Органическое вещество, растворимое в органических растворителях; согласно строгому химическому определению, это гидрофобная или амфифильная молекула, полученная путём конденсации тиоэфиров или изопренов .
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Липиды и их роль в жизнедеятельности клетки. Видеоурок по биологии 10 класс
✪ Липиды | Биология 10 класс #7 | Инфоурок
✪ Липиды (видео 11) | Макромолекулы | Биология
✪ 04. Классификация липидов
✪ Липиды. Учебный фильм по химии.
Субтитры
Границы определения
Используемое ранее определение липидов, как группы органических соединений, хорошо растворимых в неполярных органических растворителях (бензол , ацетон , хлороформ) и практически нерастворимых в воде, является слишком расплывчатым. Во-первых, такое определение вместо чёткой характеристики класса химических соединений говорит лишь о физических свойствах. Во-вторых, в настоящее время известно достаточное количество соединений, нерастворимых в неполярных растворителях или же, наоборот, хорошо растворимых в воде, которые, тем не менее, относят к липидам. В современной органической химии определение термина «липиды» основано на биосинтетическом родстве данных соединений - к липидам относят жирные кислоты и их производные . В то же время в биохимии и других разделах биологии к липидам по-прежнему принято относить и гидрофобные или амфифильные вещества другой химической природы . Это определение позволяет включать сюда холестерин , который вряд ли можно считать производным жирной кислоты.
Описание
Липиды - один из важнейших классов сложных молекул , присутствующих в клетках и тканях животных . Липиды выполняют самые разнообразные функции: снабжают энергией клеточные процессы, формируют клеточные мембраны , участвуют в межклеточной и внутриклеточной сигнализации. Липиды служат предшественниками стероидных гормонов , жёлчных кислот , простагландинов и фосфоинозитидов. В крови содержатся отдельные компоненты липидов (насыщенные жирные кислоты , мононенасыщенные жирные кислоты и полиненасыщенные жирные кислоты), триглицериды , холестерин , эфиры холестерина и фосфолипиды . Все эти вещества не растворимы в воде, поэтому в организме имеется сложная система транспорта липидов. Свободные (неэтерифицированные) жирные кислоты переносятся кровью в виде комплексов с альбумином . Триглицериды, холестерин и фосфолипиды транспортируются в форме водорастворимых липопротеидов . Некоторые липиды используются для создания наночастиц , например, липосом . Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет их многие привлекательные качества. Они нетоксичны, биодеградируемы, при определённых условиях могут поглощаться клетками, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Липосомы предназначены для целевой доставки в клетки препаратов фотодинамической или генной терапии, а также компонентов другого назначения, например, косметического .
Классификация липидов
Классификация липидов, как и других соединений биологической природы, - весьма спорный и проблематичный процесс. Предлагаемая ниже классификация хоть и широко распространена в липидологии, но является далеко не единственной. Она основывается, прежде всего, на структурных и биосинтетических особенностях разных групп липидов.
Простые липиды
Простые липиды - липиды, включающие в свою структуру углерод(С), водород(H) и кислород(O).
Биологические функции
Энергетическая (резервная) функция
Многие жиры используются организмом как источник энергии. При полном окислении 1 г жира выделяется около 9 ккал энергии, примерно вдвое больше, чем при окислении 1 г углеводов (4.1 ккал). Жировые отложения используются в качестве запасных источников питательных веществ, прежде всего животными, которые вынуждены носить свои запасы на себе. Растения чаще запасают углеводы, однако в семенах многих растений высоко содержание жиров (растительные масла добывают из семян подсолнечника, кукурузы, рапса, льна и других масличных растений).
Почти все живые организмы запасают энергию в форме жиров. Существуют две основные причины, по которым именно эти вещества лучше всего подходят для выполнения такой функции. Во-первых, жиры содержат остатки жирных кислот, уровень окисления которых очень низкий (почти такой же как у углеводородов нефти). Поэтому полное окисление жиров до воды и углекислого газа позволяет получить более чем в два раза больше энергии, чем окисление той же массы углеводов. Во-вторых, жиры - гидрофобные соединения, поэтому организм запасая энергию в такой форме, не должен нести дополнительной массы воды необходимой для гидратации, как в случае с полисахаридами, на 1 г которых приходится 2 г воды. Однако триглицериды - это «более медленный» источник энергии, чем углеводы.
Жиры запасаются в форме капель в цитоплазме клетки. У позвоночных имеются специализированные клетки - адипоциты , почти полностью заполненные большой каплей жира. Также богатыми на триглицериды являются семена многих растений. Мобилизация жиров в адипоцитах и клетках прорастающих семян происходит благодаря ферментам липазам , которые расщепляют их до глицерина и жирных кислот.
У людей наибольшее количество жировой ткани находится под кожей (так называемая подкожная клетчатка), особенно в районе живота и молочных желез. Человеку с лёгким ожирением (15-20 кг триглицеридов) таких запасов может хватить для обеспечения себя энергией в течение месяца, в то время как всего запасного гликогена хватит более чем сутки .
Функция теплоизоляции
Жир - хороший теплоизолятор, поэтому у многих теплокровных животных он откладывается в подкожной жировой ткани, уменьшая потери тепла. Особенно толстый подкожный жировой слой характерен для водных млекопитающих (китов, моржей и др.). Но в то же время у животных, обитающих в условиях жаркого климата (верблюды, тушканчики) жировые запасы откладываются на изолированных участках тела (в горбах у верблюда, в хвосте у жирнохвостых тушканчиков) в качестве резервных запасов воды, так как вода - один из продуктов окисления жиров.
Структурная функция
Основными структурными липидами, которые входят в состав мембран животных клеток, являются глицерофосфолипиды, в основном фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин, а также холестерол, что увеличивает их непроницаемость. Отдельные ткани могут быть выборочно обогащены другими классами мембранных липидов, например нервная ткань содержит большое количество сфингофосфолипидов, в частности сфингомиелина , а также сфингогликолипидов. В мембранах растительных клеток холестерол отсутствует, однако встречается другой стероид - эргостерол. Мембраны тилакоидов содержат большое количество галактолипидов, а также сульфолипиды.
Регуляторная
- Витамины -липиды ( , , , )
- Гормональная (стероиды , эйкозаноиды , простагландины и прочие.)
- Кофакторы (долихол)
- Сигнальные молекулы (диглицериды, жасмоновая кислота ; МP3-каскад)
Некоторые липиды играют активную роль в регулировании жизнедеятельности отдельных клеток и организма в целом. В частности, к липидам относятся стероидные гормоны, секретируемые половыми железами и корой надпочечников. Эти вещества переносятся кровью по всему организму и влияют на его функционирование.
Среди липидов есть также и вторичные посредники - вещества, участвующие в передаче сигнала от гормонов или других биологически активных веществ внутри клетки. В частности фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат (ФИ (4,5) Ф 2) задействован в сигнализировании при участии G-белков , фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат инициирует образование супрамолекулярных комплексов сигнальных белков в ответ на действие определённых внеклеточных факторов, сфинголипиды, такие как сфингомиелин и церамид, могут регулировать активность протеинкиназы.
Производные арахидоновой кислоты - эйкозаноиды - являются примером паракринных регуляторов липидной природы. В зависимости от особенностей строения эти вещества делятся на три основные группы: простагландины , тромбоксаны и лейкориены. Они участвуют в регуляции широкого спектра физиологических функций, в частности эйкозаноиды необходимы для работы половой системы, для индукции и прохождения воспалительного процесса (в том числе обеспечение таких его аспектов как боль и повышенная температура), для свёртывания крови, регуляции кровяного давления, также они могут быть задействованы в аллергических реакциях .
