Значение и свойства липидов

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИПИДОВ

Липиды делят на омыляемые и неомыляемые в зависимости от их способности к гидролизу с образованием в щелочной среде солей высших карбоновых кислот - мыл.

1.1 Неомыляемые липиды

Неомыляемые липиды не расщепляются под действием воды. Неомыляемые липиды делятся на стероиды и терпеноиды (каротиноиды).

1.1.1 Стероиды

Стероиды относятся к липидам животных организмов. В основе их структуры лежит конденсированный четырехциклический остов, называемый стераном (рис. 1).

Рисунок 1 - Структура стерана (циклопентанопергидрофенантрена)

Циклический скелет стероидов относительно жесткий, в целов для природных стероидов наиболее характерны следующие типы сочленения и конформаций циклогексановых колец:

кольца В и С - транс-;

кольца С и D -транс-;

кольца А и В - транс-;

все циклогексановые кольца - в конформации кресла.



К стероидам относятся многочисленные вещества гормональной природы. Среди них наиболее распространенным является холестерин (рис. 2).

Рисунок 2 - Строение холестерина - наиболее распространенного представителя стероидов.

Холестерин - одноатомный спирт, поэтому его называют также холестеролом. Он проявляет свойства вторичного спирта и алкена. В организме 30% холестерина содержится в свободном состоянии, 70% - в виде сложных эфиров с высшими карбоновыми кислотами, как насыщенными (пальмитиновой и стеариновой), так и ненасыщенными (линолевой, арахидоновой и др.), т.е. в виде ацилхолестеринов.

Общее количество холестерина в организме составляет 210-250 г. В больших количествах он содержится в головном и спинном мозге, является компонентом клеточных мембран. Из всего количества холестерина, содержащегося в организме, только около 20% его поступает с пищей. Основное количество холестерина синтезируется в организме из уксусной кислоты. Нарушение обмена холестерина приводит к его отложению на стенках артерий и, как следствие, уменьшению эластичности сосудов (атеросклерозу).

Холестерин в организме превращается в большое количество других стероидов, например в желчные кислоты, которые выполняют важную биологическую функцию: эмульгируя жиры пищи, они улучшают их усвоение.

Наиболее распространенной желчной кислотой является холевая кислота (рис. 3).

Рисунок 3 - Строение желчных кислот

Желчные кислоты находятся в организме также и виде амидов по карбоксильной группе. Посредством амидной связи к ним могут быть присоединены остатки глицина - Н₂NCH₂COOH, как в гликохолевой кислоте, или таурина Н₂NCH₂CH₂SO₃H, как таурохолевой кислоте. Натриевые и калиевые соли желчных кислот обладают поверхностно-активными свойствами. Эмульгируя жиры пищи, они улучшают их усвоение, а также активируют фермент липазу, катализирующий гидролиз жиров.

При облучении УФ-светом некоторых стеринов, например эргостерина, происходит размыкание кольца В и образование продуктов, относящихся к витаминам группы D (антирахитические). Они содержатся в яичном желтке, сливочном масле и рыбьем жире.

Холестерин является предшественником всех стероидных гормонов.



Гормонами называют биологически активные вещества, образующиеся в результате деятельности желез внутренныей секреции и принимающие участие в решуляции обмена веществ и физиологических функций в организме. Гормоны - промежуточное звено между нервной системой и ферментами. Синтезированные в железах внутренней секреции гормоны переносятся током крови к органам-мишеням и там либо повышают каталитическую активность соответствующих ферментов, либо ускоряют их биосинтез.

Согласно химической классификации все известные гормоны делятся на три группы:

аминокислоты и продукты их превращений - адреналин, норадреналин и др.;

пептиды и белковые гормоны - инсулин, гормон роста соматотропин и др.;

производные стероидов - гормоны коры надпочечников (кортикостероиды), мужские и женские половые гормоны и др.

Половые гормоны. Эти вещества вырабатываются половыми органами и регулируют половые функции. К их числу относятся женские (гестагены и эстрогены) и мужские половые гормоны (андрогены).

