Липиды

1.

Липиды 

Липиды — это жироподобные органические соединения, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в неполярных растворителях (эфире, бензине, бензоле, хлороформе и др.). Липиды принадлежат  к простейшим биологическим молекулам.

В химическом отношении большинство липидов представляет собой сложные эфиры высших карбоновых кислот и ряда спиртов. Наиболее известны среди них жиры. Каждая молекула жира образована молекулой трехатомного спирта глицерола и присоединенными к ней эфирными связями трех молекул высших карбоновых кислот. Согласно принятой номенклатуре, жиры называют триацилглщеролами.

Атомы углерода в молекулах высших карбоновых кислот могут быть соединены  друг с другом как простыми, так  и двойными связями. Из предельных (насыщенных) высших карбоновых кислот наиболее часто в состав жиров входят пальмитиновая, стеариновая, арахиновая; из непредельных (ненасыщенных) — олеиновая и линолевая.

Степень ненасыщенности и длина  цепей высших карбоновых кислот (т. е. число атомов углерода) определяют физические свойства того или иного жира.

Жиры с короткими и непредельными  кислотными цепями имеют низкую температуру  плавления. При комнатной температуре  это жидкости (масла) либо мазеподобные вещества (жиры). И наоборот, жиры с  длинными и насыщенными цепями высших карбоновых кислот при комнатной температуре становятся твердыми. Вот почему при гидрировании (насыщении кислотных цепей атомами водорода по двойным связям) жидкое арахисовое масло, например, становится мазеобразным, а подсолнечное масло превращается в твердый маргарин. По сравнению с обитателями южных широт в организме животных, обитающих в холодном климате (например, у рыб арктических морей), обычно содержится больше ненасыщенных триацилглицеролов. По этой причине тело их остается гибким и при низких температурах.

В фосфолипидах одна из крайних цепей  высших карбоновых кислот триацилглицерола замещена на группу, содержащую фосфат. Фосфолипиды имеют полярные головки  и неполярные хвосты. Группы, образующие полярную головку, гидрофильны, а неполярные хвостовые группы гидрофобны. Двойственная природа этих липидов обусловливает их ключевую роль в организации биологических мембран.

Еще одну группу липидов составляют стероиды (стеролы). Эти вещества построены  на основе спирта холестерола. Стеролы  плохо растворимы в воде и не содержат высших карбоновых кислот. К ним относятся желчные кислоты, холестерол, половые гар-моны, витамин D и др.

К липидам также относятся терпены (ростовые вещества растений — гиббереллины; каротиноиды — фотосинтетичские пигменты; эфирные масла растений, а также воска).

Липиды могут образовывать комплексы  с другими биологическими молекулами — белками и сахарами.

Функции липидов следующие:

Структурная. Фосфолипиды вместе с  белками образуют биологические  мембраны. В состав мембран входят также стеролы.

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 и расходуют их на поддержание процессов жизнедеятельности. Высокое содержание липидов в семенах растений обеспечивает развитие зародыша и проростка до их перехода к самостоятельному питанию. Семена многих растений (кокосовой пальмы, клещевины, подсолнечника, сои, рапса и др.) служат сырьем для получения растительного масла промышленным способом.

Защитная и теплоизоляционная. Накапливаясь в подкожной клетчатке  и вокруг некоторых органов (почек, кишечника), жировой слой защищает организм животных и его отдельные органы от механических повреждений. Кроме того, благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранить тепло, что позволяет, например, многим животным обитать в условиях холодного климата. У китов, кроме того, он играет еще и другую роль — способствует плавучести.

Смазывающая и водоотталкивающая. Воск покрывает кожу, шерсть, перья, делает их более эластичными и  предохраняет от влаги. Восковой налет  имеют листья и плоды многих растений.

Регуляторная. Многие гормоны являются производными хо-лестерола, например половые (тестостерон у мужчин и прогестерон  у женщин) и кортикостероиды (альдостерон). Производные холестерола, витамин D играют ключевую роль в обмене кальция и фосфора. Желчные кислоты участвуют в процессах пищеварения (эмульгирование жиров) и всасывания высших карбоновых кислот.

Липиды являются также источником образования метаболической воды. Окисление 100 г жира дает примерно 105 г воды. Эта вода очень важна для некоторых обитателей пустынь, в частности для верблюдов, способных обходиться без воды в течение 10—12 суток: жир, запасенный в горбе, используется именно в этих целях. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и другие животные, впадающие в спячку, получают в результате окисления жира.

В миелиновых оболочках аксонов  нервных клеток липиды являются изоляторами  при проведении нервных импульсов.

Воск используется пчелами в  строительстве сот.