Защитная (амортизационная)
Толстый слой жира защищает внутренние органы многих животных от повреждений при ударах (например, сивучи при массе до тонны могут прыгать в воду со скал высотой 20-25 м [ ]).
Увеличения плавучести
Суточная потребность взрослого человека в липидах - 70-140 граммов.
Незаменимые жирные кислоты
Печень играет ключевую роль в метаболизме жирных кислот, однако некоторые из них она синтезировать неспособна. Поэтому они называются незаменимыми, к таким в частности относятся ω-3- (линоленовая) и ω-6- (линолевая) полиненасыщенные жирные кислоты, они содержатся в основном в растительных жирах. Линоленовая кислота является предшественником для синтеза двух других ω-3-кислот: эйозапентаэноевой (EPA) и докозагексаэноевой (DHA) . Эти вещества необходимы для работы головного мозга, и положительно влияют на когнитивные и поведенческие функции .
Важно также соотношение ω-6\ω-3-жирных кислот в рационе: рекомендуемые пропорции лежат в пределах от 1:1 до 4:1. Однако исследования показывают, что большинство жителей Северной Америки употребляют в 10-30 раз больше ω-6 жирных кислот, чем ω-3. Такое питание связано с риском возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. Зато «средиземноморская диета» считается значительно здоровее, она богата на линоленовую и другие ω-3-кислоты, источником которых являются зелёные растения (например листья салата), рыба, чеснок, целые злаки, свежие овощи и фрукты. Как пищевую добавку, содержащую жирные кислоты ω-3, рекомендуется принимать рыбий жир.
Транс-ненасыщенные жирные кислоты
Большинство природных жиров содержат ненасыщенные жирные кислоты с двойными связями в цис-конфигурации. Если пища, богатая такими жирами, долгое время находится в контакте с воздухом, она горчит. Этот процесс связан с окислительным расщеплением двойных связей, в результате которого образуются альдегиды и карбоновые кислоты с меньшей молекулярной массой, часть из которых является летучими веществами.
Для того чтобы увеличить срок хранения и устойчивость к высоким температурам триглицеридов с ненасыщенными жирными кислотами применяют процедуру частичной гидрогенизации . Следствием этого процесса является превращение двойных связей в одинарные, однако побочным эффектом также может быть переход двойных связей из цис- в транс-конфигурацию . Употребление так называемых «транс-жиров» влечёт повышение содержания липопротеинов низкой плотности («плохой» холестерол) и снижение содержания липопротеинов высокой плотности («хороший» холестерол) в крови, что приводит к увеличению риска возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, в частности коронарной недостаточности . Более того «транс-жиры» способствуют воспалительным процессам.
Литература
На иностранных языках
- Julian N. Kanfer and Sen-itiroh Hakomori, Sphingolipid Biochemistry, vol. 3 of Handbook of Lipid Research (1983)
- Dennis E. Vance and Jean E. Vance (eds.), Biochemistry of Lipids and Membranes (1985).
- Donald M. Small, The Physical Chemistry of Lipids, vol. 4 of Handbook of Lipid Research (1986).
- Robert B. Gennis, Biomembranes: Molecular Structure and Function (1989)
- Gunstone, F. D., John L. Harwood, and Fred B. Padley (eds.), The Lipid Handbook (1994).
- Charles R. Scriver, Arthur L. Beaudet, William S. Sly, and David Valle, The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease (1995).
- Gunstone, F. D. Fatty acids and lipid chemistry. - London: Blackie Academic and Professional, 1996. 252 pp.
- Robert M. Bell, John H. Exton, and Stephen M. Prescott (eds.), Lipid Second Messengers, vol. 8 of Handbook of Lipid Research (1996).
- Christopher K. Mathews, K.E. van Holde, and Kevin G. Ahern, Biochemistry, 3rd ed. (2000).
- Chapter 12 in «Biochemistry» by Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko and Lubert Stryer (2002) W. H. Freeman and Co.
- Alberts, B., et al. (2004) «Essential Cell Biology, 2nd Edition.» Garland Science.
Липиды, жиры и липоиды. Функции липидов
Липиды (от греч. липос – жир) включают жиры и жироподобные вещества. Содержатся почти во всех клетках - от 3 до 15%, а в клетках подкожной жировой клетчатки их до 50 %.
Особенно много липидов в печени, почках, нервной ткани (до 25 %), крови, семенах и плодах некоторых растений (29-57%). Липиды имеют разную структуру, но общие некоторые свойства. Эти органические вещества не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях: эфире, бензоле, бензине, хлороформе и др. Это свойство обусловлено тем, что в молекулах липидов преобладают неполярные и гидрофобные структуры. Все липиды можно условно разделить на жиры и липоиды.
Жиры
Наиболее распространенными являются жиры (нейтральные жиры, триглицериды ), представляющие собой сложные соединения трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Остаток глицерина - это вещество, хорошо растворимое в воде. Остатки жирных кислот - это углеводородные цепочки, почти нерастворимые в воде. При попадании капли жира в воду к ней обращается глицериновая часть молекул, а цепочки жирных кислот выступают из воды. В состав жирных кислот входит карбоксильная группа (-СООН). Она легко ионизируется. С ее помощью молекулы жирных кислот соединяются с другими молекулами.
Все жирные кислоты делятся на две группы - насыщенные и ненасыщенные . Ненасыщенные жирные кислоты не имеют двойных (ненасыщенных) связей, насыщенные - имеют. К насыщенным жирным кислотам относятся пальмитиновая, масляная, лауриновая, стеариновая и т. п. К ненасыщенным - олеиновая, эруковая, линолевая, линоленовая и т. п. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением.
Жиры, которые содержат насыщенные жирные кислоты, имеют высокую температуру плавления. По консистенции они, как правило, твердые. Это жиры многих животных, кокосовое масло. Жиры, которые имеют в своем составе ненасыщенные жирные кислоты, имеют низкую температуру плавления. Такие жиры преимущественно жидкие. Растительные жиры жидкой консистенции нарываются маслами . К этим жирам относят рыбий жир, подсолнечное, хлопчатниковое, льняное, конопляное масла и др.
Липоиды
Липоиды могут образовывать сложные комплексы с белками, углеводами и другими веществами. Можно выделить такие соединения:
- Фосфолипиды . Они являются сложными соединениями глицерина и жирных кислот и содержат остаток фосфорной кислоты. Молекулы всех фосфолипидов имеют полярную головку и неполярный хвост, образованный двумя молекулами жирных кислот. Основные компоненты клеточных мембран.
- Воски . Это сложные липиды, состоящие из более сложных спиртов, чем глицерин, и жирных кислот. Выполняют защитную функцию. Животные и растения используют их как водоотталкивающие и защищающие от высыхания вещества. Воски покрывают поверхность листьев растений, поверхность тела членистоногих, живущих на суше. Воски выделяют сальные железы млекопитающих, копчиковая железа птиц. Из воска пчелы строят соты.
- Стероиды (от греч. стереос – твердый). Для этих липидов характерно наличие не углеводных, а более сложных структур. К стероидам относятся важные вещества организма: витамин D, гормоны коры надпочечных желез, половых желез, желчные кислоты, холестерин.
- Липoпротеиды и гликолипиды . Липопротеиды состоят из белков и липидов, глюкопротеиды – из липидов и углеводов. Гликолипидов много в составе тканей мозга и нервных волокон. Липопротеиды входят в состав многих клеточных структур, обеспечивают их прочность и стабильность.
Функции липидов
Жиры являются главным типом запасающих веществ. Они запасаются в семени, подкожной жировой клетчатке, жировой ткани, жировом теле насекомых. Запасы жиров значительно превышают запасы углеводов.