Эстрагены контролируют менструальный цикл у женщин, используются при лечении гипертонии и др. заболеваний. Наиболее важны эстрон и эстрадиол - производные эстрана.



В настоящее время получают синтетические аналоги эстрогенов, обладающие мощной эстрогенной активностью. К ним относятся диэтилстильбэстрол и продукт его гидрирования синэстрол.

Андрогены стимулируют развитие вторичных мужских половых признаков, влияют на эндокринную систему человека, обладают сильным анаболическим эффектом. Главными мужскими половыми гормонами являются андростерон и более активный тестостерон. В основе их структуры лежит углеродный скелет андростана.

1.1.2 Терпеноиды (изопреноиды)

Терпеноиды (изопреноиды) - под этим названием объединяют ряд углеводородов и их кислородсодержащих производных - спиртов, альдегидов и кетонов, углеродный скелет которых построен из двух, трех или более звеньев изопрена.

Терпенами богаты эфирные масла растений (герани, розы, лаванды, лимона и др.).

К терпенам относятся и различные растительные пигменты - каратиноиды и жирорастворимые витамины. Наиболее известным каратиноидом является каротин. Каротин - растительный пигмент желто-красного цвета, в большом количестве содержащийся в моркови, а также в томатах и сливочном масле. Наиболее распространен т.н. в-каротин (рис. 4).

Рисунок 4 - Строение в-каротина (все двойные связи имеют транс- или E-конфигурацию)

Молекула в-каротина состоит из двух одинаковых частей. Каждая из них в живой клетке (in vivo) превращается в молекулу витамина А (ретинол), играющего важную роль в процессе зрительного восприятия. Витамины группы А считаются факторами роста. Их недостаток в пище вызывает высыхание роговицы глаза (куриную слепоту), понижает сопротивляемость организма инфекции.



Роль ретинола в процессе зрительного восприятия изучена достаточно хорошо. В организме ретинол претерпевает следующие превращения:

1. окисляется в альдегид - 11-транс - ретиналь:

2. 11-транс-ретиналь под воздействием фермента - ретинальизомеразы - превращается в 11-цис-ретиналь:

3. 11-цис-ретиналь связывается с белком палочек сетчатки опсином в иминосоединение (основание Шиффа) с образованием светочувствительного пигмента - родопсина:



4. при поглощении света в результате фотоизомеризации ретинальный комплекс родопсина переходит в 11-транс-ретиналь, его конформация изменяется:

5. измененный 11-транс-ретиналь отделяется от опсина в результате гидролиза:

Эта последовательность реакций служит пусковым механизмом, обеспечивающим возбуждение палочек сетчатки глаза.

Витамин А относится к классу жирорастворимых витаминов. К важным витаминам этого класса относят также витамины группы Е (токоферолы) и витамины группы К.

Витамин Е (б-токоферол) является важнейшим представителем этой группы. Он представляет собой производное двухатомного фенола - гидрохинона - с изопреноидной боковой цепью.

Токоферол - один из активных антиоксидантов, ингибирующих процесс пероксидного окисления. Антиокислительная функция токоферолов определяется их способностью связывать появляющиеся в клетках активные свободные радикалы в относительно устойчивые и потому неспособные к продолжению цепи феноксильные радикалы.

Витамины группы К необходимы для обеспечения нормальной свертываемости крови (антигеморрагический фактор). Они являются производными 1,4-нафтохинона и содержат изопреноидную боковую цепь.

1.2 Омыляемые липиды

Омыляемые липиды гидролизуются, образуя смесь более простых веществ, т.к. в их структуре присутствуют связи, которые расщепляются водой (сложно-эфирные, гликозидные, амидные).

Омыляемые липиды делятся на простые и сложные.

1.2.1 Простые липиды

Простые липиды - это те, которые при гидролизе дают только два соединения: спирт и карбоновую кислоту. К ним относятся воски, жиры и масла, церамиды.

