Кафедра общей и биоорганической химии



Дата19.06.2016
өлшемі347.35 Kb.


Министерство здравоохранения Российской Федерации
Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИКО-СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени А.М. ЕВДОКИМОВА


КАФЕДРА ОБЩЕЙ И БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ


ЛИПИДЫ

лекция № 27

Продолжительность лекции-45 мин.

2013
ЛИПИДЫ

К липидам (от греческого слова «липос»  жир) относят большую и разнообразную группу органических соединений, большинство из которых построено по типу сложных эфиров с участием карбоновых кислот и спиртов, содержащих длинноцепочечные углеводородные радикалы. Для липидов характерна низкая растворимость в воде и высокая в неполярных органических растворителях (эфире, бензоле и др.). В большинстве случаев липиды имеют растительное или живот-ное происхождение, но иногда их получают синтетическим путем.

В живых организмах липиды выполняют ряд важных функций. Так, окислительное расщепление триацилглицеринов (жиров) обеспечивает организм человека и животных энергией, необходимой для осуществления других жизненно важных процессов. Кроме того, скопления жира играют важную защитную роль: предохраняют органы и ткани от механических повреждений, служат в качестве теплосберегающего и электроизоляционного материала. Фосфо-липиды и сфинголипиды входят в состав клеточных мембран и определяют их проницаемость для ионов, неэлектролитов и воды. Цереброзиды и ганглиозиды участвуют в процессах распознавания химических сигналов и доведения их до внутриклеточных эффекторов, т.е. выполняют рецепторно-посредниковую роль. Липидам присуща также регуляторно-сигнальная функция, выполняемая, главным образом, липидными спиртами (стероидами). Многочисленные исследования показали, что между нарушением метаболизма липидов и многими заболеваниями (например, сердечно-сосудистыми) имеется тесная взаимосвязь.

Оценивая роль липидов в организме человека, нельзя не отметить, что для нормального роста и функционирования ему необходимы жирорастворимые витамины и непредельные кислоты. Один этот фактор делает липиды незаменимым компонентом пищи.

Кроме того, наряду с липидами в липидной фракции содержится ряд веществ, обладающих высокой биологической активностью. К таковым относятся стероидные гормоны, простагландины, кофер-менты и жирорастворимые витамины. Их объединяют под общим названием низкомолекулярные биорегуляторы липидной природы.

Таким образом, изучение структуры и свойств липидов  важный этап в изучении биохимических процессов.



1. Общая структура липидов.

По химическому составу липиды очень разнообразны. В их состав могут входить остатки спиртов, карбоновых кислот (предельных и непредельных), фосфорной кислоты, азотистых оснований, углеводов.

Несмотря на все разнообразие, в целом, липиды построены по единому принципу и состоят из трех фрагментов: гидрофобного, гидрофильного и связующего звена. Гидрофобная часть представлена углеводородными фрагментами карбоновых кислот. Гидрофильная часть может включать в себя остатки фосфорной кислоты (фосфолипиды), азотистых оснований (фосфатиды) или углеводов (цереброзиды, ганглиозиды). Роль связующего звена выполняют обычно сложноэфирные или амидные группы. Таким образом, липиды в разной степени обладают бифильностью, т.е. сродством к полярной и неполярной фазе. Характер этого сродства определяется соотношением гидрофильной и гидрофобной частей липида. Так, триацилглицериды, практически не имеющие гидрофильной части, преимущественно концентрируются в безводной фазе. Фосфолипиды и фосфатиды имеют в своем составе большее число гидрофильных групп, вследствие чего осуществляют свои функции на границе раздела фаз. Так, на поверхности клеток они образуют липидный бислой толщиной около 5 нм, в котором гидрофобные части обращены внутрь, а гидрофильные  в водную фазу. Этот слой регулирует водный баланс и обмен веществ в клетках.

Схематично структуру липидов можно представать следующим образом:



Рис. 1. Общая структура липидов.



2. Структурные компоненты липидов.

2.1. Карбоновые кислоты.

Химический анализ показал, что в состав липидов входят многочисленные карбоновые кислоты предельного и непредельного ряда. Эти кислоты являются монокарбоновыми, имеют в своем составе углеводородную цепь преимущественно нормального (неразветвленного) строения с четным числом атомов углерода и могут содержать другие функциональные группы, например,  OH. Исключение составляют изовалериановая кислота и некоторые циклические кислоты, которые содержатся в довольно редко встречающихся липидах. Натуральные и синтетические алифатические кислоты иногда называют «жирными», а длинноцепочечные (от С15 и выше)  «высшими». В тканях человека и животных присутствует около 70 жирных кислот, но биологическое значение имеют не более 20.



2.1.1. Предельные карбоновые кислоты.