Структурная . Липиды входят в состав клеточных мембран всех клеток. Упорядоченное размещение гидрофильных и гидрофобных концов молекул имеет большое значение для избирательной проницаемости мембран.
Энергетическая . Обеспечивают 25-30% всей энергии, необходимой организму. При распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. Это почти вдвое больше в сравнении с углеводами и белками. У перелетных птиц и животных, впадающих в спячку, липиды – единственный источник энергии.
Защитная . Слой жира защищает нежные внутренние органы от ударов, сотрясений, повреждений.
Теплоизоляционная . Жиры плохо проводят тепло. Под кожей некоторых животных (особенно морских) они откладываются и образуют слои. Например, кит имеет слой подкожного жира около 1 м, что позволяет ему жить в холодной воде.
У многих млекопитающих есть специальная жировая ткань, которая называется бурым жиром. Она имеет такую окраску, потому что богата митохондриями красно-бурой окраски, так как в них содержатся железосодержащие белки. В этой ткани вырабатывается тепловая энергия, необходимая животным в условиях низких
температур. Бурый жир окружает жизненно важные органы (сердце, головной мозг и т. п.) или лежит на пути крови, которая к ним приливает, и, таким образом, направляет тепло к ним.
Поставщики эндогенной воды
При окислении 100 г жиров выделяется 107 мл воды. Благодаря этой воде существует много животных пустынь: верблюды, тушканчики и т. п. Животные во время спячки также вырабатывают эндогенную воду из жиров.
Жирообразное вещество покрывает поверхность листьев, не дает им намокать во время дождей.
Некоторые липиды имеют высокую биологическую активность: ряд витаминов (A, D и т. п.), некоторые гормоны (эстрадиол, тестостерон), простагландины.
Состав, свойства и функции липидов в организме
Пищевая ценность масел и жиров, используемых в хлебопекарной и кондитерской промышленности.
Циклические липиды. Роль в пищевой технологии и жизнедеятельности организма.
Простые и сложные липиды.
Состав, свойства и функции липидов в организме.
Липиды в сырье и пищевых продуктах
Липиды объединяют большое количество жиров и жироподобных веществ растительного и животного происхождения, имеющих ряд общих признаков:
а) нерастворимость в воде (гидрофобность и хорошая растворимость в органических растворителях, бензине, диэтиловом эфире, хлороформе и др.);
б) наличие в их молекулах длинноцепочечных углеводородных радикалов и сложноэфирных
группировок ().
Большинство липидов не являются высокомолекулярными соединениями и состоят из нескольких, связанных одна с другой молекул. В состав липидов могут входить спирты и линейные цепи ряда карбоновых кислот. В некоторых случаях их отдельные блоки могут состоять из высокомолекулярных кислот, разнообразных остатков фосфорной кислоты, углеводов, азотистых оснований и других компонентов.
Липиды вместе с белками и углеводами составляют основную массу органических веществ, всех живых организмов, являясь обязательным компонентом каждой клетки.
При выделении липидов из масличного сырья, в масло переходит большая группа сопутствующих им жирорастворимых веществ: стероиды, пигменты, жирорастворимые витамины и некоторые другие соединения. Извлекаемая из природных объектов смесь, состоящая из липидов и растворимых в них соединений, получила название «сырого» жира.
Основные компоненты сырого жира
Вещества сопутствующие липидам играют большую роль в пищевой технологии, влияют на пищевую и физиологическую ценность полученных продуктов питания. Вегетативные части растений накапливают не более 5% липидов, главным образом в семенах и плодах. Например, содержание липидов в различных растительных продуктах составляет (г/100г): подсолнечник 33-57, какао (бобы) 49-57, соя 14-25, конопля 30-38, пшеница 1,9-2,9, арахис 54-61, рожь 2,1-2,8, лён 27-47, кукуруза 4,8-5,9, кокосовая пальма 65-72. Содержание в них липидов зависит не только от индивидуальных особенностей растений, но и от сорта, места, условий произрастания. Липиды играют важную роль в процессах жизнедеятельности организма.
Их функции весьма разнообразны: важна их роль в энергетических процессах, в защитных реакциях организма, в его созревании, старении и т.д.
Липиды входят в состав всех структурных элементов клетки и в первую очередь клеточных мембран, оказывая влияние на их проницаемость. Они участвуют в передаче нервного импульса, обеспечивают межклеточный контакт, активный перенос питательных веществ через мембраны, транспорт жиров в плазме крови, синтез белка и различные ферментативные процессы.
По своим функциям в организме условно делят на две группы: запасные и структурные. Запасные (в основном ацилглицерины) обладают высокой калорийностью, являются энергетическим резервом организма и используются им при недостатке питания и заболеваниях.
Запасные липиды являются запасными веществами, помогающими организму переносить неблагоприятные воздействия внешней среды. Большая часть растений (до 90%) содержит запасные липиды, главным образом в семенах. Они легко извлекаются из жиросодержащего материала (свободные липиды).
Структурные липиды (в первую очередь фосфолипиды) образуют сложные комплексы с белками и углеводами. Они участвуют в разнообразных сложных процессах, протекающих в клетке. По массе они составляют значительно меньшую группу липидов (в масличных семенах 3-5%). Это трудноизвлекаемые «связанные» липиды.
Природные жирные кислоты, входящие в состав липидов, животных и растений, имеют много общих свойств. Они содержат, как правило, четкое число углеродных атомов и имеют неразветвленную цепь. Условно жирные кислоты делят на три группы: насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные. Ненасыщенные жирные кислоты животных и человека обычно содержат двойную связь между девятым и десятым атомами углерода, остальные карбоновые кислоты, входящие в состав жиров следующие:
Большинство липидов имеют некоторые общие структурные особенности, однако строгой классификации липидов пока не существует. Один из подходов к вопросу классификации липидов химический, согласно которому к липидам относятся производные спиртов и высших жирных кислот.
Схема классификации липидов.
Простые липиды. Простые липиды представлены двухкомпанентными веществами, сложными эфирами жирных высших кислот с глицерином, высшими или полициклическими спиртами.
К ним относятся жиры и воски. Наиболее важными представителями простых липидов являются ацилглицериды (глицерины). Они составляют основную массу липидов (95-96%) и именно их называют маслами и жирами. В состав жров входят в основном триглицериды, но присутствуют моно− и диацилглицерины:
Свойства конкретных масел определяются составом жирных кислот, участвующих в построении их молекул и положением, которое занимают остатки этих кислот в молекулах масел и жиров.
В жирах и маслах обнаружено до 300 карбоновых кислот различного строения. Однако большинство из них присутствуют в небольшом количестве.
Стеариновые и пальмитиновые кислоты входят в состав практически всех природных масел и жиров. Эруковая кислота входит в состав рапсового масла. В состав большинства наиболее распространенных масел входят ненасыщенные кислоты, содержащие 1-3 двойные связи. Некоторые кислоты природных масел и жиров имеют, как правило, цис-конфигурацию, т.е. заместители распределены по одну сторону плоскости двойной связи.
Кислоты, имеющие разветвлённые углеводные цепи, содержащие окси, кето и другие группы, в липидах, как правило, содержатся в незначительном количестве. Исключение составляет рацинолевая кислота в касторовом масле. В природных растительных триацилглицеринах положения 1 и 3 заняты предпочтительно остатками насыщенных жирных кислот, а положение 2 ненасыщенными. В животных жирах картина обратная.
Положение остатков жирных кислот в триацилглицеринах существенно влияет на их физико-химические свойства.
Ацилглицерины − это жидкость или твердые вещества с низкими температурами плавления и довольно высокими температурами кипения, с повышенной вязкостью, без цвета и запаха, легче воды, нелетучи.