Воски - сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатомных спиртов. Примером животных восков служит пчелиный воск, основу которого составляет мирицилпальмитат - эфир пальмитиновой кислоты и мирицилового спирта. Широкое применение находит содержащийся в черепной полости кашалота спермацет, главным компонентом которого является цетилпальмитат - сложный эфир пальмитиновой кислоты и цетилового спирта. Этот воск используют в парфюмерии как основу при изготовлении кремов, мазей, т.к. он очень хорошо всасывается через кожу (рис. 5).

Рисунок 5 - Строение восков

Животные воски также выполняют защитную функцию: они образуют защитную смазку на коже, шерсти и перьях, восковой налёт предохраняет от смачивания, высыхания и проникновения микробов. Жиры и масла (триацилглицерины) - сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Твердые триацилглицерины называют жирами, жидкие - маслами. В составе триацилглицеринов животного происхождения обычно преобладают остатки насыщенных кислот. Эти жиры - твердые вещества. Напротив, растительные масла содержат в основном остатки ненасыщенных кислот и имеют жидкую консистенцию. Поскольку во всех природных жирах спирт один и тот же - это трехатомный спирт - глицерин, то наблюдаемое разнообразие жиров обусловлено исключительно строением карбоновых кислот, входящих в их состав.

Высшие карбоновые кислоты - структурные компоненты жиров и восков. Высшие карбоновые кислоты впервые были выделены из жиров, поэтому они и получили название жирных. Биологически важные жирные кислоты обладают рядом особенностей:

1. Большинство жирных кислот представляют собой монокарбоновые кислоты, содержащие линейные углеводородные цепи с четным числом атомов (обычно С₁₂ - С₂₀, эта особенность обусловлена механизмом их синтеза и распада в организме), кислоты с более короткими цепями или с нечетным числом углеродных атомов встречаются гораздо реже. Жирные кислоты могут быть насыщенными и ненасыщенными; Насыщенные кислоты с длинной, неразветвлённой углеводородной цепью можно представить общей формулой:

СН₃(СН₂)_nСООН.

2. Ненасыщенные кислоты (обычно это С₁₈ - С₂₀ - кислоты) могут содержать одну или несколько двойных связей;

3. Все двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах имеют цис-конфигурацию;

4. Ближайшая к карбоксильной группе двойная связь обычно расположена между 9-м и 10-м атомами углерода;

5. Если двойных связей несколько, они отделены друг от друга метиленовой группой. Все они могут быть представлены общей формулой:

СН₃(СН₂)_m(СН=СНСН₂)_n(СН₂)_kСООН

Структуры некоторых наиболее известных жирных кислот приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Жирные кислоты, встречающиеся в составе липидов

Название кислоты	Формула	tпл, 0С
Насыщенные жирные кислоты
Лауриновая (С12)	С11Н23СООН	44
Миристиновая (С14)	С13Н23СООН	54
Пальмитиновая (С16)	С15Н23СООН	63
Стеариновая (С18)	С17Н35СООН	70
Арахиновая (С20)	С19Н39СООН	76
Ненасыщенные жирные кислоты
Пальмитоолеиновая (С16:1)	С15Н29СООН	- 1
Олеиновая (С18:1)	С17Н33СООН	13
Линолевая (С18:2)	С17Н31СООН	- 5
Линоленовая (С18:3)	С17Н29СООН	- 15
Арахидоновая (С20:4)	С19Н33СООН	- 50

Молекулярные модели поясняют различие в температурах плавления: насыщенные цепи способны принимать зигзагообразную линейную конфигурацию, что способствует упорядоченной (параллельной) укладке длинноцепочечных радикалов кислот. При обычной температуре - это твердый жир.

Наличие двойной связи с цис-конфигурацией, приводит к существенному изгибу углеродной цепи, вследствие чего нарушается упорядоченная укладка кислотных остатков.

Это обстоятельство приводит к снижению температуры плавления триацилглицеринов с остатками ненасыщенных кислот (транс-конфигурация двойных связей не нарушает упорядоченной укладки кислотных остатков).

Таким образом, по консистенции жира можно ориентировочно судить о жирнокислотном составе триацилглицеринов и наоборот.