Физиологически важными насыщенными кислотами являются: капроновая (С6), каприловая (С8), каприновая (С10), лауриновая (С12), миристиновая (С14) пальмитиновая (С16), стеариновая (С18), арахиновая (С20), бегеновая (С22) и лигноцериновая (С24). Строение и названия наиболее распространенных жирных кислот представлены в табл. 1.

Несмотря на большое разнообразие жирных кислот в состав липидов в основном входят кислоты, содержащие 16, 18, 20 и 22 атомов углерода, т.е. высшие. Наиболее распространенными являются пальмитиновая и стеариновая кислоты, которые входят в состав твердых жиров и некоторых твердых растительных масел (пальмовое масло, масло какао). В жидких растительных маслах они содержатся в значительно меньших количествах, при этом доминирующей является пальмитиновая кислота. В сливочном масле содержатся карбоновые кислоты, имеющие в углеводородном радикале циклогексановое кольцо.

Низкомолекулярные жирные кислоты встречаются реже, но их биологическое значение не стоит недооценивать. Так, кислоты С410 входят в состав липидов молока.


Таблица 1. Важнейшие жирные кислоты, выделенные из природных липидов.

Названия кислот

Формула




Тривиальное

Систематическое




Капроновая

Гексановая

CH3  (CH2)4  COOH




Каприловая

Октановая

CH3  (CH2)6  COOH




Пеларгоновая

Нонановая

CH3  (CH2)7  COOH




Каприновая

Декановая

CH3  (CH2)8  COOH




Лауриновая

Додекановая

CH3  (CH2)10  COOH



Миристиновая

Тетрадекановая

CH3  (CH2)12  COOH




Пальмитиновая

Гексадекановая

CH3  (CH2)14  COOH




Маргариновая

Гептадекановая

CH3  (CH2)15  COOH




Стеариновая

Октадекановая

CH3  (CH2)16  COOH




Арахиновая

Эйкозановая

CH3  (CH2)18  COOH




Бегеновая

Докозановая

CH3  (CH2)20  COOH




2.1.2. Непредельные карбоновые кислоты.

Ненасыщенные кислоты встречаются в составе липидов чаще, чем насыщенные. Число атомов углерода в ненасыщенных кислотах липидов бывает различным, но преобладающими являются кислоты с 18 и 20 атомами углерода. Ближайшая к карбоксильной группе двойная связь обычно находится между 9 и 10 атомами углерода. В полиеновых кислотах двойные связи отделены друг от друга метиленовой группой. Наличие двойной связи исключает свободное вращение заместителей, что приводит к существованию у ненасыщенных кислот геометрических (цис- и транс-) изомеров. В природных липидах ненасыщенные (моно- и полиеновые) кислоты почти всегда содержатся в цис-конфигурации. Это объясняется тем, что цис-конфигурация способствует более плотной упаковке углеводородных цепей при формировании липидного слоя клеточных мембран. Кислоты, содержащие в радикале тройные связи, встречаются довольно редко.

Ненасыщенные кислоты, входящие в состав липидов, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные ненасыщенные кислоты липидов.



Названия кислот

Условное обозначение*

Формула




Тривиальное

Систематическое




Моноеновые




пальмито-леиновая

цис-гексадецен-9-овая

16 : 1






олеиновая

цис-октадецен-9-овая

18 : 1






цис-вокценовая

цис-октадецен-11-овая

18 : 1





рицинолевая

12-гидрокси-цис-октадецен-11-овая

18 : 1






Полиеновые




линолевая

цис, цис-октадекадиен-

9,12-овая



18 : 2






α-линоленовая

цис, цис, цис-окта-декатриен-9,12,15-овая

18 : 3






-линоленовая

цис, цис, цис-окта-декатриен-6,9,12-овая

18 : 3






арахидоновая

цис, цис, цис, цис-эйко-затетраен-5,8,11,14-овая

20 : 4






тимиодоновая

цис, цис, цис, цис, цис-эйкозапентаен-5,8,11,14,17-овая

20 : 5






* Первая цифра обозначает общее число атомов углерода в цепи, вторая  число двойных связей.

Из всех непредельных кислот, содержащихся в природных липидах, наиболее распространена олеиновая кислота. Во многих липидах ее содержание превышает 50%. Также широко распространены линолевая и линоленовая кислоты: в заметных количествах они содержатся в растительных маслах, а для животных организмов являются незаменимыми. Особенно богато ими конопляное и растительное масло. В первом преобладает линолевая, во втором  линоленовая. Обильным источником линолевой кислоты являются подсолнечное, кукурузное и хлопковое масла, но при этом они не содержат линоленовой. В кокосовом масле, наоборот, нет линолевой кислоты.



2.2. Спирты.

