Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

ГЛАВА IX

ЛИПИДЫ И их ОБМЕН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЛШIИДОВ

клипидам относят природные органические соединения, не растворимые

вводе, но растворимые в жирорастворителях (бензин, петролейный эфир,

серный эфир, ацетон, хлороформ, сероyrлерод, метиловый и этиловый спирты

и т. п.), являющиеся производными высших жирных кислот и способные

утилизироваться живыми организмами.

Название одной из rpупп липидов, а именно-жиров (от греч. лunос­

жир) взято для обозначения класса в целом. Липиды-сборная группа ор­

ганических соединений и поэтому не имеют единой химической характеристи­

ки. Однако в известной мере их можно рассматривать как класс органических соединений, большинство из которых принадлежит к сложным эфирам MHoro- атомных или специфически построенных спиртов с высшими жирными кисло­

тами. В зависимости от состава, строения и роли в организме сложилась

следующая классификация липидов.

1. Простые JЦППЩN представлены двухкомпоненmыми веществами-слож­

ными эфирами высших жирных кислот с глицерином, высшими или полицикли­ ческими· спиртами. Сюда относятся: жиры (тршлицериды)-сложные эфиры

высших жирных кислот и тpexaToMHoro спирта-глицерина; воски-слож­

ные эфиры высших жирных кислот и высших спиртов; стервды-сдожные

эфиры высших жирных кислот и ПОЛИЦИICЛИЧеских спиртов -стеролов.

2. Сложные JJипвды имеют многокомпонентные молекулы, компоненты которых соединены химическими связями различного шпа. К ним принад­

лежат: фосфоJIIпIIIды' состоящие из остатков высших жирных кислот, глицери­ на или других многоатомных спиртов, фосфорной кислоты и азОТИCThIх

оснований той или иной природы; ГJIИКOJIВПИЦЫ, включающие В свой состав

наряду с многоатомным спиртом и высшей жирной кислотой тахже yrлеводы.

В последнее время открыты две новые группы липидов, в составе которых

представлены и простые и сложные лиПИдЫ. К ним оmосятCJI: диольные

JIНIТR,цы-простые и сложные эфиры двухатомных спиртов с высшими спирта­

ми и высшими жирными кислотами, содержащие в ряде случаев фосфорную

кислоту, азотистые основания и yrлеводы; орнитиноJJипвды, построенные из

остатков высших жирных кислот, аминокислоты орнитина (или лизина)

и включающие в некоторых случаях двухатомные спирты.

Простые и сложные липиды легко омьшяются. Однако в суммарной фрак­

ции липидов, выделенной из природного материала экстракцией жирораст­

ворителями, всегда присутствуют вещества, обладающие такой же раство­

римостью, как·и ЛИПИДЫ, но не способные омыляться. Они назьшаются неомыляемой фракцией JIИIlИдов. В ее состав входят свободные высшие жирные

кислоты, вЫСшие спирты и полициклические спирты (стеролыI,. про~зводные

стеролов-стероиды, жирорастворимые витамины, высшие гомологи пре-

370

Рис. 120. Модель структурной орrанизации внутриклеточной мембраны

дельных углеводородов и другие соединения. Это дало повод некоторым авторам рассматривать неомылемую фракцию липидов как одну из групп липидов. Однако для такого расширения границ класса ЛИПИЦОВ нет достаточ­

ных оснований.

из указанных веществ жиры, стериды, фосфолипиды и диольные липиды

распространены повсеместно, их участие в построении клеточных структур

и в -биохимических процессах весьма велико. Воски представляют в этом смысле менее важную группу соединений. Долгое время считали, что гликоли· ПИДЫ присутствуют только В нервной ткани, однако впоследствии их нашли в хлоропластах растений. Орнитинолипиды присущи микроорганизмам.

