Липиды. Жиры. Жироподобные вещества (липоиды)

 

К липидам относятся природные органические соединения очень разнообразные по строению,которые объединены общим свойством – они нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных растворителях (бензине, ацетоне и т. д.). Название одной из групп липидов, а именно –

жиров (от греч. липос – жир) взято для обозначения класса в целом.

Липиды по способности к гидролизу делят на омыляемые и неомыляемые. Омыляемые липиды подразделяют на простые и сложные. Простые липиды представлены двухкомпонентными веществами – сложными эфирами высших жирных кислот с глицерином, высшими или полициклическими спиртами. К простым липидам относятся воски и жиры, некоторые в эту группу добавляют еще церамиды. К сложным липидам относятся фосфолипиды, гликолипиды и сфинголипиды, которые при гидролизе образуют три и более компонента. К неомыляемым липидам относят стероиды, жирные кислоты (структурный компонент омыляемых липидов), жирорастворимые витамины (А, Д, Е, К) и др.

Характерными структурными компонентами большинства липидов являются жирные кислоты – одноосновные карбоновые кислоты, содержащие от 4 до 24 углеродных атомов. Благодаря длинному неполярному «хвосту» этих кислот большинство липидов нерастворимы в воде и проявляют свойства масел и жиров. Практически все природные жирные кислоты содержат четное число атомов углерода, наиболее часто – 16 или 18. Углеводородный радикал может быть как насыщенным, так и содержащим двойные связи (в растениях и животных ненасыщенные кислоты встречаются в два раза чаще насыщенных). В тканях и клетках жирные кислоты встречаются не в свободном состоянии, а в виде сложных эфиров в составе липидов различных классов.

Триацилглицерины – наиболее простые и широко распространенные липиды. Они представляют собой эфиры глицерина и жирных кислот.

Триацилглицерины – это неполярные, гидрофобные вещества, практически нерастворимые в воде. Они бесцветны, не имеют запаха и вкуса (окраска и запах обусловлены примесями), легче воды. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии, что более чем в 2 раза превосходит тепловой эффект окисления углеводов и белков. При хранении под воздействием света, кислорода воздуха, температуры, влаги, микроорганизмов жиры подвергаются окислению и другим химическим превращениям. Образующиеся при этом перекиси, альдегиды, кетоны придают жирам неприятный горький вкус и могут быть токсичны для организма. Жиры обычно не содержатся в мембранах.

Воски. Природные воски – это сложные смеси эфиров высших спиртов и высших жирных монокарбоновых кислот.

Воски устойчивы к действию света, окислителей, нагреванию и другим физическим воздействиям, а также хуже гидролизуются, чем жиры. Именно поэтому воски в организме выполняют защитные свойства.

Фосфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов и высших жирных кислот, содержащие остатки фосфорной кислоты, и связанные с нею добавочные соединения (аминоспирты, аминокислоты и др.). Фосфолипиды в зависимости от спирта, входящего в их состав, подразделяют на фосфатиды, сфингофосфолипиды и гликосфинголипиды. В состав фосфатидов входит глицерин. Их рассматривают как производные фосфатидной кислоты, откуда и происходит название этой группы фосфолипидов.

Наиболее распространены в природе лецитины.

Фосфолипиды составляют основу липидного бислоя биологических мембран. Липиды, которые входят в состав мембран, отличаются от триацилглицеринов и восков тем, что наряду с жирными, гидрофобными «хвостами» содержат одну или несколько полярных, гидрофильных «голов». Гидрофильные фрагменты, расположенные на внешней поверхности мембраны, образуют гидрофильный слой, а углеродные радикалы («хвосты») – внутренний липофильный (гидрофобный) слой мембраны.

Фосфоглицериды состоят из полярной, гидрофильной «головы» и жирного, гидрофобного «хвоста» Сфинголипиды. Второй важный класс мембранных липидов, сфинголипиды, также имеют полярную «голову» и неполярный «хвост», но не содержат глицерина. Сфинголипиды – структурные аналоги фосфолипидов, содержащие вместо глицерина жирный аминоспирт – сфингозин. Различают два подкласса сфинголипидов: церамиды и сфингомиелины.

Сфинголипиды характеризуются большей устойчивостью к действию окислителей, чем фосфолипиды. Они нерастворимы в эфире, что используется для отделения их от фосфолипидов.

Сфинголипиды в большом количестве присутствуют в мембранах клеток нервной ткани.

Гликолипиды. В состав гликолипидов входят сфингозин и углеводный компонент. В качестве углеводного компонента могут выступать глюкоза, галактоза, глюкозамин, галактозамин и их ацетильные производные либо олигосахаридные цепи.

Стероиды – это обширная группа природных веществ, являющихся сложными эфирами специфически построенных полициклических спиртов (стеролов) и высших жирных кислот.

В отличие от всех рассмотренных выше липидов стероиды подвергаются щелочному гидролизу (омылению) с образованием соответствующих жирных кислот и спиртов. В организме человека лишь 10 % стеролов представлены стероидами, а 90 % находятся в свободном состоянии и образуют неомыляемую (негидролизующуюся) фракцию. Стеролы имеют довольно сложное строение.

