IV. Липиды Классификация липидов

При последовательной обработке животных или растительных тканей органическими растворителями, например, хлороформом, бензолом или петролейным эфиром, некоторая часть материала переходит в раствор. Компоненты такой фракции называются липидами и являются молекулами, чьи свойства обусловлены водонерастворимым компонентом. Вследствие гетерогенности входящих в липидную фракцию компонентов, термин липидная фракция не является структурной характеристикой, а может рассматриваться только как лабораторное название фракции. Тем не менее, большинство липидов имеет некоторые общие структурные особенности, обуславливающие их важные биологические свойства и сходную растворимость.

Обычно выделяют три больших группы липидов, различающихся по химическому строению: простые липиды, сложные липиды и оксилипины. К группе простых липидов относятся жирные кислоты, жирные спирты и альдегиды, а также воска. Сложные липиды принято делить на нейтральные и полярные. К нейтральным относятся триглицериды, церамиды и эфиры стеринов, а в полярных липидах принято выделять фосфолипиды и гликолипиды. К оксилипинам относятся семейства соединений, образующиеся при оксигенировании полиненасыщенных жирных кислот.

Функции липидов

Липиды выполняют самые разнообразные функции в клетке. Во-первых, липиды наиболее важные из всех питательных веществ источник энергии и являются основным энергетическим резервом организма. В основном жир содержится в клетках в виде жировых капель, которые служат метаболическим «топливом». Липиды окисляются в митохондриях до воды и двуокиси углерода с одновременным образованием большого количества АТФ.

Во-вторых, некоторые липиды выполняют в организме специальные функции. Так, стероиды и некоторые метаболиты фосфолипидов выполняют сигнальные функции. Они служат в качестве гормонов и медиаторов. Отдельные липиды выполняют роль «якоря», удерживающего на мембране белки и другие соединения. Некоторые липиды являются кофакторами, принимающими участие в ферментативных реакциях, например, в свертывании крови или в трансмембранном переносе электронов. Светочувствительный каротиноид ретиналь играет центральную роль в процессе зрительного восприятия. Поскольку некоторые липиды не синтезируются в организме человека, они должны поступать с пищей в виде незаменимых жирных кислот и жирорастворимых витаминов.

В-третьих, ряд липидов принимает участие в образовании клеточных мембран. Типичными мембранными липидами являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерин. Следует отметить, что мембраны не содержат жиров.

И, наконец, липиды являются совершенным изолирующим материалом. 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.

Простые липиды

Жирные кислоты

В настоящее время известно более 800 природных жирных кислот. Жирные кислоты или алифатические кислоты представляют собой многочисленную группу исключительно неразветвлённых одноосновных карбоновых кислот с открытой цепью. Название «жирные кислоты» определяется химическими свойствами данной группы веществ, основанными на присутствии в их структуре карбоксильной группы.

Природные жирные кислоты по степени ненасыщенности условно разделяются на три группы. Жирные кислоты могут быть насыщенными (только с одинарными связями между атомами углерода), мононенасыщенными или моноеновыми (с одной двойной связью между атомами углерода) и полиненасыщенными или полиеновыми (с двумя и более двойными связями через CH₂-группу). Они различаются по количеству углеродных атомов в цепи, а также в случае ненасыщенных кислот по положению, конфигурации (как правило цис-) и количеству двойных связей. Жирные кислоты можно условно поделить на низшие (до семи атомов углерода), средние (восемь - двенадцать атомов углерода) и высшие (более двенадцати атомов углерода). Структурные формулы для двух жирных кислот (пальмитиновой и линоленовой) показаны на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. Химическая структура насыщенной пальмитиновой кислоты (CH₃–(CH₂)₁₄–COOH), содержащей 16 атомов углерода. Молекула не имеет двойных связей (вверху). То же для полиненасыщенной линоленовой кислоты (CH₃–(СH=CH)₃(CH₂)₁₀–COOH), содержащей 18 атомов углерода. Молекула имеет три двойные связи в cis конформации (их положение отмечено стрелками) (внизу). Красным цветом показан кислород, черным – углерод, белым – водород