 

Биомолекулы. Липиды

Липиды

А. Классификация липидов

Липиды — большая группа веществ  биологического происхождения, хорошо растворимых в органических растворителях, таких, как метанол, ацетон, хлороформ  и бензол. В то же время эти  вещества нерастворимы или мало растворимы в воде. Слабая растворимость связана с недостаточным содержанием в молекулах липидов атомов с поляризующейся электронной оболочкой, таких, как О, N, S или P (см. с. 14)

Липиды подразделяются на омыляемые  и неомыляемые. Из огромного множества  липидов здесь приведены лишь некоторые представители. Отдельные классы липидов обсуждаются в последующих разделах.

Омыляемые липиды. Структурные компоненты омыляемых липидов связаны сложноэфирной  связью. Эти липиды легко гидролизуются  в воде под действием щелочей  или ферментов. Омыляемые липиды включают три группы веществ: сложные эфиры, фосфолипиды и гликолипиды. В группу сложных эфиров входят нейтральные жиры (глицерин+три жирные кислоты), воски (жирный спирт+жирная кислота) и эфиры стеринов (стерин+жирная кислота). Группа фосфолипидов включает фосфатидовые кислоты (глицерин+две жирные кислоты+фосфатная группа), фосфатиды (глицерин+две жирные кислоты+фосфатная группа+спирт) и сфинголипиды (сфингозин+жирная кислота+фосфатная группа+спирт). К группе гликолипидов относятся цереброзиды (сфингозин+жирная кислота+один углеводный остаток) и ганглиозиды (сфингозин+жирная кислота+несколько углеводных остатков, в том числе нейраминовая кислота).

Группа неомыляемых липидов  включает предельные углеводороды и  каротиноиды, а также спирты. В  первую очередь это спирты с длинной алифатической цепью, циклические стерины (например, холестерин) и стероиды (эстрадиол, тестостерон и др.). Важнейшую группу липидов образуют жирные кислоты. К этой группе относятся также эйкозаноиды, которые можно рассматривать как производные жирных кислот (см. с. 376).

Б. Биологические функции липидов

1. Макроэргические  вещества. Липиды — наиболее важный  из всех питательных веществ  источник энергии (см. рис. 349). В  количественном отношении липиды  — основной энергетический резерв  организма. В основном жир содержится в клетках в виде жировых капель, которые служат метаболическим «топливом». Липиды окисляются в митохондриях до воды и диоксида углерода с одновременным образованием большого количества АТФ (ATP) (см. рис. 127).

2. Структурные блоки. Ряд липидов принимает участие в образовании клеточных мембран (см. рис. 217). Типичными мембранными липидами являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерин. Следует отметить, что мембраны не содержат жиров.

3. Изолирующий  материал. Жировые отложения в  подкожной ткани и вокруг различных  органов обладают высокими теплоизолирующими  свойствами. Как основной компонент  клеточных мембран липиды изолируют  клетку от окружающей среды  и за счет гидрофобных свойств  обеспечивают формирование мембранных потенциалов (см. рис. 341).

4. Прочие  функции липидов. Некоторые липиды  выполняют в организме специальные  функции Стероиды, эйкозаноиды и  некоторые метаболиты фосфолипидов  выполняют сигнальные функции.  Они служат в качестве гормонов, медиаторов и вторичных переносчиков (мессенджеров) (см. с. 358), Отдельные липиды выполняют роль «якоря», удерживающего на мембране белки и другие соединения (см. с. 230). Некоторые липиды являются кофакторами, принимающими участие в ферментативных реакциях, например, в свертывании крови (см. с. 282) или в трансмембранном переносе электронов (см. с. 128). Светочувствительный каротиноид ретиналь играет центральную роль в процессе зрительного восприятия (см. рис. 347). Поскольку некоторые липиды не синтезируются в организме человека, они должны поступать с пищей в виде незаменимых жирных кислот и жирорастворимых витаминов (см. рис. 353).

 

липиды (жиры)

Биология  клетки и молекулярная биология Строение и функции клетки Липиды Биологические  молекулы каротиноид триглицерид фосфолипид

   Истинные  жиры тоже состоят из углерода, водорода и кислорода, но относительное  содержание в них кислорода  гораздо меньше, чем в углеводах.  По своей консистенции жиры  могут быть более или менее  твердыми или жидкими; некоторые из них, например говяжье или свиное сало, при комнатной температуре твердые, другие же, как, например, оливковое масло или жир из печени трески, являются жидкими. Каждая молекула жира состоит из одной молекулы глицерина и трех молекул жирной кислоты; все такие нейтральные жиры, называемые триглицеридами, содержат глицерин, но различаются между собой по входящим в их состав жирным кислотам.