В воде жиры практически нерастворимы, но образуют с ней эмульсии.
Помимо обычных физических показателей жиры характеризуются рядом физико-химических констант. Эти константы для каждого вида жира и его сорта предусмотрены стандартом.
Кислотное число, или коэффициент кислотности, показывает сколько свободных жирных кислот содержится в жире. Оно выражается числом мг KOH, которое требуется для нейтрализации свободных жирных кисло в 1 г жира. Кислотное число служит показателем свежести жира. В среднем оно колеблется для разных сортов жира от 0,4 до 6.
Число омыления, или коэффициент омыления, определяет общее количество кислот, как свободных, так и связанных в триацилглицеринах, находящихся в 1 г жира. Жиры, содержащие остатки высокомолекулярных жирных кислот, имеют меньшее число омыления, чем жиры, образуемые низкомолекулярными кислотами.
Йодное число – показатель ненасыщенности жира. О определяется количеством граммов йода, присоединяющихся к 100 г жира. Чем выше йодное число, тем более ненасыщенным является жир.
Воски. Восками называют сложные эфиры высших жирных кислот и высокомолекулярных спиртов (18-30 атомов углерода). Жирные кислоты, входящие в состав восков такие же, как и для жиров, но есть и специфические, характерные только для восков.
Например: карнаубовая ;
церотиновая ;
монтановая .
Общая формула восков может быть записана так:
Воски широко распространены в природе, покрывая тонким слоем листья, стебли, плоды растений, они предохраняют их от смачивания водой, высыхания, действия микроорганизмов. Содержание воска в зерне и плодах невелико.
Сложные липиды. Сложные липиды имеют многокомпонентные молекулы, отдельные части которых соединены химическими связями различного типа. К ним относятся фосфолипиды, состоящие из остатков жирных кислот, глицерина и других многоатомных спиртов, фосфорной кислоты и азотистых оснований. В структуре гликолипидов наряду с многоатомными спиртами и высокомолекулярной жирной кислотой имеются также углеводы (обычно остатки галактозы, глюкозы, маннозы).
Имеются также две группы липидов в составе которых представлены и простые и сложные липиды. Это − диольные липиды, являющиеся простыми и сложными липидами двухатомных спиртов и высокомолекулярных жирных кислот, содержащих в ряде случаев фосфорную кислоту, азотистые основания.
Ормитинолипиды построены из остатков жирных кислот, аминокислоты ормитина или лизина и включающих в некоторых случаях двухатомные спирты. Наиболее важная и распространенная группа сложных липидов − фосфолипиды. Молекула их построена из остатков спиртов, высокомолекулярных жирных кислот, фосфорной кислоты, азотистых оснований, аминокислот и некоторых других соединений.
Общая формула фосфолипидов (фосфотидов) имеет следующий вид:
Следовательно молекуле фосфолипидов имеются группировки двух типов: гидрофильные и гидрофобные.
В качестве гидрофильных группировок выступают остатки фосфорной кислоты и азотистые основания, а в качестве гидрофобных группировок углеводородные радикалы.
Схема строения фосфолипидов
Рис. 11. Молекула фосфолипидов
Гидрофильная полярная головка − это остаток фосфорной кислоты и азотистого основания.
Гидрофобные хвосты − это углеводородные радикалы.
Фосфолипиды выделены в качестве побочных продуктов при получении масел. Являются поверхностно-активными веществами, улучшающими хлебопекарные достоинства пшеничной муки.
В качестве эмульгаторов они применяются также в кондитерской промышленности и при производстве маргариновой продукции. Они являются обязательным компонентом клеток.
Вместе с белками и углеводами они участвуют в построении мембран клеток и субклеточных структур, выполняющих функции несущих конструкции мембран. Они способствуют лучшему усвоению жиров и препятствуют ожирению печени, играя важную роль в профилактике атеросклероза.
Обычно считают, что жиры в организме человека выполняют роль поставщиков энергии (калорий). Но это не совсем правильно. Конечно, значительная часть жиров расходуется в качестве энергетического материала. Причем, жир служит в организме источником энергии либо при непосредственном использовании, либо потенциально – в форме запасов в жировой ткани. Однако в определенной степени жиры являются пластическим материалом, так как входят в состав клеточных компонентов (в виде комплексов с белками – липопротеинов), в частности, мембран, т.е. являются незаменимым фактором питания. Кроме того, жир в организме обеспечивает теплоизоляцию, скапливаясь в подкожном слое и вокруг определенных органов. Кроме того, жиры действуют как пищевые растворители жирорастворимых витаминов и служат источником незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (линоленовая, арахидоновая).
При длительном ограничении жиров в питании наблюдаются нарушения в физиологическом состоянии организма: нарушается деятельность центральной нервной системы, ослабляется иммунитет и сокращается продолжительность жизни. Однако избыточное потребление насыщенных жиров приводит к нарушению обмена холестерина, усилению свертывающих свойств крови, заболеваниям почек и печени, способствует развитию атеросклероза и ожирения со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Определение липидов, приводимое в литературе – неоднозначно. Жиры (более правильный термин «липиды») – это органические соединения, растворимые в ряде органических растворителей и нерастворимые в воде. Основным компонентом жиров являются тригицериды и липоидные вещества, к которым относятся фосфолипиды, стерины, воски и др. В пищевой технологии используют термин «жир», под которым подразумевают сумму веществ, извлекаемых органическими растворителями. При практически полном извлечении жира из пищевых продуктов термин «жир» равнозначен термину «липиды».
Более предпочтительным представляется определение липидов, как природных производных жирных кислот и родственных им соединений, входящих в состав всех живых клеток и извлекаемых из организмов и тканей неполярными растворителями.
Согласно классификации Блора липиды делят на три группы:
Простые,
Сложные,
Предшественники и производные липидов.
Простые липиды. Простыми липидами называют сложные эфиры жирных кислот с различными спиртами. К ним относятся, например, жиры и воски.
Жиры (триглицериды). Жиры (триглицериды) – сложные эфиры жирных кислот с глицерином. Если они находятся в жидком состоянии, их называют маслами. В состав триглицеридов входят глицерин (около 9%) и жирные кислоты с разной длиной углеводородной цепочки и степени насыщенности, от строения которой зависят свойства триглецеридов.
Животные и растительные жиры обладают различными физическими свойствами и составом. Животные жиры – это твердые вещества, в состав которых входит большое количество насыщенных жирных кислот, имеющих высокую температуру плавления. Растительные жиры, как правило, жидкие вещества, содержащие в основном ненасыщенные жирные кислоты, имеющие низкую температуру плавления. Источником растительных жиров являются в основном растительные масла (99,9% жира), орехи (53–65%), овсяные (6,1%) и гречневые (3,3%) крупы. Источником животных жиров – шпик свиной (90–92% жира), сливочное масло (72–82%), жирная свинина (49%), колбасы (20–40%), сметана (30%), сыры (15–30%).
Основным компонентом липидов являются жирные кислоты. Тригицериды природного происхождения содержат по крайней мере две различные жирные кислоты.
1-Пальмитоил-2,3-дистеароилгицерин
Химические, биологические и физические свойства жиров определяются входящими в его состав триглицеридом и, в первую очередь, длиной цепи, степенью насыщенности жирных кислот. В состав жиров входят в основном неразветвленные жирные кислоты, содержащие четное число атомов углерода (4–26) как насыщенные, так и моно- и полиненасыщенные кислоты.
Насыщенные жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая и др.) используются организмом в целом как энергетический материал. Пальмитиновая и стеариновая кислоты встречаются во всех животных и растительных жирах. Наибольшее количество насыщенных жирных кислот содержится в животных жирах: например, в говяжьем и свином жире – 25% пальмитиновой, соответственно 20% и 13% стеариновой кислот, в масле сливочном – 7% стеариновой, 25% пальмитиновой и 8% миристиновой кислот. Они могут частично синтезироваться в организме из углеводов (и даже из белков).
