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 С4-С10 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: |