В состав липидов также входят одно-, двух- и многоатомные спирты. Эти спирты могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными, но в основном они содержат неразветвленный углеводородный фрагмент и четное число атомов углерода.



2.2.1. Одноатомные спирты.

Одноатомные спирты, выделенные из липидов, имеют в своем составе предельный длинноцепочечный радикал и содержат гидроксильную группу в положении 1. Такие спирты получили название «высших». Некоторые из них приведены в табл. 3.

Таблица 3. Спирты, входящие в состав липидов.


Название

Число атомов углерода

Формула

Тривиальное

Систематическое



деканол-1

10

C10H21OH



ундеканол-1

11

C11H23OH

лауридиновый

додеканол-1

12

C12H25OH

миристиновый

тетрадеканол-1

14

C14H29OH

цетиловый

гексадеканол-1

16

C16H33OH

стеариловый

октадеканол-1

18

C18H37OH



эйкозанол-1

20

C20H41OH

цериловый

гексакозанол-1

26

C26H53OH

мелиссиловый

триаконтанол-1

30

C30H61OH

мирициловый

гентриаконтанол-1

31

C31H63OH

В состав природных липидов чаще всего входят цетиловый, стеариловый, мелиссиловый и мирициловый спирты. Наиболее богаты высшими спиртами воски.

2.2.2. Многоатомные спирты.

Большинство природных липидов относятся к глицеролипидам, т.е. являются производными трехатомного спирта  глицерина:



В состав природных липидов могут также входить другие линейные (этиленгликоль, пропандиолы, бутандиолы) и циклические полиолы (инозит).

Кроме отмеченных полиолов в состав липидов могут входить аминоспирты, различающиеся длиной, строением и степенью ненасыщенности углеводородной цепи. Наиболее известным из таких аминоспиртов является сфингозин  ненасыщенный двухатомный спирт с длиной цепи С18 и его насыщенный аналог  сфинганин. В сфингозине заместители при двойной связи занимают транс-конфигурацию, а асимметрические атомы С-2 и С-3 (*)  D-конфигу-рацию:



2.3. Фосфорная и алкилфосфоновая кислоты.

Остатки этих кислот входят в состав фосфолипидов и фосфонолипидов:





2.4. Азотистые основания.

Примерами азотистых оснований, входящих в состав некоторых липидов, являются аминоспирты и α-аминокислоты:



2-аминоэтанол (коламин)



триметил-2-гидроксиэтиламмоний (холин)



2-амино-3-гидроксипропановая кислота (серин)



2.5. Углеводы.

Составными частями некоторых липидов (гликолипидов) являются моносахариды:



или олигосахариды.


3. Классификация липидов

Изложенный материал показывает, что липиды представляют собой весьма разнообразный круг соединений, включающих в себя фрагменты, относящиеся к различным классам органических и неорганических веществ. Это существенно затрудняет создание единой классификации липидов. В настоящее время липиды классифицируют по различным признакам, однако ни одна из предложенных классификаций не является исчерпывающей.

Наиболее распространенной является классификация липидов по их отношению к кислотному (или щелочному) гидролизу. Щелочной гидролиз по сложноэфирной связи также называют омылением, поэтому липиды, которые подвергаются гидролизу, называют омыляемыми, а которые не подвергаются  неомыляемыми. Большинство липидов являются омыляемыми, к неомыляемым относится небольшая, но многообразная группа липидов (терпены, стероиды).

Липиды также делятся на простые и сложные. К простым относят липиды, в состав которых входят только атомы углерода, водорода и кислорода.



3.1. Простые омыляемые липиды.

Гидролиз простых омыляемых липидов приводит к образованию только карбоновых кислот (или их солей) и спиртов. К омыляемым простым липидам относятся воски, а также жиры и масла.



3.1.1. Воски.

Воски  это сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатомных спиртов. Чаще всего они представляют собой сложные эфиры пальмитиновой кислоты, где в качестве спиртового компонента могут присутствовать остатки цетилового, церилового, мелиссилового и мирицилового и реже  других предельных одноатомных спиртов.

По происхождению воски бывают растительные и животные. Наиболее известными восками животного происхождения являются пчелиный воск, спермацет и ланолин, основные компоненты которых приведены ниже:

Пчелиный воск



мирициловый эфир пальмитиновой кислоты

Спермацет

цетиловый эфир пальмитиновой кислоты

Ланолин

Спермацет выделяют из спермацетового жира, содержащегося в полостях черепной коробки кашалотов. Ланолин (шерстный жир) получают при промывке шерсти овец на шерстомойных фабриках.

Из растительных восков наиболее известны карнаубский воск (бразильская пальма) и пальмовый воск (восковая пальма).

3.1.2. Триацилглицерины.

Триацилглицерины  это сложные эфиры глицерина и карбоновых кислот. Общая формула триацилглицеринов:



где R1, R2, R3  углеводородные фрагменты карбоновых кислот.