липиды обладают способностью образовыватьсо многимидругими органиче-

,скими соединениями (особенно с высокомолекулярными-белками, углеводами)

комплексы, которым внастоящее времяпридают большоезначение в осуществле­ нии ряда важнейших биохимических функций. В виде таких комплексов, особенно

с белками, липиды входят в состав цитоплазматических мембран, субклеточных

частици бактериальных мембран. Так, в Ядрах клеток липиды составляютоколо

15% отсухого вещества, в митохондриях- - 20, в эндоплазматическом ретикулу­

ме- -30 и В гиалоплазме- -10%. Только в гиалоплазме в составе липидов

преобладают триглицериды (-70%), тогда как в остальных субклеточных

элементах более 90% riриходится на фосфолипиды, стериды и гликолипиды. Широко известно значение липидов, особенно жиров, как субстратов для

окисления и обеспечения организма энергией: при распаде 1 г жира до COz

371

и И2О ее выделяется 38,9 кДж, тогда как при распаде 1 г углеводов или

белков-всего 16,1 кДж. Естественно, что при окислении липидов возникают

метаболиты, широко вовлекаемые в биосинтез других соединений (см. гл. XIII). Важнейшей функцией липидов является также структурная. Образуя матрикс мембран в виде двойных ЛИПИДных слоев, липиды являются основой

любой биологической мембраны. Из рис. 120 видно, что лилидный бислой

образует ее самую существенную часть, составляя от 15 до 50% ее сухого

вещества. Перечисленные ФУНКЦИИ липидов (энергетическая, запасная, постав­

щика метаболитов и структурная) получили название канонических.

Благодаря участию в деятельности мембранного аппарата клетки реализу­

ются такие важнейшие биологические функции липидов, как регуляция дея­ тельности ряда гормонов и активности ферментов (сейчас известно несколько сотен липидзависимых ферментов), влияние на процессы транспорта метабо.;

литов и макромолекул, контроль реакций биологического окисления и энерге­

тического обмена, связь с репликацией ДИК и ее матричной активностью,

компартментализация обменных процессов в клетке вплоть до формирования

мембранных машин (хлоропластов, митохондрий), участие в межклеточных

взаимодействиях (особенно в эмбрио- и онтогенезе), обеспечение молекуляр­ ной памяm и пиктографИ'lеского механизма записи информации. Перечислен­

ные функции липидов характеризуют как неканонические. За выяснение неко­

торых из них большой группе советских ученых (Е. М. Крепс, л. Д. Бергель­

сон, Р. п. Евстигнеева и др.) в 1985 г. присуждена Государственная премня. Свойства мембран как надсистем регуляции клеточного метаболизма, их

конформационные перестройки, изменение их вязкости зависят от соотноше­

ния различных видов липидов в мембране, степени окисленности последних, ·состояния межмембранного и внутримембранного переноса липидов и т. п.

Все названные явления столь важны для понимания процессов жизнедеятель­

ности, что биохимия мембран постепенно перерастает в биологию мембран, объясняющую ряд фундаментальных закономерностей в развитии организма.

ПРОСТЫЕ ЛИПИДЫ

Жиры. Жиры исключительно широко распространены в природе: они входят в состав организма человека, животных, растений, микробов и даже некоторых вирусо~. Содержание их в некоторых биологических объектах, тканях и органах достигает 90%.

Термин жиры употребляют в двух смыслах. Те вещества, которые называют

жирами в обыденной жизни (говяжий жир, сливочное масло и т. п.), не

представляют химически определенных соединений, так как сложены из многих

составляющих: смесей различных триглицеридов, свободных высших жирных

КИСЛОТ, пигментов, ароматических соединений, а часто и клеточных структур.

В этом смысле, следовательно, жир представляет понятие более морфологиче­

ское или технологическое. В частности, растительные жиры принято назьшать

маслами, а морфологически обособленные жиры животных-салом. Из раз­

ных источников выделено свыше 600 различных видов жиров, среди которых насчитывается 420 видов жиров растительного происхождения, 80 видов жиров

сухопутных животных и более 100 видов жиров обитателей водоемов.

С точки зрения состава под жирами подразумевают строго определенные соединения, а именно: сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного

спирта-глицерина.

В связи С этим химики предпочитают употреблять название трШ'лицервды: (формулы триглицеридов см. ниже).

