ یک دو لایه همانند ورقه ای است که در آن مناطق هیدروفوب فسفولیپید (دم‌ها) از محیط آبی دور نگهداشته شده اند در صورتیکه مناطق هیدروفیل (سر) در آب فرو رفته اند 

شکل 5-15: قسمتی از یک دو لایه غشائی که از مولکولهای فسفولیپید تشکیل شده دم های حاوی اسیدهای چرب غیر اشباعی با تابیدن و پیچ های خود فضای بیشتری را بین سرهای قطبی ایجاد کرده، تحرک آنها را آسان می کنند.

در یک ورقه دو لایه ای تنها در انتها یا لبه های ورقه، ملکولها در شرایطی نامناسب قرار می گیرند که این مشکل نیز با برگشتن لبه ها روی ورقه و ایجاد یکنوع وزیکول بسته و بدون لبه برطرف می شود. این نوع دولایه ای بسته یکی از خواص اصلی غشاء است زیرا اکثر مولکولهای محلول در آب در مناطق مرکزی و هیدروفوب دولایه غیر محلول بوده و قابلیت نفوذ به داخل غشاء را نخواهد داشت.
در اینجا دو سؤال می تواند مطرح باشد:
1-تعداد زیادی ترکیبات زیستی محلول در چربی چگونه قادرند بسهولت وارد سلول گردند؟ گازها مانند اکسیژن، CO2 و ازت و ملکولهای کوچکی که برروی ملکولهای حلاّل تأثیر چندانی ندارند به سهولت در میان نواحی هیدروفوب غشاء انتشار یافته و بداخل سلول نفوذ می نمایند. ترکیبات مشتق از لیپید مانند هورمونهای استروئیدی نیز به آسانی از دو لایه عبور می کنند.
سرعت نفوذ ملکولهای آلی غیر الکترولیت نیز بستگی به ضریب تقسیم آنها بین آب و لیپید دارد  و هرچه قابلیت انحلال یک مولکول در لیپید بیشتر باشد با سرعت بیشتری از غشاء عبور می نماید.

شکل 6-15-ضریب قابلیت نفوذ آب، برخی یونها و ملکولهای کوچک در دو لایه لیپیدی غشاء ملکولهائی که با سرعت بیشتری از یک غشاء عبور می کنند و دارای ضریب قابلیت نفوذ بالاتری می باشند.
2-سؤال دوم مربوط به مولکولهای غیرمحلول در لیپیدها است.
چگونه سراشیب غلظتی اینگونه ترکیبات که در دو طرف غشاء حفظ می شود؟
پروتئین نیز که از ترکیبات اصلی در ساختمان غشاء می باشند دارای خاصیت آمفی پاتیک هستند بدین معنی که می توانند در کنار مناطق آمفی پاتیک مشابه خود در دو لایه لیپیدی جای گرفته، کانال هائی را تشکیل دهند که حرکت یونها و ملکولهای کوچک را آسان می کنند و برای مولکولهای درشت نیز خود نقش حامل را بر عهده می گیرند.

پیوند پروتئین های غشاء با دو لایة لیپیدی
فسفولیپیدهای غشاء نقش حلاّل را روی پوتئین ها بر عهده دارند بدین معنی که محیطی مناسب برای انجام عملکرد آنها فراهم می سازند. از بیست اسید آمینه ای که د ر ساختمان اولیه پروتئین ها شرکت دارند و در شش اسید امینه گروههای شیمیایی متصل به   کربن هیدروفوب های قوی هستند، در تعداد کمی از آنها این گروهها هیدروفوب ضعیف و در بقیه هیدروفیل اند. در فصل پروتئین ها دیدیم که ساختمان مارپیچی   نیز خواص هیدروفیلی پیوندهای پپتیدی را به شدت کاهش می دهد، بنابراین ملکولهای پروتئینی نیز آمفی پاتیک بوده و می توانند با بیرون راندن مناطق هیدروفیل خود از سطح داخلی و یا خارجی غشاء و اتصال یافتن به کمک مناطق هیدروفوب خود با مناطق هیدروفوب مرکزی دو لایه لیپیدی جزئی اصلی و مکمل ساختمان غشاء را تشکیل دهند، در واقع قسمت هائی از مولکولهای پروتئین های غشاء که در میان غشاء قرار می گیرند دارای تعداد قابل توجهی اسیدهای آمینه هیدروفوب بوده و شامل تعداد زیادی مارپیچ   و یا صفحات چین دار می باشند.
انواع پروتئین های مختلف در یک غشاء از 6 تا 8 عدد (در تورینه سار کوپلاسمی) تا متجاوز از صد نوع (در غشاء پلاسمائی) متغیر است. این پروتئین ها شامل انواع آنزیم ها، پروتئین های حامل، پروتئین های ساختمانی، آنتی ژن ها (مانند آنتی ژن های سازگاری نسجی) و پذیرنده های ملکولهای مختلف می باشند.

ساختمان نامتقارن غشاءها
این عدم تقارن را می توان تا حدودی به توزیع نامنظم پروتئین ها در غشاء نسبت داد، یکنوع عدم تقارن درونی و بیرونی غشاء نیز به علت خارج شدن ریشه های کربوهیدرات (متصل به پروتئین ها) از سطح بیرونی غشاء به وجود می آید.
ضمناً آنزم های خاصی منحصراً در طرف بیرونی و یا درونی غشاء جای گرفته اند مانند آنزیمهای غشاء میتوکندری ها و غشاء پلاسمائی. در وضعیت قرار گرفتن فسفولیپیدها در جهت اُریبی و از طرف سطح داخلی به خارج غشائی نیز یکنوع عدم تقارن وجود دارد، فسفولیپیدهای کلین دار (فسفاتیدیل کلین و اسفنگومیلین) بیشتر در لایه های ملکولی خارجی قرار گرفته اند در حالیکه آمینوفسفولیپیدها (فسفاتیدیل سرین و فسفاتیدیل اتانل آمین) بیشتر در لایه های ملکولی داخلی وجود دارند و کلسترول نیز معمولاً به نسبت بیشتر در لایه های خارجی حضور دارد.
ظاهراً این طور به نظر می آید که وجود یک چنین عدم تقارن در غشاء موجب می گردد تا جابه جائی عرضی فسفولیپیدها (از سطح داخلی به خارج) محدود گردد.

پروتئین های اصلی و مکمل غشاء و پروتئین های محیطی
پروتئین های غشائی را می توان به دو گروه اصلی و محیطی تقسیم نمود؛ بیشتر پروتئین های غشائی جزئی لازم و مکمل (INTEGRAL) غشاء می باشند (برای سادگی آنها را اصلی می نامیم). این پروتئین ها در حال ترکیب با فسفولیپیدهای غشائی می باشند و برای جدا کردن آنها ابتدا باید توسط یک دتروژن آنها را بصورت آزاد و محلول در آب درآورد.
تمام پروتئین های اصلی غشائی که تا کنون شناخته شده اند و مورد مطالعه کافی قرار گرفته اند در داخل ضخامت 5 تا 10 نانومتری دو لایه قرار گرفته اند. این پروتئین ها معمولاً کروی و آمفی پاتیک هستند، بدین معنی که شامل دو انتهای (سر) هیدروفیل اند که توسط یک منطقه هیدروفوب از یکدیگر جدا شده اند و این منطقه هیدروفوب است که در مرکز هیدروفوب دولایه قرار گرفته است با شناسائی بهتر ساختمان پروتئین های اصلی غشاء به نظر می آید که برخی از این پروتئین ها به ویژه پروتئین های حامل چندین بار ضخامت دو لایه را طی می نمایند