В основном триацилглицерины содержат остатки высших предельных и непредельных кислот. Триацилглицерины, кислотные остатки которых одинаковы, называют простыми. Большинство природных триацилглицеринов являются смешанными, т.е. включают в себя остатки различных кислот. Температура плавления триацилглицеринов повышается по мере увеличения числа и длины остатков насыщенных жирных кислот и снижается по мере их укорочения и увеличения содержания остатков непредельных кислот.

Триацилглицерины, богатые остатками предельных кислот, называют жирами. Они, как правило, имеют животное происхож-дение и при комнатной температуре являются твердыми веществами. Так, свиной жир (сало) содержит в основном остатки пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот.

Триацилглицерины, содержащие преимущественно остатки непредельных кислот, называют маслами. Масла обычно жидкие и имеют растительное происхождение. Встречаются и твердые масла: например, коровье (сливочное) масло, масло какао или пальмовое масло.

Номенклатура триацилглицеринов

По заместительной номенклатуре ИЮПАК триацилглицерины называют как производные глицерина, в которых атомы водорода OH-групп замещены ацильными остатками высших жирных кислот (R  CO). Названия этих остатков составляют следующим образом: название кислоты составляет корень слова с прибавлением суффикса –оил. Кислотные остатки перечисляют в алфавитном порядке с указанием их положения у конкретного атома углерода глицерина. Ниже приведены примеры названий различных триацилглицеринов:



три-O-стеароилглицерин



3-O-олеоил-2-пальмитоил-1-стеароилглицерин



3.2. Сложные омыляемые липиды.

Сложные омыляемые липиды, в основном, представлены фосфолипидами и фосфонолипидами. Эти соединения включают в себя остатки фосфорной и алкилфосфоновой кислоты соответст-венно.

Фосфонолипиды имеют следующий состав:

где X  NH3+, CH3NH2+, NH(CH3)2+, N(CH3)3+, и содержатся в морских беспозвоночных, а также в некоторых микроорганизмах и низших животных.

Более распространены фосфолипиды, которые, в свою очередь, делятся на глицерофосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды.

3.2.1. Глицерофосфолипиды.

Базовым структурным фрагментом всех глицерофосфолипидов является глицеро-3-фосфат, который содержит асимметрический атом углерода и может существовать в виде двух стереоизомеров 


D и L. Продукты этерификации глицерофосфата по обеим гидроксильным группам карбоновыми кислотами называются фосфатидовыми кислотами:

L-глицеро-3-фосфат



L-фосфатидовые кислоты



3.2.1.1. Фосфатиды.

Фосфатиды являются сложноэфирными производными L-фосфа-тидовых кислот. Как правило, в природных фосфатидах в положении «1» глицеринового фрагмента находится остаток насыщенной кислоты, в положении «2»  ненасыщенной кислоты, а одна из гидроксильных групп фосфорной кислоты этерифицирована многоатомным спиртом или аминоспиртом:



где СН3  (CH2)n  CO  остаток насыщенной карбоновой кислоты;

R  СН = CH  (CH2)n  CO  остаток ненасыщенной кислоты;

X  остаток аминоспирта или многоатомного спирта.

В зависимости от строения аминоспирта фосфатиды подразделяются на фосфатидилхолины, фосфатидилэтаноламины и фосфатидилсерины.


Фосфатид

Аминоспирт

Формула

Фосфатидил-холины

(Лецитины)



Холин



Фосфатидил-этаноламины

(Коламин-кефалины)



Этаноламин



Фосфатидил-серины

(Серин-кефалины)



Серин



3.2.1.2. Фосфатидилглицерины и фосфатидилинозиты.

Одна из гидроксильных групп фосфорной кислоты может быть также этерифицирована многоатомным спиртом. В зависимости от природы многоатомного спирта фосфатиды подразделяются на фосфатидилглицерины и фосфатидилинозиты.



Фосфатид

Спирт

Формула

Фосфатидил-глицерины

глицерин



Фосфатидил-инозиты

инозит



Фосфатидилинозиты встречаются почти у всех животных, в ряде растительных тканей и в микроорганизмах.

Фосфатидилглицерины являются наиболее распространенными фосфолипидами бактерий.



3.2.1.3. Алкоксилипиды и плазмогены.

Кроме ацилсодержащих липидов в состав клеточных мембран входят глицерофосфолипиды, в которых атом углерода С-1 глицери-нового фрагмента связан простой эфирной связью либо с алкильным, либо с алкеновым радикалом  остатком длинноцепочечного винилового спирта. Такие глицерофосфолипиды подразделяются на алкоксилипиды и плазмогены.