Ненасыщенные жирные кислоты различаются по степени «ненасыщенности». Мононенасыщенные жирные кислоты содержат одну ненасыщенную водородом связь между углеродными атомами, полиненасыщенные – несколько связей (2–6). К числу наиболее распространенных мононенасыщенных жирных кислот относится олеиновая кислота, которой много в оливковом масле (65%), маргаринах (43–47%), свином и говяжьем жире, сливочном масле и мясе гусей (11–16%).
Большинство жирных кислот, входящих в состав триглицеридов содержат 20 атомов углерода в молекуле. В молекулах олеиновой, линолевой, линоленовой 18 атомов углерода и они являются дегидропроизводными стеариновой кислоты, цис-изомерами.
Наиболее часто встречающиеся в триглицеридах насыщенные жирные кислоты: стеариновая (С 17 Н 35 СООН), пальмитиновая (С 15 Н 31 СООН), миристиновая (С 13 Н 27 СООН), арахиновая (С 19 Н 39 СООН), лауриновая (С 11 Н 23 СООН).
Особое значение имеют полиненасыщенные жирные кислоты, такие, как линолевая, линоленовая и арахидоновая, которые входят в состав клеточных мембран и других структурных элементов тканей и выполняют в организме ряд важный функций, в том числе обеспечивают нормальный рост и обмен веществ, эластичность сосудов и др. Большинство полиненасыщенных кислот не может синтезироваться в организме человека и поэтому эти кислоты являются незаменимыми, как являются незаменимыми некоторые аминокислоты и витамины. С другой стороны, эти кислоты, главным образом линолевая и арахидоновая, служат предшественниками гормоноподобных веществ – простогландинов, предотвращают отложение холестерина в стенках кровеносных сосудов (способствуют удалению его из организма), повышают эластичность стенок кровеносных сосудов. Следует отметить, что указанные функции выполняют только цис-изомеры ненасыщенных кислот.
Насыщенные жирные кислоты выполняют в основном энергетическую функцию в организме и их избыток в питании часто приводит к нарушению обмена жиров, повышению уровня холестерина в крови
Состав жиров, синтезируемых в различных частях одного и того же организма – разный. Так, у свиней внешние слои подкожного жира обладают большей ненасыщенностью, чем внутренние. Кислотный состав жиров человека близок к составу топленного говяжьего сала.
Воски. Воски – сложные эфиры жирных кислот с одноатомными спиртами. Воски – историческое название разных по составу и происхождению продуктов, преимущественно природных, которые по свойствам близки к пчелиному воску. Большинство природных восков содержит сложные эфиры одноосновных насыщенных карбоновых кислот нормального строения и стеринов с 12–46 атомами углерода в молекуле. Такие воски по химическим свойствам близки к жирам (триглицеридам), но омыляюются только в щелочной среде. Воски отличаются от жиров тем, что вместо глицерина в их состав входят стерины или высшие алифатические спирты с четным числом атомов углерода (16–36). Растительные воски также содержат парафиновые углеводороды.
Воски широко распространены в природе. В растениях они покрывают тонким слоем листья, стебли, плоды, предохраняя их от смачивания водой, высыхания, действия микроорганизмов. Содержание восков в зерне и плодах невелико. В оболочках семян подсолнечника содержится до 0,2% восков от массы оболочки, в семенах сои – 0,01%, риса – 0,05%.
Сложные липиды. Сложными липидами называют сложные эфиры жирных кислот со спиртами, дополнительно содержащие и другие группы.
Фосфолипиды. Важнейшими представителями сложных липидов являются фосфолипиды. Это – липиды, содержащие помимо жирных кислот и спирта остаток фосфорной кислоты. В их состав входят азотистые основания (чаще всего холин + OH – или этаноламин HO-CH 2 -CH 2 -NH 2), остатки аминоксилот и другие компоненты. В зависимости от спирта, входящего в состав молекулы, фосфолипид относится либо к глицерофосфолипидам (в роли спирта выступает глицерин), либо к сфингофосфолипидам, в состав которого входит сфингозин. Молекулы фосфолипидов содержат неполярные гидрофобные уголеводородные радикалы – «хвосты» и полярную гидрофильную «головку» (остатки фосфорной кислоты и азотистого основания), что определяет способность фосфолипидов формировать биологические мембраны. Входя в состав клеточных оболочек, фосфолипиды играют существенную роль для их проницаемости и обмена веществ между клетками и внутриклеточным пространством.
Наиболее распространенная группа фосфолипидов – фосфоглицериды. В их состав входят глицерин, жирные кислоты, фосфорная кислота и аминоспирты (например, холин в лецетине, этаноламин в кефалине). Аминоспирт, входящий в состав фосфолипида, определяет биологическое действие фосфолипида. Так, например, лецитин представляет собой глицерид, этерифицированный двумя, обычно разными жирными кислотами (например, стеариновой и олеиновой) и соодержащий фосфохолиновую группировку, которая при омылении дает неорганический фосфат и четвертичное основание – холин.
Лецитин проявляет липотропное действие, т.е. способствует выведению холестерина из организма. Лецитин и холин препятствуют ожирению печени и эти препараты используют для профилактики заболеваний печени. Холин, кроме того, входит в состав нервной ткани, в частности в ткани головного мозга. Ацетилхолин играет важную роль в передаче нервных импульсов. В организме человека холин может образовываться из серина, но биосинтез холина ограничен и холин должен дополнительно поступать с пищей. Таким образом, холин, как и полиненасыщенные жирные кислоты и ряд аминокислот, является незаменимым пищевым веществом.
Фосфолипиды пищевых продуктов различаются по химическому составу и биологическому действию. Последнее, как уже говорилось, во многом зависит от природы входящего в их состав аминоспирта. В пищевых продуктах встречаются в основном лецитин, в состав которого входит холин – аминоспирт, а также кефалин, в состав которого входит этаноламин.
Фосфолипиды, содержащиеся в пищевых продуктах, способствуют лучшему усвоению жиров. Так, жир в молоке находится в тонкодисперсном состоянии в значительной степени благодаря фосфолипидам молока. Именно молочный жир считается одним из наиболее легко усваиваемых жиров. Наибольшее количество фосфолипидов содержится в яйце (3,4%), относительно много (0,3–0,9%) в зерне и бобовых и нерафинированных маслах. При хранении нерафинированного растительного масла фосфолипиды выпадают в осадок. При рафинировании растительных масел содержание фосфолипидов в них снижается до 0,2–0,3%. Считают, что оптимальное содержание фосфолипидов в пище должно быть 5–10 г в день.
Помимо фосфолипидов к сложным липидам относят г ликолипиды (гликосфинголипиды), содержащие жирную кислоту, сфингозин и углеводный компонент. Гликолипиды в заметных количествах присутствуют в растительных продуктах (липиды пшеницы, овса, кукурузы, подсолнечника) Содержатся они также в животных и микроорганизмах. Гликолипиды выполняют структурные функции, участвуют в построении мембран, им принадлежит важная роль в формировании клейковинных белков пшеницы, определяющих хлебопекарное достоинство муки. Сложными липидами являются также сульфолипиды, аминолипиды. К этой категории относят и липопротеины.
Предшественники и производные липидов. К этой группе относятся жирные кислоты, глицерин, стероиды и прочие спирты, альдегиды жирных кислот и кетоновые тела, углеводороды, жирорастворимые витамины и гормоны.