   Жирные  кислоты представляют собой длинные  цепи из атомов углерода, имеющие  на одном конце карбоксильную  группу. Все природные жирные кислоты содержат четное число атомов углерода (в пальмитиновой кислоте их 16, в стеариновой 18). Жирные кислоты с одной или несколькими двойными связями называют ненасыщенными. Например, в олеиновой кислоте 18 атомов углерода и одна двойная связь (поэтому в ней на два атома водорода меньше, чем в стеариновой кислоте). Молекула тристеаринглицерида (C57H110O6) — жира, содержащегося в большом количестве в говяжьем сале, — состоит из трех молекул стеариновой кислоты и одной молекулы глицерина. Жиры, содержащие ненасыщенные жирные кислоты, при комнатной температуре обычно бывают жидкими, а насыщенные жиры, например тристеарин, — твердыми.

   Жиры  играют важную роль как источники  энергии и как структурные  компоненты клеток, особенно клеточных мембран. Гликоген и крахмал легко превращаются в глюкозу и используются в процессах обмена как источники энергии. Жиры дают в два с лишним раза больше энергии на 1 г, чем углеводы, и, таким образом, более экономичны как форма хранения запасов питательных веществ. Организм может превращать углеводы в жиры и сохранять запасы питательных веществ в этой форме (общеизвестно, что потребление крахмала и сахара способствует отложению жира в организме). Возможен, хотя и в незначительной степени, обратный процесс: превращение жиров или отдельных частей их молекулы в глюкозу и другие углеводы. Это было доказано в экспериментах: крысам или собакам скармливали или впрыскивали жирные кислоты или глицерин, меченные радиоактивным или тяжелым углеродом; затем выделили глюкозу из их крови и гликоген из печени и показали, что в молекулах этих веществ содержатся меченые углеродные атомы.

   Жиры  служат важными структурными  элементами организма. Они являются  существенными компонентами плазматической  мембраны, окружающей каждую клетку, а также ядерной оболочки; миелиновые оболочки нервных волокон тоже отличаются высоким содержанием липидов. У животных и человека жир откладывается в виде глобул в клетках жировой ткани. Слой этой ткани, лежащий непосредственно под кожей, служит для теплоизоляции, предохраняя организм от потери тепла. Женщины обладают в среднем более толстой подкожной жировой прослойкой, чем мужчины, и поэтому должны быть менее чувствительны к холоду. У китов, живущих в холодной воде и не имеющих волосяного покрова, развивается особенно толстый слой жира (ворвани) под кожей. Известное количество подкожного жира у человека необходимо не только для уменьшения потери тепла, но и для придания коже эластичности. Жировые отложения нельзя считать долговременными запасами питательных веществ, используемыми только в случае голодания; они непрерывно расходуются и восстанавливаются. Как показали исследования с мечеными жирными кислотами, у мышей за каждую неделю обновляется половина резервных жиров.

   Кроме  истинных жиров, состоящих из глицерина и жирных кислот, к группе липидов относится много жироподобных веществ, которые могут содержать, помимо жирных кислот, также фосфор, холин и сахара. Это фосфолипиды — важные компоненты растительных и животных клеток вообще и нервных клеток в особенности. Та часть молекулы фосфолипида, которая состоит из жирной кислоты, гидрофобна, т. е. нерастворима в воде. Другая часть, состоящая из глицерина, фосфата и азотистого основания (например, холина), ионизируется и легко растворяется в воде. Поэтому в тонкой пленке молекулы фосфолипидов стремятся расположиться так, чтобы их полярная водорастворимая часть была направлена в одну сторону, а неполярная цепь жирной кислоты — в другую. По-видимому, именно такое расположение их лежит в основе трехслойной структуры элементарной мембраны, состоящей из двух слоев белка и промежуточного двойного слоя фосфолипида.

   Растения  содержат красные и желтые  пигменты, называемые каротиноидами,  которые мы рассматриваем в  разделе о липидах потому, что  они тоже нерастворимы в воде и имеют маслянистую консистенцию. Каротиноиды встречаются в клетках всех растений, от самых примитивных до высших. Они играют некоторую роль в фототропизме — ориентации растений по направлению к свету. Молекула одного из обычных каротиноидов — каротина — построена из двух шестичленных углеродных колец, соединенных длинной цепью из атомов углерода, в которой чередуются одиночные и двойные связи. При расщеплении молекулы каротина на две половинки получается витамин А. Одно из производных витамина А, ретинен, содержится в клетках сетчатки глаза и обладает чувствительностью к свету. Под действием света ретинен претерпевает химическое изменение и таким образом участвует в первичном восприятии световых раздражителей. Поразительно, что фоторецепторы независимо выработались в процессе эволюции у трех различных групп животных — моллюсков, позвоночных и насекомых. У этих организмов не было общих предков, и, следовательно, их органы зрения имеют различное эволюционное происхождение. И тем не менее у представителей всех этих трех типов в процессе фоторецепции участвует одно и то же вещество — ретинен. В отличие от ряда других случаев наличие ретинена в глазу у перечисленных трех групп животных обусловлено не общностью их происхождения, а, вероятно, уникальной «приспособленностью» этого вещества для восприятия света.