Алкоксилипиды




1-O-алкил-2-O-ацилглицерофосфоэтаноламин



Плазмогены




1-O-(алкен-1-ил)-O-ацилглицерофосфоэтаноламин



Плазмогены являются альдегидогенными липидами, так как в результате их гидролиза в кислой среде образуются высшие жирные альдегиды (плазмали).

Плазмогены выделены из тканей и органов всех животных организмов. В достаточно больших количествах они присутствуют в тканях и органах человека. Особенно заметно их содержание в нервной ткани, головном мозге, сердечной мышце и надпочечниках.

В растениях и микроорганизмах плазмогены содержатся в меньшей степени.

3.2.2. Сфинголипиды.

Сфинголипиды  это структурные аналоги глицерофосфолипидов, в которых вместо глицерина содержится ненасыщенный двухатомный аминоспирт  сфингозин (см. 2.2.2.).



3.2.2.1. Церамиды.

Церамиды  это N-ацилированные производные сфингозина. Общая структура церамидов выглядит следующим образом:



Церамиды встречаются в природе как в свободном виде (в липидах печени, селезенки, эритроцитов), так и в составе сфинголипидов.



3.2.2.2. Сфингомиелины.

Другие сфинголипиды можно также рассматривать как производные церамидов. Основную группу сфинголипидов составляют сфингомиелины  производные церамидов, у которых первичная гидроксильная группа церамида этерифицирована фосфорной кислотой, содержащей остаток холина.

Общую структуру сфингомиелинов можно представить следующим образом:

где R  CO  остаток пальмитиновой, стеариновой, лигноцериновой или нервоновой кислоты.

Сфинголипиды встречаются в составе мембран клеток микро-организмов, растений, вирусов, насекомых, рыб и высших животных.

3.2.3. Гликолипиды.

Гликолипиды состоят из липидного и углеводного фрагментов. Наиболее распространены гликозилдиглицериды (производные глицерина) и гликосфинголипиды (производные сфингозина).

Гликозилдиглицериды имеют следующее строение:

где X  остаток моно- , ди- или олигосахарида.

В состав углеводной части гликозилдиглицеридов обычно входят дисахариды, содержащие остатки глюкозы, галактозы и маннозы. Эти липиды входят в состав хлоропластов растений и участвуют в процессе фотосинтеза.

Среди гликосфинголипидов наиболее распространены цереброзиды и ганглиозиды.

Общую структуру цереброзидов можно представить следующим образом:

Помимо сфингозина они содержат высшие кислоты (цереброновую, нервоновую, лигноцериновую), а также остатки гексоз  глюкозы либо галактозы. Цереброзиды находятся главным образом в миеленовых оболочках и мембранах нервных клеток мозга.

Ганглиозиды по строению сходны с цереброзидами, но при этом имеют более сложный и разнообразный состав. Помимо перечисленных компонентов они содержат нейраминовую кислоту и гетерополисахариды:

Наиболее богато ганглиозидами серое вещество мозга.

Классификация омыляемых липидов представлена в Прило-жении 1, а некоторые примеры – в Приложении 2.

3.3. Неомыляемые липиды.

К неомыляемым относят липиды, которые при гидролизе не образуют карбоновых кислот или их солей. Неомыляемая липидная фракция содержит вещества двух основных типов: стероиды и терпены. Первые преобладают в липидах животного происхождения, вторые  в липидах растений. Например, терпенами богаты эфирные масла растений: герани, розы, лаванды и др., а также смола хвойных деревьев.



3.3.1. Терпены.

Под этим названием объединяют углеводороды, углеродный скелет которых построен из двух и более звеньев изопрена


(2-метилбутадиена-1,3):

и их производные  спирты, альдегиды и кетоны.

Общая формула терпеновых углеводородов  (C5H8)n. Они могут иметь циклическое или ациклическое строение и быть как предельными, так и непредельными.

Основу многих терпенов составляет сквален C30H50:



Примерами замещенных ациклических терпенов являются спирт гераниол:



и продукт его мягкого окисления гераниаль:



Большинство циклических терпенов являются моно- и бициклическими. Наиболее распространенными из них являются:



Функциональным производным ментана является ментол, который содержится в эфирном масле перечной мяты:



Он оказывает антисептическое и успокаивающее действие, а также входит в состав валидола и мазей, применяемых при насморке.

В качестве примера непредельного моноциклического терпена можно привести лимонен:

Он содержится в лимонном масле и скипидаре.

При восстановлении лимонена получается ментан, а в результате кислотного гидролиза  двухатомный спирт терпин, который приме-няется в качестве отхаркивающего средства:

Особую группу терпенов составляют каратиноиды. Некоторые из них являются витаминами или их предшественниками. Наиболее известным представителем этой группы является каротин, в больших количествах содержащийся в моркови. Известны три его изомера:


-, - и -каротин. Они являются предшественниками витаминов группы А.