В жирах животного происхождения из насыщенных кислот преобладают стеариновая и пальмитиновая кислоты. В липидах растений содержится заметное количество полиненасыщенных жирных кислот. Полиненасыщенными кислотами богаты жиры рыб, например, жир печени трески. Причина этого заключается в давлении естественного отбора: триацилглицерины, входящие в состав жира рыб, настолько плохо кристаллизуются, что остаются жидкими даже в типичном для рыб холодном окружении. Состав и свойства некоторых природных жиров приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Состав некоторых природных жиров и масел

Жир или масло	Содержание карбоновых кислот в % по массе
	Ниже С14	Миристиновая (С14)	Пальмитиновая (С16)	Стеариновая (С18)	Олеиновая (С18:1)	Линолевая (С18:2)	Линоленовая (С18:3)
Сливочное масло	13	10	25	12	35	5	0
Человеческий жир	8	3	25	8	46	10	0
Оливковое масло	0	0	10	2	84	4	0
Масло печени трески	0	4	11	1	28
Льняное масло	0	0	5	3	5	62	25
Кукурузное масло	0	2	10	3	5	62	0

Ниже приведены примеры нейтральных триацилглицеринов и указаны их систематические названия, основанные на названиях входящих в их состав жирных кислот.



1.2.2 Сложные липиды

Сложные липиды при гидролизе дают более разнообразные соединения: спирт, карбоновые кислоты, фосфорную кислоту, аминокислоту и прочие.

Сложные липиды делят на три большие группы:

фосфолипиды;

сфинголипиды;

гликолипиды.

Фосфолипиды. Общим признаком всех фосфолипидов является наличие в их составе фосфорной кислоты. Фосфолипиды являются главными компонентами биологических мембран. Фосфолипиды широко распространены в растительных и животных тканях. Значительные количества фосфолипидов содержатся в сердце и печени животных, в семенах растений (соевые бобы), в яйцах птиц. Особенно высоко содержание их в нервной ткани человека и позвоночных животных.

В зависимости от спиртового компонента они делятся на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды.

Глицерофосфолипиды. Общим структурным фрагментом всех глицерофосфолипидов является фосфатидовая кислота (1,2-диацил-3-фосфоглицерин).

Фосфатидовая кислота присутствует в тканях в незначительных количествах, ее асимметрический атом С₂ имеет L-конфигурацию. Фосфатидовая кислота найдена во многих природных источниках - тканях животных, растениях и микроорганизмах.



Хотя ее содержание, как правило, невелико (1-5% от общего количества фосфолипидов), она играет существенную роль как предшественник биосинтеза других фосфолипидов.

Производные фосфатидовой кислоты (фосфатиды) Свободный гидроксил остатка фосфорной кислоты в фосфатидовой кислоте может быть этерифицирован разнообразными соединениями. Как правило, в природных фосфатидах в положении 1 глицериновой цепи находится остаток насыщенной, а в положении 2 - ненасыщенной кислот. Одна из гидроксильных групп фосфорной кислоты этерифицирована многоатомным спиртом, аминоспиртом или аминокислотой. Примерами фосфатидов могут служить соединения, в составе которых фосфатидовые кислоты этерифицированы по фосфатной группе следующими соединениями (рис. 6):

фосфатидилсерины, этерифицирующий агент - аминокислота серин;

фосфтидилэтаноламины, этерифицирующий агент - 2-аминоэтанол (коламин, этаноламин);

фосфатидилхолины, этерифицирующий агент - холин.

Эти этерифицирующие агенты могут взаимно превращаться в процессе метаболизма.



Рисунок 6 - Производные фосфатидовой кислоты: 1. Фосфатидилсерины (серинкефалины); 2. Фосфатидилэтаноламины (коламинкефалины); 3. Фосфатидилхолины (лецитины).

Благодаря присутствию основных и кислотных групп фосфолипиды при рН~7 существуют в виде цвиттер-ионов.

Фосфоинозитиды являются важной группой глицерофосфолипидов:

a) фосфтидилинозит,

b) фосфатидилинозитфосфат

c) фосфатидилинозитдифосфат.

Фосфоинозитиды присутствуют почти во всех животных тканях (5-10% липидного фосфора), особенно высоко их содержание в мембранах нервных клеток (рис. 7).