Карбоновые кислоты, начиная с масляной кислоты (С4), считаются жирными, в то время как жирные кислоты, полученные непосредственно из животных жиров, имеют в основном восемь и больше атомов углерода (например, каприловая кислота). Для синтеза жирных кислот необходим кофермент ацетилирования  кофермент А. С этим ферментом (сокращение название КоА) связан ряд биохимических реакций, лежащих в основе окисления жирных кислот, биосинтеза жиров, а также окислительных превращений продуктов распада углеводов. Во всех случаях КоА действует в качестве промежуточного звена, связывающего и переносящего кислотные остатки на другие вещества. На рисунке 6.2 мы приводим химическую и пространственную структуру КоА, играющую исключительно важную роль в цепи биохимических реакций организме.

Рис. 6.2. Химическая (слева) и пространственная (справа) структура КоА. Красным цветом показан кислород, черным - углерод, белым – водород, синим – азот, желтым – сера, оранжевым – фосфор

Некоторые жирные кислоты относятся к классу незаменимых. Под ними понимаются те жирные кислоты, которые не могут быть синтезированы в организме. Для человека незаменимыми являются кислоты, содержащие, по крайней мере, одну двойную связь на расстоянии более девяти атомов углерода от карбоксильной группы. Примерами таких кислот являются линолевая, α-линолевая и арахидоновая кислоты (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Незаменимые жирные аминокислоты. Обозначения под каждой аминокислотой даны в тексте

На примере этих трех кислот объясним сокращенные химические формулы, используемые в химии липидов. Для линолевой кислоты формула выглядит как 18:2; Δ^9,12. Первая цифра означает общее число атомов углерода в соединении, 18; вторая  число двойных связей в молекуле, 2; третья цифра Δ^9,12 означает их расположение по цепи, отсчитываемое от карбоксильного углерода. Иногда значок Δ опускается. Сами двойные связи показаны в виде двойной линии. Ломаная линия означает CH₂ группы.

Одно структурное замечание. Все важные в питательном отношении жиры имеют так называемую cis химическую конфигурацию. То есть, атомы водорода, расположенные над атомами углерода, находятся по одну сторону в молекулярной структуре. По причине их небольшого электрического заряда атомы водорода отталкивают друг друга и создают изломы в углеродной цепочке (рис. 6.3). Эти изломы играют существенную роль в молекулярной структуре, так как делают возможным осуществление специальных биологических функций жиров. Эта принципиально важная cis конфигурация разрушается при технологической обработке, включающей подогрев, гидрогенизацию, обесцвечивание и деодорирование. Поэтому так важно для питания организма употреблять в пищу природные жиры, например, всем известное сало, или использовать специальные вещества, как, например, рыбий жир.

Жирные спирты и альдегиды

Жирные спирты  относятся к специфическому типу липидов. Это высокомолекулярные спирты, содержащие 1-3 гидроксильные группы. Спирты, содержащие больше трех гидроксильных групп, считаются родственными углеводам, хорошо растворяются и поэтому не входят в категорию липидов. Характерными представителями жирных спиртов являются цетиловый спирт C₁₆H₃₃OH, ради получения которого ведется промысел кашалотов, и мирициловый спирт С₃₁Н₆₃ОН, который в связанном виде содержится в пчелином воске. К ним же относится широко известный холестерин, структура которого показана на рисунке 6.4.

Рис.6.4. Химическая (слева) и пространственная (справа) структуры холестерина или холестерола. Общая формула C₂₇H₄₆O. Красным цветом показан кислород, черным – углерод, белым – водород

Важной особенностью строения холестерола является наличие четырех кольцевых групп, что позволяет отнести его к классу простых стероидов – стартовой системы для синтеза всех других стероидов. Холестерол также является составной частью клеточных мембран.

К жирным альдегидам относятся высокомолекулярные альдегиды с общей формулой CH₃(CH₂)·nCHO, где n изменяется чаще всего от 6 до 20. Принято различать короткоцепочечные альдегиды и длинноцепочечные (от 16 до 36 углеродов). Пример типичного представителя длинноцепочечного жирного альдегида  пальмитальдегид (гексадеканал) с 16 атомами углерода показан на рисунке 6.5.