3.3.2. Стероиды.

Стероиды широко распространены в природе и выполняют разнообразные функции в биологических системах. Основу их структуры составляет стеран, частями которого являются три циклогексановых кольца (обозначаются A, B и C) и одно циклопентановое (D):



Общую структуру стероидов можно представить следующим образом:



Характерными фрагментами стероидов являются метильные группы (С-18 и С-19), углеводородный радикал R при С-17 и функциональная группа X при С-3 (OH, OR и др.).

Стероиды, у которых углеводородный радикал при С-17 содержит 8 атомов углерода, называются стерины. Наиболее известным представителем стеринов является холестерин:



3.3.3. Низкомолекулярные биорегуляторы липидной природы.

3.3.3.1. Витамины.

Витаминами называют низкомолекулярные органические соединения различной природы, необходимые для осуществления важных биохимических и физиологических процессов. Организм человека и животных не способен синтезировать большинство витаминов, поэтому должен получать их извне.

Известно около 20 витаминов. Их делят на водорастворимые и жирорастворимые.

К водорастворимым относят витамины группы B (тиамин (В1), рибофлавин (В2), кобаламин (В12) и др.), С (аскорбиновая кислота), PP (никотинамид, никотиновая кислота) и некоторые другие.

Жирорастворимыми являются витамин А (ретинол), D (кальци-ферол), E (токоферол) и K (филлохинон).

Формулы витаминов представлены в приложении 3.



3.3.3.2. Простагландины.

Простагландины можно рассматривать как производные несуществующей в природе простановой кислоты:



Скелет простановой кислоты в простагландинах может включать в себя одну или несколько двойных связей, а также содержать функциональные группы: гидроксильную или карбонильную (см. приложение 4).

На основании изложенного материала можно заключить, что липиды  это не класс органических соединений, а различные группы веществ, объединенных выполнением одной или нескольких биологических функций. Так, например, фосфолипиды выполняют мембранную функцию в кооперации с холестерином, а гликолипиды играют рецепторно-посредниковую роль в совокупности с проста-гландинами.

4. Биосинтез липидов и их компонентов.

Сами липиды и некоторые их структурные компоненты поступают в организм человека в основном вместе с пищей. При недостаточном поступлении липидов извне организм способен частично ликвидировать дефицит липидных компонентов путем их биосинтеза. Так, некоторые предельные кислоты могут быть синтезированы в организме ферментативным путем. Приведенная ниже схема отражает суммарный итог процесса образования пальмитиновой кислоты из уксусной:

CH3COOH + 7HOOC  CH2  COOH + 28[H]

C15H31COOH + 7CO2 + 14H2O

Этот процесс осуществляется при помощи кофермента А, который превращает кислоты в тиоэфиры и активирует их участие в реакциях нуклеофильного замещения:



Подробнее механизм этого процесса описан в приложении 5.

Некоторые ненасыщенные кислоты (например, олеиновая и пальмитолеиновая) могут синтезироваться в организме человека путем дегидрирования насыщенных кислот. Линолевая и линоленовая кислоты не синтезируются в организме человека и поступают только извне. Основным источником этих кислот служит растительная пища. Линолевая кислота служит источником для биосинтеза арахидоновой кислоты.

Она является одной из важнейших кислот, входящих в состав фосфолипидов.

Для построения фосфолипидов организму также требуются спирты. Некоторые из них, например, холин и инозит, организм человека способен синтезировать в значительных количествах.

Триацилглицерины и фосфатидовые кислоты синтезируются на основе глицеро-3-фосфата, который образуется из глицерина путем его переэтерификации с АТФ. Далее глицеро-3-фосфат реагирует с двумя молекулами ацил-КоА, образуя фосфатидовые кислоты, которые затем под действием фермента фосфатазы отщепляют остаток фосфата. Высвободившийся диглицерид реагирует с третьей молекулой ацил-КоА, образуя триглицерид. Биосинтез триацил-глицеринов представлен на схеме 1.

Из общего количества холестерина*, содержащегося в организме, только 20% его поступает вместе с пищей. Основное количество холестерина синтезируется в организме с участием кофермента ацетил-КоА.

Схема 1. Биосинтез триацилглицеринов.
*Вопреки широко распространенному мнению, холестерин не является «врагом рода человеческого», а служит основой для синтеза стероидных гормонов. В целом, холестерин  это довольно важный и в меру безобидный метаболит, который играет важную роль в обеспечении барьерной функции клеточных мембран. Кроме того, он предохраняет клеточные мембраны от электрического пробоя и препятствует аутоокислению мембранных липидов. Недостаток холестерина (гипохолестеринемия) может обернуться повышением риска опухолевых и вирусных заболеваний. Однако избыток холестерина (гиперхолестеринемия) затрудняет перенос ионов кальция и его концентрация в цитоплазме повышается. Это приводит к повышенному делению клеток и развитию атеросклероза.