Плазмалогены - это липиды с простой эфирной связью. Они являются менее распространенными, по сравнению со сложными глицерофосфолипидами. Плазмалогены содержат остаток винилового спирта, связанный простой эфирной связью с С-1 L-глицеро-3-фосфата.



Рисунок 7 - Строение фосфоинозитидов

Двойная связь в виниловом фрагменте имеет цис-конфигурацию (рис. 8).

Рисунок 8 - Пример структуры плазмалогенов - L-фосфатидальэтаноламинов (n = 9-15)

На долю плазмалогенов приходится до 10% фосфолипидов мозга и мышечной ткани.

Сфинголипиды - структурные аналоги глицеридов, в которых вместо глицерина используется сфингозин - длинноцепочечный двухатомный аминоспирт. Примером сфинголипидов служат церамиды - N-ацильные производные сфингозина, аминогруппа в которых ацилирована жирной кислотой. Важную группу сфинголипидов составляют сфингомиелины.

В сфингомиелинах гидрокси-группа у С-1 церамида ацилирована фосфохолиновой группировкой (сфингомиелины могут быть также отнесены и к фосфолипидам).

Сфингомиелины являются наиболее распространенными сфинголипидами, находятся в мембранах животных, особенно богата ими нервная ткань, они обнаружены также в тканях почек, печени, входят в состав липидов крови.

Гликолипиды представляют собой производные сфингозинсодержащих липидов, они содержат углеводные остатки и не содержат фосфорной кислоты и азотсодержащих оснований.

Типичные производные гликолипидов - цереброзиды и ганглиозиды.

Цереброзиды - производные церамидов, в которых остаток церамида связан с D-галактозой или D-глюкозой в-гликозидной связью. Цереброзиды входят в состав оболочек нервных клеток (рис.9)

Ганглиозиды - богатые углеводами сложные липиды, были обнаружены в сером веществе головного мозга. В структурном отношении ганглиозиды сходны с цереброзидами, отличаясь лишь тем, что вместо моносахарида они содержат сложный олигосахарид, в состав которого входит по крайней мере один остаток N-ацетилнейраминовой кислоты (рис. 9).



Рисунок 9 - Строение а) цереброзидов и b) ганглиозидов

Амфипатические свойства фосфолипидов. Характерной особенностью сложных липидов является их амфипатические свойства, обусловленные наличием как неполярных гидрофобных, так и высокополярных ионизированных гидрофильных группировок. В фосфатидилхолинах, например, углеводородные радикалы жирных кислот образуют два неполярных гидрофобных «хвоста», а карбоксильная, фосфатная и холиновая группы - полярную гидрофильную «головку» (рис. 10).

Рисунок 10 - Строение лецитина (фосфатидилхолина) обусловливает его амфипатические свойства

Молекулы фосфолипидов в контакте с водой стремятся расположиться так, чтобы углеводородные цепи находились в контакте только с другими аналогичными цепями во внутренней полости, а полярные группы липидов располагаются на внешней поверхности. Таким путём образуется двойной слой толщиной в две молекулы (рис. 11).

Рисунок 11 - Образование двойного слоя амфипатическими молекулами.

Двойные слои составляют основу клеточной мембраны. В составе биомембран, ограничивающих живые клетки и их внутренние органеллы, липидные компоненты обеспечивают высокое электрическое сопротивление мембраны, ее непроницаемость для ионов и полярных молекул и проницаемость для неполярных веществ. Таким образом, мембраны сохраняют концентрационные различия между различными частями клетки или между клеткой и её водным окружением.

Тонкие различия в физических свойствах клеточных мембран контролируются степенью ненасыщенности цепей жирных кислот в молекулах фосфолипидов. Известно, что глицериды, содержащие цис-двойные связи, плавятся при более низких температурах, чем насыщенные глицериды. Поэтому мембраны, состоящие из ненасыщенных фосфолипидов, являются более мягкими и позволяют молекулам проходить через них быстрее, чем через аналогичные мембраны, построенные из сложных эфиров насыщенных жирных кислот. Отмечалось также, что клетки, которые живут и размножаются при относительно низких температурах, имеют больше ненасыщенных жирных кислот в своих мембранах, чем клетки, живущие при более высоких температурах.

Чтобы полярные питательные вещества и ионы могли пройти через внутреннюю часть этих липидных мембран, необходимо изменить их полярность. В мембранах имеются молекулы белков, которые окружают эти нерастворимые в углеводородах питательные вещества и ионы за счёт своей сильно полярной внутренней части и проводят их через мембрану. При соответствующей энергии проведения и благодаря разной способности белков образовывать комплексы и окружать ионы и молекулы, можно создать очень большие различия концентраций между внутренней частью клетки и окружающей её средой. Такая модель устройства биомембраны получила название жидкостно-мозаичной, рис. 12.

Рисунок 12 - Жидкостно-мозаичная модель биомембраны

2 ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИПИДОВ

2.1 Гидролиз

Омыляемые липиды подвергаются кислотному и щелочному гидролизу. In vivo гидролиз липидов катализируется специальными ферментами - липазами, для гидролиза каждого типа связи существует своя липаза, гидролиз происходит по стадиям, при этом, например в случае фосфолипида, образуются: глицерин, две жирные кислоты, фосфорная кислота и характеристическая группа (в зависимости от типа фосфолипида).

2.2 Окисление фосфолипидов

Наличие ненасыщенных кислотных остатков в молекулах липидов обусловливает их чувствительность к действию окислителей. Особенно опасным с точки зрения разрушения клеточных мембран, в состав которых входят фосфолипиды, является т.н. пероксидное окисление, происходящее под действием свободных радикалов. Окисление происходит в мягких условиях и приводит к образованию гидропероксидов. Реакцию можно представить в виде общей схемы:

Основным источником свободных радикалов в организме является кислород.

Пероксидные радикалы возникают при взаимодействии молекулы кислорода с ионами тяжелых металлов, например ионами железа(II).

Другой тип свободных радикалов - гидрокидные радикалы НО^. - возникает из молекулы воды под действием жесткого излучения.

Пероксидные и гидроксидные радикалы действуют избирательно, атакуя связи С-Н метиленовых групп в б-положении (аллильном положении) к двойной связи С=С. При этом образуются наиболее стабильные в данном случае радикалы аллильного типа (рис. 13).

Свободные радикалы аллильного типа могут вступать в различные реакции с молекулами кислорода и воды, с образованием гидропероксидов. Гидропероксиды неустойчивы. Они подвергаются дальнейшим превращениям, что в итоге приводит к разрыву связи С-С у атакуемого атома. При этом сначала образуются альдегиды, которые легко окисляются в кислоты.

Таким образом, наличие свободных радикалов в организме вызывает цепь реакций, изменяющих структуру, и, следовательно, биологическую функцию молекул, подвергшихся пероксидному окислению.



Рисунок 13 - Пероксидное окисление липидов (показаны изменения в ненасыщенном структурном фрагменте)

Так как фосфолипиды - структурные компоненты клеточных мембран, то свободные радикалы являются мощным фактором, повреждающим клеточные мембраны.

3 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЖИРОВ И ЛИПИДОВ

Липиды широко распространены в природе и являются составной частью каждой клетки любой биологической системы. Кроме того, существуют специализированные клетки, которые образуют жировые депо как в животном, так и в растительном организме. У человека и животных такие клетки находятся в подкожной клетчатке и в оболочке внутренних органов, называемой сальником.

Липидам принадлежат многообразные функции в организмы. Простые липиды используются как энергетический материал, играют важную роль в процессах теплорегуляции. С этим связаны большие запасы жира у полярных животных. Жиры выполняют и механическую функцию: жировая прокладка защищает внутренние органы от механических повреждений.

Воски у растений предохраняют поверхностную ткань от гнилостного повреждения, а также от испарения воды.

Во всех клетках, и особенно, в нервных, в большом количестве содержатся сложные липиды, принимающие активное участие в формировании структур, в частности, мембранных. В настоящее время доказана их роль в создании границ поверхностного раздела сред.