Рис. 6.5. Химическая формула пальмитальдегида (гексадеканал)

Воска

Воска  распространённые в растительном и животном мире сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатомных или двухатомных спиртов с числом углеродных атомов от 16 до 22. Они очень устойчивы, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в бензине, хлороформе, эфире. По происхождению воска можно разделить на животные: пчелиный вырабатывается пчёлами; шерстяной (ланолин) предохраняет шерсть и кожу животных от влаги, засорения и высыхания; спермацет: добывается из спермацетового масла кашалотов. Растительные воска покрывают тонким слоем листья, стебли, плоды и защищают их от размачивания водой, высыхания, вредных микроорганизмов; ископаемый воск (озокерит) состоит главным образом из предельных углеводородов.

Фосфолипиды

Фосфолипиды относятся к сложные липидам, в которых содержатся жирные кислоты, фосфорная кислота и дополнительная группа атомов, во многих случаях содержащая азот. Фосфолипиды — амфифильные вещества. Они состоят из полярной «головки», в состав которой входит глицерин или другой многоатомный спирт, отрицательно заряженный остаток фосфорной кислоты и часто несущая положительный заряд группа атомов, и двух неполярных «хвостов» из остатков жирных кислот. Примером такого липида является фосфатидилхолин (лецитин) (рис. 6.9). В нем одна из трех гидроксильных групп глицерина (обозначен розовым) связана с фосфорной кислотой (зеленый), которая, в свою очередь, соединена эфирной связью с азотистым основанием холином (красный). Таким образом, в этой молекуле соединены высшие жирные кислоты (синий) глицерин, фосфорная кислота и холин.

Рис. 6.9. Структура фосфатидилхолина

Главная особенность фосфолипидов состоит в том, что «головка» у них гидрофильна, а «хвосты» гидрофобны. При нахождении в толще воды образуется бислой  двойной слой фосфолипидных молекул, где гидрофильные головки с обеих сторон соприкасаются с водой, а гидрофобные хвосты упрятаны внутрь бислоя и, тем самым, защищены от контакта с водой (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Бислой из двух слоев фосфолипидов (слева), липосомы (в центре) и мицеллы (справа)

Такая ориентация молекул в бислоях определяет многие физические и химические свойства фосфолипидов, например, способность формировать липосомы. Липосо́мы (греч. lipos жир + sōma тело) – искусственно создаваемые встряхиванием замкнутые везикулы, состоящие из одной (моноламеллярные) или многих (мультиламеллярные) липидных бимолекулярных мембран. Липосомы обычно получают из фосфолипидов, молекулы которых в водной среде самопроизвольно образуют замкнутые структуры. В зависимости от методов получения липосом их размеры варьируют от 25-50 нм до нескольких микрометров. Вначале липосомы использовались только как модели биологических мембран. В дальнейшем было установлено, что их можно использовать как молекулярные контейнеры для направленной доставки разнообразных лекарственных препаратов в различные органы и ткани. Встраивая в липосомы фрагменты плазматических или внутриклеточных мембран, различные белки или ферментные комплексы, можно изучать механизмы генерации энергии в клетке, межклеточные взаимодействия, транспорта воды и различных веществ через мембраны, а также механизмы взаимодействия с мембранами различных лекарственных препаратов.

Гликолипиды

Гликолипиды – (от греч. γλυκός, glykos – сладкий и греч. λίπος, lípos – жир) сложные липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами. У гликолипидов имеются полярные «головки» (углевод) и неполярные «хвосты» (остатки жирных кислот). Благодаря данному свойству, вместе с фосфолипидами гликолипиды входят в состав клеточных мембран. Гликолипиды представлены в нервной ткани, в частности в ткани мозга. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводые компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности. Гликолипиды построены из двухатомного насыщенного спирта сфингозина, остатка жирной кислоты с 24 атомами углерода, олигосахарида (6-атомного углевода  галактозы или глюкозы) и сиаловой кислоты. Заметим, что в них отсутствует фосфатная группа. К наиболее простым представителям этой группы веществ относятся галактозилцерамид и глюкозилцерамид (так называемые цереброзиды). Соединения с сульфогруппой на углеводных остатках носят название сульфатидов. Ганглиозиды – представители наиболее сложно построенных гликолипидов. Характерной особенностью ганглиозидов является наличие остатков N-ацетилнейраминовой кислоты.