5. Химические свойства липидов и их компонентов.

Химические свойства липидов и их структурных компонентов достаточно разнообразны. Наиболее важными являются реакции гидролиза, присоединения и окисления.



5.1. Реакции гидролиза.

Гидролизу подвергается большинство липидов. В зависимости от строения липида продуктами гидролиза могут быть карбоновые кислоты или их соли, фосфорная кислота или ее соли, спирты, аминоспирты и углеводы. Омыляемые липиды гидролизуются с разрывом одной или нескольких сложноэфирных связей и всегда образуют карбоновые кислоты или их соли.

В организме человека гидролиз липидов является первой стадией их метаболизма. Этот процесс проходит под действием ферментов липаз по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения SN2. На гидролиз липидов существенное влияние оказывает среда: в кислой и щелочной средах гидролиз протекает быстрее, а в средах, близких к нейтральной,  медленнее.

В результате гидролиза восков образуются карбоновые кислоты (кислотный гидролиз) или их соли (щелочной гидролиз) и высшие спирты:



Триацилглицерины гидролизуются с образованием глицерина:



В щелочной среде образуются натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот, называемых мылами. Действительно, хозяйственное мыло  это стеарат натрия. В случае необходимости его можно получить в бытовых условиях путем кипячения растительного масла со щелочью с последующим охлаждением и отделением целевого продукта.

Количественной характеристикой щелочного гидролиза жиров и масел является число омыления.

Число омыления  это масса гидроксида калия (в мг), необходимая для нейтрализации свободных и связанных в виде триацилглицеринов жирных кислот, содержащихся в 1 г анализи-руемого образца.

Значительное число омыления указывает на наличие кислот с меньшим числом атомов углерода. Небольшое число омыления указывает на присутствие кислот с большим числом атомов углерода или на наличие неомыляемых веществ. Например, число омыления триолеоилглицерина равно 192.

Гидролитическое расщепление под действием ферментов или микроорганизмов является одной из причин прогоркания масла. Если в результате гидролиза образуются кислоты с короткой цепью (например, масляная), то масло приобретает горький привкус. Такой тип прогоркания характерен, например, для сливочного масла.

Сложные липиды также подвергаются гидролизу как в кислой, так и в щелочной среде:


Простые эфирные связи устойчивы к щелочному гидролизу, но расщепляются в кислой среде:



Продукты гидролиза омыляемых липидов суммированы в табл. 4.

Таблица 4. Продукты гидролиза омыляемых липидов.


Продукты гидролиза

Омыляемые липиды

Воски

Жиры, масла

Фосфолипиды

Сфинголипиды

Гликолипиды

Серин-кефалины

Коламин-кефалины

Леци-тины

Сфинго-миелины

Цера-миды

Церебро-зиды

Ганглио-зиды

Карбоновые кислоты или их соли

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Спирт

Высший одно-атомный

Глицерин









Аминоспирт





серин

2-амино-этанол

холин

Сфингозин

+







Минеральная кислота





H3PO4

H3PO4







Углеводы















D-галак-тоза или
D-глюкоза

олиго-сахарид


5.2. Реакции присоединения.

Липиды, которые содержат в своей структуре остатки ненасы-щенных кислот, могут присоединять по двойной С = С-связи водород, галогены, галогеноводороды, а также воду (в кислой среде).



5.2.1. Гидрирование.

В промышленных условиях гидрирование (гидрогенизацию) ненасыщенных липидов осуществляется газообразным водородом в присутствии никелевых или медно-никелевых катализаторов при повышенных температуре (~ 2000С) и давлении (2-15 атм):



Гидрирование используется для получения твердых жиров, где в качестве сырья используются отходы или некондиционные фракции растительных масел.



5.2.2. Галогенирование.

Иодирование ненасыщенных триацилглицеринов нашло применение для оценки степени их ненасыщенности:





Массу иода (в граммах), которая может присоединиться к 100 г анализируемого образца, называют иодным числом.

Чем больше иодное число, тем больше ненасыщенных кислот входит в состав жира (масла). Для твердых жиров иодное число составляет 35-85, для масел  150-200. Так, иодное число сливочного масла  36, свиного сала  59, жира человека  64, кукурузного масла  121, подсолнечного масла  145, льняного масла  179.



5.3.2. Переэтерификация.

Переэтерификацией называют замену одного спиртового или кислотного остатка в сложном эфире на другой. Переэтерификацию триацилглицеринов можно осуществить, используя различные спирты (алкоголиз), а также другие триацилглицерины. Такая реакция называется межмолекулярной переэтерификацией.