Стерины (стеролы). Стерины (стеролы) – алициклические природные спирты (одноатомные вторичные спирты ряда циклопентанопергидрофенантрена, содержащие гидрооксильную группу при атоме углерода в положении 3 и метильные группы при атомах С 10 и С 13), относящиеся к стероидам. Стерины – составная часть неомыляемой фракции животных и растительных липидов. Различают животные (зоостерины), растительные стерины (фитостерины) и стерины грибов (микостерины). Основной стерин высших животных – холестерин, а растительный – b-ситостерин. Холестерин обнаружен в тканях всех животных и отсутствует, или присутствует в незначительном количестве, в растениях. Фитостерины, в отличие от холестерина, не усваиваются организмом.
Стерины, наряду с липидами и фосфолипидами, являются основным структурным компонентом клеточных мембран. Предполагают, что они влияют на клеточный метаболизм. Свои функции в организме стерины реализуют в виде комплексов с белками (липопротеидов) и сложных эфиров высших жирных кислот, являясь переносчиками их во все органы и ткани через систему кровотока. Холестерин участвует также в обмене желчных кислот и гормонов. До 80% холестерина в организме человека синтезируется в печени и других тканях. Содержание холестерина в яйцах достигает 0,57%, а в сырах – 0,28–1,61%. В сливочном масле содержится порядка 0,20%, а в мясе – 0,06–0,10%. Считается, что суточное потребление холестерина с пищей не должно превышать 0,5 г. В противном случае повышается уровень его содержания в крови, а значит, возрастает и опасность возникновения и развития атеросклероза.
Значение липидов. При рассмотрении групп липидов упоминались их разнообразные функции в организме. Обобщая выше изложенное, можно выделить следующие функции липидов в живом организме.
Липиды, входя в состав стенок клеток, выполняют в организме пластическую функцию и называются структурными. Они входят в состав мембраны клеток и участвуют в разнообразных процессах, происходящих в клетке.
Причем, как уже говорилось, липиды могут служить в организме источником энергии либо при непосредственном использовании, либо потенциально – в форме запасов в жировой ткани. В то время, как жировые отложения состоят главным образом из глицеридов, ткани головного мозга и спинного содержат сложные структурные единицы, построенные из белка, холестерина, а также из фосфолипидов, например, лецитинового типа.
Липиды, находящиеся в специальных «жировых» клетках, называют запасными и они состоят в основном из триглицеридов. Эти липиды являются аккумулятором химической энергии и используются при недостатке пищи. Липиды обладают высокой калорийностью: 1 г составляет 9 ккал – это в 2 раза выше калорийности белков и углеводов. Большинство всех видов растений также содержат запасные липиды, главным образом, в семенах. Липиды помогают растению переносить неблагоприятное воздействие внешней среды, например, низкие температуры, т.е. выполняют защитную функцию.
В растениях липиды накапливаются, главным образом, в семенах и плодах и их содержание зависит от сорта, места и условий произрастания. У животных и рыб липиды концентрируются в подкожных, мозговой и нервной тканях и тканях, окружающих важные органы (сердце, почки). Содержание липидов у животных определяется видом, составом корма, условиями содержания и др.
В состав пищевых продуктов входят так называемые «невидимые» жиры (в мясе, рыбе и молоке) и «видимые» – специально добавляемые в пищу растительные масла и животные жиры. В продуктах питания липиды содержатся в виде отдельных жировых клеток, откуда они легко извлекаются большинством органических растворителей (часто их называют «свободные липиды») или входят в состав практически всех жизненно важных клеток. В последнем случае они связаны в клетках более прочно (так называемые прочно связанные липиды). Методы количественного определения липидов учитывают эти особенности.
Помимо того, что липиды необходимы в питании как энергетический и структурный материал, они участвуют в обмене других пищевых веществ, например, способствуют усвоению витаминов А и D, а животные жиры являются источником этих витаминов. Единственный источник витамина Е и b-каротина – растительные жиры.
Ни один из жиров, взятый в отдельности, не может полностью обеспечить потребности организма в жировых веществах. Рекомендуемое содержание липидов в рационе по калорийности составляет 30–35%, что в весовых единицах (в среднем 102 г) несколько превосходит количество белков. Из указанных 102 г непосредственно в виде жиров рекомендуется потреблять 45–50 г. При работе на холоде количество жиров в рационе должно быть увеличено, так как жир участвует в процессах терморегуляции организма. Это увеличение должно идти за счет квоты углеводов, а не белков, так как белки необходимы для правильной переработки жиров.
Рекомендуется употреблять животные и растительные жиры в комплексе. Оптимальное соотношение 70% животных и 30% растительных жиров. При таком соотношении обеспечивается поступление в организм необходимых количеств полиненасыщенных и насыщенных кислот. С возрастом рекомендуется снижать потребление животных жиров.
Липиды составляют большую и достаточно разнородную по химическому составу группу входящих в состав живых клеток органических веществ, растворимых в малополярных органических растворителях (эфире, бензоле, хлороформе и др.) и нерастворимых в воде. В общем виде они рассматриваются как производные жирных кислот.
Особенность строения липидов - присутствие в их молекулах одновременно полярных (гидрофильных) и неполярных (гидрофобных) структурных фрагментов, что придает липидам сродство как к воде, так и к неводной фазе. Липиды относятся к бифильным веществам, что позволяет им осуществлять свои функции на границе раздела фаз.
10.1. Классификация
Липиды делят на простые (двухкомпонентные), если продуктами их гидролиза являются спирты и карбоновые кислоты, и сложные (многокомпонентные), когда в результате их гидролиза кроме этого образуются и другие вещества, например фосфорная кислота и углеводы. К простым липидам относятся воски, жиры и масла, а также церамиды, к сложным - фосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды (схема 10.1).
Схема 10.1. Общая классификация липидов
10.2. Структурные компоненты липидов
Все группы липидов имеют два обязательных структурных компонента - высшие карбоновые кислоты и спирты.
Высшие жирные кислоты (ВЖК). Многие высшие карбоновые кислоты были впервые выделены из жиров, поэтому они получили название жирных. Биологически важные жирные кислоты могут быть насыщенными (табл. 10.1) и ненасыщенными (табл. 10.2). Их общие структурные признаки:
Являются монокарбоновыми;
Включают четное число атомов углерода в цепи;
Имеют цис-конфигурацию двойных связей (если они присутствуют).
Таблица 10.1. Основные насыщенные жирные кислоты липидов
В природных кислотах число атомов углерода колеблется от 4 до 22, но чаще встречаются кислоты с 16 или 18 атомами углеро- да. Ненасыщенные кислоты содержат одну или несколько двойных связей, имеющих цис-конфигурацию. Ближайшая к карбоксильной группе двойная связь обычно расположена между атомами С-9 и С-10. Если двойных связей несколько, то они отделены друг от друга метиленовой группой СН 2 .
Правилами ИЮПАК для ВЖК допускается использование их тривиальных названий (см. табл. 10.1 и 10.2).
В настоящее время также применяется собственная номенклатура ненасыщенных ВЖК. В ней концевой атом углерода, независимо от длины цепи, обозначается последней буквой греческого алфавита ω (омега). Отсчет положения двойных связей производится не как обычно от карбоксильной группы, а от метильной группы. Так, линоленовая кислота обозначается как 18:3 ω-3 (омега-3).
Сама линолевая кислота и ненасыщенные кислоты с иным числом атомов углерода, но с расположением двойных связей также у третьего атома углерода, считая от метильной группы, составляют семейство омега-3 ВЖК. Другие типы кислот образуют аналогичные семейства линолевой (омега-6) и олеиновой (омега-9) кислот. Для нормальной жизнедеятельности человека большое значение имеет правильный баланс липидов трех типов кислот: омега-3 (льняное масло, рыбий жир), омега-6 (подсолнечное, кукурузное масла) и омега-9 (оливковое масло) в рационе питания.
Из насыщенных кислот в липидах человеческого организма наиболее важны пальмитиновая С 16 и стеариновая С 18 (см. табл. 10.1), а из ненасыщенных - олеиновая С18:1 , линолевая С18:2 , линоленовая и арахидоновая С 20:4 (см. табл. 10.2).
Следует подчеркнуть роль полиненасыщенных линолевой и линоленовой кислот как соединений, незаменимых для человека («витамин F»). В организме они не синтезируются и должны поступать с пищей в количестве около 5 г в день. В природе эти кислоты содержатся в основном в растительных маслах. Они способствуют
Таблица 10.2. Основные ненасыщенные жирные кислоты липидов
* Включена для сравнения. ** Для цис-изомеров.
нормализации липидного профиля плазмы крови. Линетол, представляющий собой смесь этиловых эфиров высших жирных ненасыщенных кислот, используется в качестве гиполипидемического лекарственного средства растительного происхождения. Спирты. В состав липидов могут входить:
Высшие одноатомные спирты;
Многоатомные спирты;
Аминоспирты.
В природных липидах наиболее часто встречаются насыщенные и реже ненасыщенные длинноцепочечные спирты (С 16 и более) главным образом с четным числом атомов углерода. В качестве примера высших спиртов приведены цетиловый СH 3 (СН 2 ) 15 ОН и мелиссиловый СН 3 (СН 2) 29 ОН спирты, входящие в состав восков.
Многоатомные спирты в большинстве природных липидов представлены трехатомным спиртом глицерином. Встречаются другие многоатомные спирты, например двухатомные спирты этиленгликоль и пропандиол-1,2, а также миоинозит (см. 7.2.2).
Наиболее важными аминоспиртами, входящими в состав природных липидов, являются 2-аминоэтанол (коламин), холин, относя- щийся также к α-аминокислотам серин и сфингозин.
Сфингозин - ненасыщенный длинноцепочечный двухатомный аминоспирт. Двойная связь в сфингозине имеет транс -конфигура- цию, а асимметрические атомы С-2 и С-3 - D-конфигурацию.
Спирты в липидах ацилированы высшими карбоновыми кислотами по соответствующим гидроксильным группам или аминогруппам. У глицерина и сфингозина один из спиртовых гидроксилов может быть этерифицирован замещенной фосфорной кислотой.
10.3. Простые липиды
10.3.1. Воски
Воски - сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатомных спиртов.
Воски образуют защитную смазку на коже человека и животных и предохраняют растения от высыхания. Они применяются в фармацевтической и парфюмерной промышленности при изготовлении кремов и мазей. Примером служит цетиловый эфир пальмитиновой кислоты (цетин) - главный компонент спермацета. Спермацет выделяется из жира, содержащегося в полостях черепной коробки кашалотов. Другим примером является мелиссиловый эфир пальмитиновой кислоты - компонент пчелиного воска.
10.3.2. Жиры и масла
Жиры и масла - самая распространенная группа липидов. Большинство из них принадлежит к триацилглицеринам - полным эфирам глицерина и ВЖК, хотя также встречаются и принимают участие в обмене веществ моно- и диацилглицерины.
Жиры и масла (триацилглицерины) - сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.
В организме человека триацилглицерины играют роль структурного компонента клеток или запасного вещества («жировое депо»). Их энергетическая ценность примерно вдвое больше, чем белков
или углеводов. Однако повышенный уровень триацилглицеринов в крови является одним из дополнительных факторов риска развития ишемической болезни сердца.
Твердые триацилглицерины называют жирами, жидкие - маслами. Простые триацилглицерины содержат остатки одинаковых кислот, смешанные - различных.
В составе триацилглицеринов животного происхождения обычно преобладают остатки насыщенных кислот. Такие триацилглицерины, как правило, твердые вещества. Напротив, растительные масла содержат в основном остатки ненасыщенных кислот и имеют жидкую консистенцию.
Ниже приведены примеры нейтральных триацилглицеринов и указаны их систематические и (в скобках) обычно употребляемые тривиальные названия, основанные на названиях входящих в их состав жирных кислот.
10.3.3. Церамиды
Церамиды - это N-ацилированные производные спирта сфингозина.
Церамиды в незначительных количествах присутствуют в тканях растений и животных. Гораздо чаще они входят в состав сложных липидов - сфингомиелинов, цереброзидов, ганглиозидов и др.
(см. 10.4).
10.4. Сложные липиды
Некоторые сложные липиды трудно классифицировать однозначно, так как они содержат группировки, позволяющие отнести их одновременно к различным группам. Согласно общей классификации липидов (см. схему 10.1) сложные липиды обычно делят на три большие группы: фосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды.
10.4.1. Фосфолипиды
В группу фосфолипидов входят вещества, отщепляющие при гидролизе фосфорную кислоту, например глицерофосфолипиды и некоторые сфинголипиды (схема 10.2). В целом фосфолипидам свойственно достаточно высокое содержание ненасыщенных кислот.
Схема 10.2. Классификация фосфолипидов
Глицерофосфолипиды. Эти соединения являются главными липидными компонентами клеточных мембран.
По химическому строению глицерофосфолипиды представляют собой производные l -глицеро-З-фосфата.
l-Глицеро-З-фосфат содержит асимметрический атом углерода и, следовательно, может существовать в виде двух стереоизомеров.
Природные глицерофосфолипиды имеют одинаковую конфигурацию, являясь производными l-глицеро-З-фосфата, образующегося в процессе метаболизма из фосфата дигидроксиацетона.
Фосфатиды. Среди глицерофосфолипидов наиболее распространены фосфатиды - сложноэфирные производные l-фосфатидовых кислот.
Фосфатидовые кислоты - это производные l -глицеро-З-фосфата, этерифицированные жирными кислотами по спиртовым гидроксильным группам.
Как правило, в природных фосфатидах в положении 1 глицериновой цепи находится остаток насыщенной, в положении 2 - ненасыщенной кислоты, а один из гидроксилов фосфорной кислоты этерифицирован многоатомным спиртом или аминоспиртом (X - остаток этого спирта). В организме (рН ~7,4) оставшийся свободным гидроксил фосфорной кислоты и другие ионогенные группировки в фосфатидах ионизированы.
Примерами фосфатидов могут служить соединения, в составе которых фосфатидовые кислоты этерифицированы по фосфатному гидроксилу соответствующими спиртами:
Фосфатидилсерины, этерифицирующий агент - серин;
Фосфатидилэтаноламины, этерифицирующий агент - 2-ами- ноэтанол (в биохимической литературе часто, но не вполне правильно называемый этаноламином);
Фосфатидилхолины, этерифицирующий агент - холин.
Эти этерифицирующие агенты взаимосвязаны между собой, поскольку фрагменты этаноламина и холина могут образовываться в ходе метаболизма из фрагмента серина путем декарбоксилирования и последующего метилирования при помощи S-аденозилметионина (SAM) (см. 9.2.1).
Ряд фосфатидов вместо аминосодержащего этерифицирующего агента содержит остатки многоатомных спиртов - глицерина, миоинозита и др. Приведенные ниже в качестве примера фосфатидилглицерины и фосфатидилинозиты относятся к кислым глицерофосфолипидам, поскольку в их структурах отсутствуют фрагменты аминоспиртов, придающие фосфатидилэтаноламинам и родственным соединениям нейтральный характер.
Плазмалогены. Менее распространены по сравнению со сложноэфирными глицерофосфолипидами липиды с простой эфирной связью, в частности плазмалогены. Они содержат остаток ненасыщенного
* Для удобства способ написания конфигурационной формулы остатка миоинозита в фосфатидилинозитах изменен по сравнению с приведенным выше (см. 7.2.2).
спирта, связанный простой эфирной связью с атомом С-1 глицеро- 3-фосфата, как, например, плазмалогены с фрагментом этаноламина - L-фосфатидальэтаноламины. Плазмалогены составляют до 10% всех липидов ЦНС.
10.4.2. Сфинголипиды
Сфинголипиды представляют собой структурные аналоги глицерофосфолипидов, в которых вместо глицерина используется сфинго- зин. Другим примером сфинголипидов служат рассмотренные выше церамиды (см. 10.3.3).
Важную группу сфинголипидов составляют сфингомиелины, впервые обнаруженные в нервной ткани. В сфингомиелинах гидроксильная группа у С-1 церамида этерифицирована, как правило, фосфатом холина (реже фосфатом коламина), поэтому их можно отнести и к фосфолипидам.
10.4.3. Гликолипиды
Как можно судить по названию, соединения этой группы включают углеводные остатки (чаще D-галактозы, реже D-глюкозы) и не содержат остатка фосфорной кислоты. Типичные представители гликолипидов - цереброзиды и ганглиозиды - представляют собой сфингозинсодержащие липиды (поэтому их можно считать и сфинголипидами).
В цереброзидах остаток церамида связан с D-галактозой или D-глю- козой β-гликозидной связью. Цереброзиды (галактоцереброзиды, глюкоцереброзиды) входят в состав оболочек нервных клеток.
Ганглиозиды - богатые углеводами сложные липиды - впервые были выделены из серого вещества головного мозга. В структурном отношении ганглиозиды сходны с цереброзидами, отличаясь тем, что вместо моносахарида они содержат сложный олигосахарид, включающий по крайней мере один остаток V -ацетилнейраминовой кислоты (см. Приложение 11-2).
10.5. Свойства липидов
и их структурных компонентов
Особенностью сложных липидов является их бифильность, обусловленная неполярными гидрофобными и высокополярными ионизированными гидрофильными группировками. В фосфатидилхолинах, например, углеводородные радикалы жирных кислот образуют два неполярных «хвоста», а карбоксильная, фосфатная и холиновая группы - полярную часть.
На границе раздела фаз такие соединения действуют, как превосходные эмульгаторы. В составе клеточных мембран липид- ные компоненты обеспечивают высокое электрическое сопротивление мембраны, ее непроницаемость для ионов и полярных молекул и проницаемость для неполярных веществ. В частности, большинство анестезирующих препаратов хорошо растворяются в липидах, что позволяет им проникать через мембраны нервных клеток.
Жирные кислоты - слабые электролиты ( p K a ~4,8). Они в малой степени диссоциированы в водных растворах. При pH < p K a преобладает неионизированная форма, при pH > p K a , т. е. в физиологических условиях, преобладает ионизированная форма RCOO - . Растворимые соли высших жирных кислот называются мылами. Натриевые соли высших жирных кислот твердые, калиевые - жидкие. Как соли слабых кислот и сильных оснований мыла частично гидролизуются в воде, их растворы имеют щелочную реакцию.
Природные ненасыщенные жирные кислоты, имеющие цис -конфигурацию двойной связи, обладают большим запасом внутренней энергии и, следовательно, по сравнению с транс -изомерами термодинамически менее стабильны. Их цис-транс -изомеризация легко проходит при нагревании, особенно в присутствии инициаторов радикальных реакций. В лабораторных условиях это превращение можно осуществить действием оксидов азота, образующихся при разложении азотной кислоты при нагревании.
Высшие жирные кислоты проявляют общие химические свойства карбоновых кислот. В частности, они легко образуют соответствующие функциональные производные. Жирные кислоты с двойными связями проявляют свойства ненасыщенных соединений - присоединяют по двойной связи водород, галогеноводороды и другие реагенты.
10.5.1. Гидролиз
С помощью реакции гидролиза устанавливают строение липидов, а также получают ценные продукты (мыла). Гидролиз - первая стадия утилизации и метаболизма пищевых жиров в организме.
Гидролиз триацилглицеринов осуществляют либо воздействием перегретого пара (в промышленности), либо нагреванием с водой в присутствии минеральных кислот или щелочей (омыление). В организме гидролиз липидов проходит под действием ферментов липаз. Некоторые примеры реакций гидролиза приведены ниже.
В плазмалогенах, как и в обычных виниловых эфирах, простая эфирная связь расщепляется в кислой, но не в щелочной среде.
10.5.2. Реакции присоединения
Липиды, содержащие в структуре остатки ненасыщенных кислот, присоединяют по двойным связям водород, галогены, галогеноводороды, воду в кислой среде. Иодное число - это мера ненасыщенности триацилглицеринов. Оно соответствует числу граммов иода, которое может присоединиться к 100 г вещества. Состав природных жиров и масел и их иодные числа варьируют в достаточно широких пределах. В качестве примера приводим взаимодействие 1-олеоил- дистеароилглицерина с иодом (иодное число этого триацилглицерина равно 30).
Каталитическое гидрирование (гидрогенизация) ненасыщенных растительных масел - важный промышленный процесс. В этом случае водород насыщает двойные связи и жидкие масла превращаются в твердые жиры.
10.5.3. Реакции окисления
Окислительные процессы с участием липидов и их структурных компонентов достаточно разнообразны. В частности, окисление кис- лородом воздуха ненасыщенных триацилглицеринов при хранении (автоокисление, см. 3.2.1), сопровождаемое гидролизом, является частью процесса, известного как прогоркание масла.
Первичными продуктами взаимодействия липидов с молекулярным кислородом являются гидропероксиды, образующиеся в резуль- тате цепного свободнорадикального процесса (см. 3.2.1).
Пероксидное окисление липидов - один из наиболее важных окислительных процессов в организме. Он является основной причиной повреждения клеточных мембран (например, при лучевой болезни).
Структурные фрагменты ненасыщенных высших жирных кислот в фосфолипидах служат мишенью для атаки активными формами кис- лорода (АФК, см. Приложение 03-1).
При атаке, в частности, гидроксильным радикалом HO", наиболее активным из АФК, молекулы липида LH происходит гомолитический разрыв связи С-Н в аллильном положении, как показано на примере модели пероксидного окисления липидов (схема 10.3). Образующийся радикал аллильного типа L" мгновенно реагирует с находящимся в среде окисления молекулярным кислородом с образованием липидпероксильного радикала LOO". С этого момента начинается цепной каскад реакций пероксидации липидов, поскольку происходит постоянное образование аллильных липидных радикалов L", возобнов- ляющих этот процесс.
Липидные пероксиды LOOH - неустойчивые соединения и могут спонтанно или при участии ионов металлов переменной валентности (см. 3.2.1) разлагаться с образованием липидоксильных радикалов LO", способных инициировать дальнейшее окисление липидного субстрата. Такой лавинообразный процесс пероксидного окисления липидов представляет собой опасность разрушения мембранных структур клеток.
Промежуточно образующийся радикал аллильного типа имеет мезомерное строение и может далее подвергаться превращениям по двум направлениям (см. схему 10.3, пути а и б), приводящим к промежуточным гидропероксидам. Гидропероксиды нестабильны и уже при обычной температуре распадаются с образованием альдегидов, которые далее окисляются в кислоты - конечные продукты реакции. В результате получаются в общем случае две монокарбоновые и две дикарбоновые кислоты с более короткими углеродными цепями.
Ненасыщенные кислоты и липиды с остатками ненасыщенных кислот в мягких условиях окисляются водным раствором перманга- ната калия, образуя гликоли, а в более жестких (с разрывом углеродуглеродных связей) - соответствующие кислоты.