372

В составе природных триглицеридов найдено более пяmсот органических кислот, и список их расширяется с каждым годом. Среди них большая доля

принадлежит высшим жириым монокарбоновым кислотам, т. е. кислотам с чис­

лом углеродных атомов в молекуле, равным 16 и более. Высшие органические

кислоты, обнаруженные в триглицеридах, часто содержат двойные связи и ок­

сигруппы В углеводородном радикале. В табл. 25 приведен список, формулы и температуры плавления кислот, наиболее часто встречающихся в составе

жиров.

З73

Как видно из данных таблицы, в составе природных жиров вначале бьши

найдены почти исключительно кислоты нормального строеНИJI с четным числом

углеродных атомов в молекуле. Лишь изовалериановая кислота, обнаружен­

ная в жире печени дельфина, имела нечетное число атомов углерода и развет­

вленную цепь.

В последнее время разработаны новые высокоэффективные методы раз­

деления (тонкослойная и газовая хроматография) и установления структуры

(инфракрасная спектрофотометрия) высших жирных кислот. В результате

в составе натуралрных жиров обнаружен ряд новых представителей высших

жирных КИСЛОТ-ЦИКJIНческих, с нечетныM числом атомов углерода и развет­

вленным углеродным скелетом. Последние, в частности, резко понижают тем­

пературу плавления жиров, обладают антибиотичесIЩМИ свойствами и видо­

вой специфичностью. Одним из представителей их является, например, мико­

левая кислота, выделенная из туберкулезных бактерий:

~74

Наиболее часто и в наибольшей пропорции в природных жирах встречается олеlDlован кислота (в большинстве жиров ее более 30%), а также пальмитиво­

ван кислота (от 15 до 50% в большинстве случаев). Поэтому олеиновую

ипальмитиновую кислоты относят к категории главных жирных КИСЛОТ,

содержащихся в жирах. Остальные жирные кислоты присутствуют в природ­

ных жирах, как правило, в небольшом количестве (несколько процентов)

илишь в пекоторых видах природных жиров их содержание измеряется

десятками процентов. Так, масляная и капроновая кислоты хорошо представ­

лены в некоторых жирах животного происхождения, а каприловая и кап­

риновая кислоты - в кокосовом масле. Лауриновой кислоты много в лав­ ровом масле, миристиновой-в масле мускатного ореха, арахиновой, бегено­ вой и лигноцериновой- в арахисовом и соевом маслах. Полиеновые высшие

жирные IQIслоты-линолевая и линоленовая-составляют главную часть

льняного, конопляного, подсолнечного, хлопкового и некоторых других рас­

тительных масел. Стеариновая кислота содержится в значительном количестве

(25% и более) в некоторых твердых животных жирах (жир баранов и быков) и маслах тропических растений (кокосовое масЛD).

Животные и растительные жиры отличаются некоторыми особенностями.

Животные жиры более разнообразны по набору высших жирных кислот,

входящих в их состав. В частности, среди последних чаще встречаются высшие

жирные кислоты с числом углеродных атомов от 20 до 24. В составе рас­

тительных жиров очень высока доля ненасыщенных высших жирных кислот (до 90%), и из предельных лишь пальмитиновая кислота содержится в них в ко­

личестве 10-15%.

Среди триглицеридов различают простые и смешанные. Первые являются

сложными эфирами глицерина и одной из высших кислот, например:

Вторые построены из остатка глицерина и остатков разных высших жир­

ных кислот:

СН2-О-СО--{СН2)~Н=СН-{СН2),-енз СНг-О-СО--{СН2)16-СНз

Пальмитостеароолеив ПальмитодистсарllВ

в природных жирах, представляющих собой смеси разнообразных три­

глицеридов, доля простых триглицеридов незначительна, тогда как процент­

ное содержание смешанных триглицеридов может быть очень высоким. Так, из 8 различных триглицеридов, найденных в составе свиного сала, лишь

1% приходится на долю трипальмитина и 3% -триолеина. Остальные шесть триглицеридов свиного жира являются смешанными, из них преобладают

пальмитодиолеин (53%) и пальмитостеароолеин (27%). В кокосовом и паль­ мовом маслах найдены стеародипальмитин, олеодипальмиmн, миристоди­

пальмитин, миристодилаурин, пальмитодимиристин и лауродимиристин. Та­ ким образом, природные жиры, выделенные из того или иного объекта,

375

кислоты, температура плавле­

ния триглицерида низкая и при обычных условиях он жидкий.