Ниже приведены реакции алкоголиза (метанолиза) и глицеролиза:

В отсутствии катализатора реакция протекает крайне медленно. В качестве катализатора используют щелочи или кислоты.





5.4. Окисление.

Окислительные процессы с участием липидов достаточно разнообразны. Характер окисления зависит от природы окислителя и условий протекания процесса.



5.4.1. Пероксидное окисление.

Процесс окисления липидов во многом аналогичен окислению углеводородов и протекает по свободно-радикальному механизму.

Первичными продуктами окисления являются гидропероксиды:

где R  углеводородный радикал липида.

Дальнейший распад гидропероксидов, которые являются крайне неустойчивыми соединениями, сопровождается образованием альдегидов и карбоновых кислот с укороченной цепью.

В организме человека пероксидное окисление липидов инициируется радикалами и или пероксидом водорода H2O2. Их количество резко возрастает при поглощении дозы ионизирующего излучения. Свободно-радикальной атаке подвергает-ся метиленовая группа, находящаяся по соседству с двойной связью углеводородного фрагмента кислотного остатка. Региоселективность этого процесса объясняется образованием радикала аллильного типа, который стабилизирован сопряжением неспаренного электрона с


-электронами двойной связи. Конечными продуктами окисления являются органические кислоты с укороченной цепью (Схема 2). Они имеют неприятный запах пота или прогорклого масла.

Пероксидное окисление липидов является одним из наиболее важных окислительных процессов в организме человека и является основной причиной повреждения клеточных мембран.



5.4.2. Окисление пероксикислотами.

Окисление липидов пероксикислотами сопровождается образо-ванием эпоксидов  трехзвенных кислородсодержащих циклов.

Так, в результате окисления олеиновой кислоты перокси-бензойной кислотой образуется 9,10-эпоксистеариновая кислота:




Схема 2. Пероксидное окисление жирных кислот.

5.4.3. Окисление перманганатом калия.

В водных растворах характер окисления липидов перманганатом калия зависит от активной реакции среды (pH). В мягких условиях (pH  7) окисление липидов приводит к образованию гликолей (двухатомных спиртов), а в более жестких (pH < 7) сопровождается разрывом С = С-связи и образованием новых карбоксильных групп с участием терминальных (крайних) атомов углерода:





5.4.4. Ферментативное окисление (-окисление).

Это один из основных путей метаболизма остатков высших жирных кислот, входящих в состав липидов. Кроме того, ферментативное окисление липидов сопровождается выделением значительного количества энергии, которая в дальнейшем может использоваться организмом.

Ферментативное окисление еще называют -окислением, так как окислению подвергаются атомы углерода, находящиеся в -положе-нии по отношению к функциональной группе.

-окисление высших жирных кислот представлено на схеме 3. Как видно, -окисление протекает в несколько стадий. Начальная стадия заключается в активировании исходного соединения путем его взаимодействия с коферментом А (HS-КoA). На второй стадии происходит дегидрирование образовавшегося соединения, в результате которого образуется -ненасыщенная жирная кислота с транс-конфигурацией заместителей при двойной связи. На третьей стадии реакции происходит присоединение воды к двойной связи, что приводит к образованию -гидроксипроизводного тиоэфира высшей жирной кислоты.

Полученное соединение далее окисляется до -оксопроизводного (четвертая стадия), которое, в свою очередь, либо расщепляется коферментом А по С  С-связи с образованием кислоты, укороченной на два углеродных атома, либо гидролизуется с последующим декарбоксилированием.

Декарбоксилирование продуктов -окисления жирных кислот  один из возможных путей образования кетоновых тел, которые в большом количестве содержатся в организме больных диабетом.

Окислительные процессы, протекающие с участием липидов, наблюдаются и на бытовом уровне. Хорошо известное явление прогоркания масла и жира при длительном хранении непосредствен-но связано с их окислением в обычных условиях (на свету). Старение масла (или жира) сопровождается накоплением в них свободных жирных кислот и, соответственно, повышению кислотности, мерой которой является кислотное число.

Кислотным числом называют массу гидроксида калия (в мг), которая требуется для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г анализируемой пробы (масла или жира).

5.5. Полимеризация.

Полимеризация жиров и масел, наоборот, приводит к удлинению углеводородных фрагментов жирных кислот и, соответственно, к по-вышению молекулярной массы триацилглицеринов. Полимеризация предельных кислот протекает через образование гидропероксидов с последующим «сшиванием» углеводородных частей при помощи пероксидных «мостиков» и формированием пространственной структуры:



Полимеризация непредельных кислот с сопряженными двойными связями протекает по механизму диенового синтеза:





Схема 3. -окисление жирных кислот.






Достарыңызбен бөлісу:




©dereksiz.org 2020
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет