Глава 17. Липиды

Общая характеристика липидов

Липидами называются органические соединения, в состав которых входят жиры и жироподобные вещества. Они обладают одним общим физическим свойством — нерастворимы в воде, но растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензоле, толуоле, спиртаx, ацетоне и др.). Липиды наряду с белками и углеводами составляют основную массу органического вещества клеток и тканей растений и животных. В различных органах и тканях человека и высших животных содержание липидов неодинаково. Больше всего их содержится в нервной ткани (20—25 %). Образуя комплексы с белками, углеводами и другими веществами, липиды являются структурными компонентами мембран (до 30 % в пересчете на сухую массу мембраны).

В составе липидов обнаружены стерины, насыщенные и ненасыщенные высшие жирные кислоты, альдегиды, кетоны, холестерин, азотистые основания, аминокислоты, углеводы, фосфорная кислота, глицерин. Эти разнообразные компоненты соединены в молекулах сложных липидов различными связями — простыми эфирными, сложно-эфирными, фосфодиэфирными и др.

Липиды играют важную роль в обеспечении организма энергией. Известно, что при окислении жиров выделяется в два раза больше энергии, чем при окислении такого же количества белков или углеводов. Являясь высокоэнергетическими соединениями, липиды используются организмом в качестве резервного материала. При избытке энергии усиливаются их синтез и накопление, при дефиците — использование их организмом.

Классификация липидов. Различают резервные (запасные) и конституционные (протоплазматические) липиды. Резервные липиды откладываются преимущественно в подкожной жировой ткани, сальнике, брыжейке, печени, мышечной ткани и составляют у человека около 10—15 % массы тела. Они представляют собой энергетический резерв организма, используемый по мере необходимости.

Конституционные липиды являются структурными компонентами цитоплазмы и изменяются в процессе жизнедеятельности очень мало, даже в случаях крайнего истощения организма.

По своему химическому составу и физико-химическим свойствам липиды делятся на простые и сложные.

К простым липидам относятся сложные эфиры различных спиртов и высших жирных кислот: жиры, стериды, воски.

В составе сложных липидов кроме остатков спиртов и высших жирных кислот содержатся и другие вещества (фосфорная и серная кислоты, азотистые основания, углеводы и др.). К сложным липидам относятся фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды.

Простые липиды

Жиры. В организме человека и животных жиры играют исключительно важную роль. Они имеют наибольший удельный вес по сравнению со стеридами и восками. В отдельных случаях в организме человека и некоторых животных количество жира составляет до 50 % их массы.

Жиры представляют собой эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. Их еще называют триглицеридами, или нейтральными жирами.

Глицерин является постоянной составной частью всех природных жиров. Кислоты же, входящие в состав жиров, разнообразны. Среди них имеются как насыщенные, так и ненасыщенные кислоты с одной или несколькими двойными связями.

Почти все жирные кислоты, входящие в состав жиров, содержат четное число атомов углерода и имеют неразветвленную углеводородную цепь. Чаще всего встречаются кислоты с 16 и 18 атомами углерода: предельные— пальмитиновая C₁₅H₃₁COOH и стеариновая С₁₇Н₃₅СООН; непредельные — олеиновая С₁₇Н₃₃СООН, линолевая C₁₇H₃₁COOH и линоленовая С₁₇Н₂₉СООН. Встречаются также и другие предельные кислоты: лауриновая С₁₁Н₂₃СООН и миристиновая С₁₃Н₂₇СООН.

В зависимости от количества остатков жирных кислот и места их расположения в молекуле глицеридов выделяют моно-, ди- и три-глицериды. Моно- и диглицериды являются неполными эфирами, в которых остаток глицерина связан лишь с одним или двумя остатками жирных кислот (R):

1-Моноглицерид 1,2-Диглицерид

Моно- и диглицериды встречаются, как правило, в незначительных количествах. Основная масса глицеридов в организме животных и человека представлена триглицеридами, т.е. производными глицерина, остаток которого связан с тремя остатками высших жирных кислот.

Обычно в молекулу природного жира входят остатки различных кислот. Таковы, например, триглицериды олеинодистеарин, содержащий один остаток олеиновой кислоты и два — стеариновой; олеинопальмитостеарин, содержащий остатки олеино-вой, пальмитиновой и стеариновой кислот:

Олеинодистеарин Олеинопальмитостеарин

Триглицериды, содержащие три остатка какой-либо одной жирной кислоты, встречаются очень редко.

Жиры широко распространены в животном и растительном мире. В составе жиров животного происхождения преобладают остатки на-сыщенных жирных кислот, поэтому они при температуре тела имеют твердую консистенцию. Такими жирами являются коровье масло, свиное сало, бараний и говяжий жиры и др. Жиры растительного происхождения содержат в своем составе преимущественно остатки ненасыщенных жирных кислот и являются при обыкновенной температуре жидкостями. Их называют маслами. Известны подсолнечное, оливковое, льняное, миндальное масла и др.

Биологическая роль жиров. Жиры — ценные продукты питания, поскольку выполняют ряд жизненно важных функций. Они являются важнейшим источником химической энергии (при окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии) и эндогенной воды в организме (при окислении 100 г жира образуется 107,1 г воды), что особенно важно для животных, обитающих в пустынях, или для тех, которые впадают в спячку. Жиры принимают участие в терморегуляции организма и защищают его от механических повреждений. Они являются также хорошими растворителями многих органических соединений, особенно жирорастворимых витаминов A, D, Е, К. Жиры, добываемые из печени тресковых рыб, применяют в медицине как источник витаминов А и D.

Ряд сложных липидов, образуя комплексы с белками, углеводами и другими веществами, входят в состав нашего тела как пластический материал. В процессе обмена веществ из липидов образуются многие биологически активные вещества: мужские и женские половые гормоны, желчные кислоты, простагландины и некоторые витамины.

Исследования последних лет показали, что липиды необходимы для обеспечения процессов активного транспорта веществ через биологические мембраны, передачи нервного импульса, биосинтеза белка, ферментативных процессов окисления и фосфорилирования.

Стериды — это сложные эфиры стеринов и высших жирных кислот (чаще всего — пальмитиновой). Стерины, или стеролы,— высокомолекулярные циклические спирты, производные циклопентанпергид-рофенантрена. Стерины и стериды широко распространены в природе. Они входят в состав клеточных мембран. Производными стеринов, являются многие гормоны, желчные кислоты, витамины группы D, алкалоиды, яды и другие вещества.

Наибольший интерес представляет холестерин и его производные — холестериды. Холестерин — это высокомолекулярный циклический одноатомный ненасыщенный спирт:

Циклопентанпергидрофенантрен (стеран)

Холестерин

В теле человека массой 70 кг содержится до 140 г холестерина, больше всего его в мозгу (2,60—3,20 %).

В коже человека содержится 7-дегидрохолестерин, из которого образуется витамин D₃:

Вески — группа простых липидов, молекулы которых содержат высшие спирты жирного ряда, сложные эфиры высших жирных кислот и жирных спиртов. Они распространены в животном и растительном мире. Воски животного происхождения — это пчелиный воск, ланолин, спермацет; растительного — карнаубский, церотиновый, монтановый воски.

Воски образуют защитную пленку на коже, шерсти животных, перьях птиц, покрывают листья и плоды высших растений, а также кутикулу наружного скелета у многих насекомых.

Сложные липиды

Фосфолипиды содержатся главным образом в клеточных мембранах и нервной ткани, в составе жировых отложений они обнаруживаются в очень небольшом количестве. Фосфолипиды, или фосфатиды, содержат в своем составе кроме сложных эфиров высших спиртов и высших жирных кислот также остатки фосфорной кислоты и азотистого основания.

В зависимости от природы спиртового остатка фосфолипиды делятся на две подгруппы: фосфатиды-глицериды и фосфатиды-неглицериды.