В организме животных и человека стеролы окисляются с образованием производных, имеющих общее название стероиды. Из высших жирных кислот в составе стероидов обнаружены, в основном, пальмитиновая, стеариновая и олеиновая кислоты.

К стероидам относятся холевые кислоты (ингредиенты желчи, способствующие всасыванию жирных кислот в кишечнике), стероидные гормоны, кортикостероиды. Тестостерон выполняет тканеобразующую функцию, нортестостерон способствует наращиванию мышечной массы, так как интенсифицирует синтез белков, однако подавляет продуцирование спермы. Кортикостероиды регу-

лируют углеводный и солевой обмен.

Функции липидов:

• структурная. Фосфолипиды вместе с белками образуют биологические мембраны. В состав мембран входят также стероиды;

• энергетическая. При окислении жиров высвобождается большое количество энергии, которая идет на образование АТФ. В форме липидов хранится значительная часть энергетических запасов организма, которые расходуются при недостатке питательных веществ. Животные, впадающие в спячку, и растения накапливают жиры и масла, расходуют их на поддержание процессов жизнедеятельности. В организме до 33 % всей энергии АТФ образуется за счет окисления липидов;

• антиоксидантная. Витамины А, D, Е, К препятствуют окислению веществ;

• запасающая. Триацилглицериды являются формой хранения жирных кислот, то есть «метаболическим топливом». Это и источник воды, так как окисление 100 г жира дает примерно 105 г воды;

• защитная. Триацилглицериды в составе жировой ткани, в виде жировой прокладки, обеспечивают теплоизоляционную и механическую защиту тела и органов. Воски образуют защитную смазку;

• регуляторная. Фосфотидилинозитолы являются внутриклеточными посредниками в действии гормонов. Из полиненасыщенных жирных кислот образуются вещества, регулирующие иммуногенез, гемостаз, неспецифическую резистентность организма, воспалительные, аллергические, пролиферативные реакции. Из холестерина образуются стероидные гормоны: половые и кортикоиды, витамин D, желчные кислоты. Кроме этого, некоторые липиды, например гликолипиды, влияют на функционирование нервной системы;

• пищеварительная. Желчные кислоты, фосфолипиды, холестерин обеспечивают эмульгирование и всасывание липидов;

• информационная. Ганглиозиды обеспечивают межклеточные контакты.

Источником липидов в организме являются синтетические процессы и пища. Часть липидов в организме не синтезируются (полиненасыщенные жирные кислоты – витамин F, витамины А, D, Е, К), они являются незаменимыми и поступают только с пищей.

1.5.3. Строение биологической мембраны

В отличие от белков и полисахаридов липиды не являются биополимерами, но они способны образовывать надмолекулярные структуры, сходные или даже превышающие по массе макромолекулы. Такими структурами служат биологические мембраны – плоские структуры толщиной в несколько молекул, образующие сплошную перегородку между отдельными отсеками. Мембраны асимметричны: их наружная и внутренняя поверхности отличаются друг от друга. Биологические мембраны играют важную роль в жизнедеятельности клетки и всего организма в целом. Они отделяют клетки от окружающей среды, тем самым обусловливая их индивидуальность. Мембраны образованы главным образом липидами и белками; в них имеются также углеводные компоненты, связанные с липидами и белками. Липиды мембран (в основном, фосфолипиды) в водной среде спонтанно образуют замкнутые бимолекулярные слои, непроницаемые для полярных соединений.

Однако мембраны – не только высокоорганизованные поверхности раздела, но и активные биологические системы, отвечающие за такие процессы, как селективный транспорт веществ внутрь и наружу клетки, связывание гормонов и других регуляторных молекул, передача электрических импульсов, синтез АТФ. Мембраны различаются между собой по структуре и, следовательно, по функциям.

Липиды, входящие в состав мембран, являются амфифильными соединениями. Их молекулы имеют как гидрофобные группы (углеводородные радикалы высших жирных кислот), так и гидрофильные. Гидрофильную часть называют «полярной головкой» и обозначают на рисунках в виде кружочка; гидрофобные углеводородные «хвосты» изображают в виде волнистых линий.

Полярные «головки» липидов обращены в сторону водной среды, а гидрофобные «хвосты» составляют внутреннюю область и находятся в тесном контакте друг с другом. Контактируют между собой и гидрофильные «головки». Все взаимодействия носят нековалентный характер.

В структуру мембран включены белки, присоединенные к липидному двойному слою; одни из них располагаются на гидрофильной поверхности мембраны, другие погружены в гидрофобную область. Первые называются периферическими белками, вторые – интегральными. Периферические белки связаны с интегральными белками и мембранами электростатическими силами.

Интегральные белки образуют многочисленные связи с углеводородными цепями мембранных липидов.

В биологических мембранах присутствует несколько классов белков:

• структурные белки, помогающие поддерживать структуру мембран;

• ферменты, катализирующие все химические превращения на мембранах;

• транспортные белки, участвующие в транспорте соединений внутрь и наружу клеток и клеточных органелл;

• белки-рецепторы, специфически связывающие определенные соединения (гормоны, нейромедиаторы) на наружной стороне мембраны, что служит сигналом для изменения химических процессов в мембране или внутри клетки.