Фосфатиды-глицериды, или фосфоглицериды, так же, как и нейтральные жиры, содержат в молекулах в качестве спиртового компонента глицерин. Однако в отличие от жиров одна из первичных гидро-ксильных групп этого спирта соединена сложноэфирной связью с фосфорной кислотой. Поэтому данную группу фосфолипидов называют еще глицерофосфатидами.

Простейшим фосфоглицеридом является фосфатидная кислота. В ее состав входят остатки двух высших жирных кислот— одна насыщенная (R₁) и одна ненасыщенная (R₂), которая, как пра-пило, находится в положении 2, а также остаток фосфорной кислоты:

Фосфатидная кислота служит исходным веществом, из которого построены остальные глицерофосфатиды. В клетках фосфатидная кислота содержится в очень малых количествах, но является важным промежуточным продуктом в биосинтезе других фосфоглицеридов.

В наибольшем количестве в организме человека и высших животных и растений содержатся фосфоглицериды фосфатидилэтаноламин, фос-фатидилхолин и фосфатидилсерин.

Фосфатидилэтаноламин, или кефалин. Молекула этого фосфолипида представляет собой соединение фосфатидной кислоты с азотистым основанием этаноламином, или коламином НО—СН₂—СН₂—NH₂:

Фосфатидилэтаноламин входит в состав тканей головного мозга человека, печени крупного рогатого скота, желтка куриного яйца. С белками образует липопротеидные комплексы.

Фосфатидилхолин, или лецитин, построен аналогично фосфатидилэтаноламину, однако в его молекуле фосфатидная кислота связана с другим азотистым основанием — холином

НО—СН₂—СН₂—⁺N(CH₃)₃:

Много фосфатидилхолина содержится в тканях спинного и головного мозга, желтке куриного яйца, почках, легких и др. Входит в состав субклеточных мембранных структур (около 40—50 % общего количества фосфолипидов).

Фосфатидилсерин в качестве азотистого основания содержит аминокислоту серии НО—СН₂—СНNH₂—СООН:

Фосфатидилсерин входит в состав нервной ткани, печени, почек.

Между рассмотренными выше фосфатидами существует тесная взаимосвязь, так как азотистые основания, входящие в их состав, могут переходить друг в друга:

К группе фосфатидов-неглицеридов относятся сфингозин-фосфатиды, или сфингомиелины. Их молекулы образованы из остатков двухатомного ненасыщенного аминоспирта сфинго-аина, высших жирных кислот, фосфорной кислоты и холина:

Сфингомиелин

Высшие жирные кислоты в основном представлены стеариновой (50 %), а также лигноцериновой и нервоновой. Высоким содержанием сфингомиелинов отличаются нервная ткань, селезенка, легкие, почки.

Гликолипидами называют соединения, молекулы которых содержат липидный и углеводный компоненты, соединенные ковалентной связью. К гликолипидам принадлежат разнообразные по структуре соединения, содержащиеся в организмах животного, растительного и бактериального происхождения. Они выполняют как метаболические, так и структурные функции: входят в состав клеточных и внутриклеточных мембран, обладают антигенными свойствами.

В составе гликолипидов обнаружены представители всех основных классов моносахаридов: гексозы, аминосахара, дезоксисахара и т.д.

Цереброзиды по своему строению несколько напоминают сфингомиелины, но вместо фосфорной кислоты и холина содержат в молекуле остаток галактозы или глюкозы. Например, цереброзид нервон имеет следующее строение:

Цереброзидами богаты ткани мозга. В организме они выполняют структурную и метаболическую функции.

Ганглиозиды— большой класс гликолипидов очень сложного строения. Молекулы ганглиозидов имеют крупные размеры и содержат значительное количество углеводов. В их составе содержится в среднем 40—43 % галактозы, 21 % нейраминовой кислоты, 13% сфин-гозина, 23—26 % гексозаминов, глюкозы и стеариновой кислоты. Структура ганглиозидов сходна со структурой цереброзидов, однако вместо галактозы молекула ганглиозидов содержит сложный олигоса-харид.

Ганглиозиды являются структурными компонентами нейронов, обезвреживают яды, участвуют в проведении нервных импульсов.