Такую же зависимость можно обнаружить у натуральных жиров: при

наличии преимущественно насыщенных триглицеридов в составе жира темпе­

ратура плавления последнего высокая, ненасьпЦенных-низкая. Бараний жир,

например, имеет температуру плавления примерно на 100 С выше, чем свиной,

потому что в нем содержится на несколько процентов меньше пальмитодиоле­

ина (46 и 53% соответственно) и больше олеодипальмитина (13 и 5% соот­ ветственно). Низкая температура плавления многих растительных масел нахо­

дится в полном СООтветствии с весьма значительным содержанием непредель­

ных кислот в составе их триглицеридов. Например, триглицериды жидкого

при обычных условиях подсолнечного масла (tпл= - 21 о С) включают 39%

олеиновой и 46% линолевой кислоты, тогда как твердое расmтельное масло бобов какао (tпл= 30 - 340 С) имеет в своем составе 35% пальмитиновой и 40%

стеариновой кислот.

Триглицериды образуют оптические и геометрические изомеры, так как во

многих случаях обладают асимметрическим углеродным атомом в остатке

глицерина и одной или несколькими двойными связями в радикалах кисло­

тных остатков. Многочисленные комбинации, которые могут осуществляться

за счет перестан(')вки ацильных группировок в смешанных трйглицеридах,

дают начало семействам структурных изомеров. Характерно, что непредель­

Нbre высшие жирные кислоты в триглицеридах находятся, как правило, в цвс­

конфигурации, что сказывается на форме молекулы (рис. 121).

Таким образом, в природе потенциально может существовать громадное

число индивидуальных триглицеридов, чем обеспечивается их видовая и иная

специфичность. Однако, как обстоит дело в действительности, неизвестно: проблема пространственной изомерии и видовой специфичности жиров почти

не изучена.

Воски. Воски-группа простых липидов, являющихся сложными эфирами

высших спиртов и высших монокарбоиовых кислот. Натуральные воски кроме упомянутых сложных эфиров содержат некоторое количество свободных

высших спиртов и высших кислот, а также немного углеводородов всегда

с нечетным числом углеродных атомов (от 27 до 33) и красящих и душистых

веществ. Общее количество этих примесей может достигать 50%. Воски

встречаются как в животном, так и в растительном царстве, где вьmолняют

главным образом защитные функции. Так, в растенИях они покрывают тонким

376

слоем листья, стебли и плоды, предохраняя их от смачивания водой и про­ никновения микроорганизмов. От качества воскового покрытия зависят,

в частности, сроки хранения фруктов. Под покровом из пчелиного воска хранится мед и развиваются личинки пчелы. Другие виды животного воска

(ланолин) предохраняют волосы и кожу от действия воды. Все воски пред­

ставляют собой твердые вещества разнообразной окраски-чаще всего жел­

той или зеленоватой (в зависимости от происхождения); температура их плавления-от 30 до 900 с. В составе восков найдены как в свободном состоянии, так и в виде сложных эфиров иесколько десятков высDIИX жириых

кислот и спиртов. Вот некоторые из них:

Впчелином воске и воске, покрывающем поверхность листьев растений

ифруктов, найдены спирты и кислоты с 32 и 34 атомами углерода в молекуле.

Один из видов японского воска содержит в своем составе дикарбоновые

высшие кислоты. В составе рыбьего и китового жира обнаружены непредель­

ные высшИе спирты-олеиловый и др. Непредельные кислоты в восках встре­

чаются сравнительно редко.

Спермацет-воск животного происхождения, добываемый из спермацето­

вого масла черепных полостей кашалота путем вымораживания и отжимания,

состоит в основном (на 90%) на пальмитиновоцетилового эфира:

СНз-(СН2)14-СО-О-СН2-(СН2)14-СНЗ. Спермацет- твердое веще­ ство, его tпл=41-490 с.

Фракция, оставшаяся после выделения спермацета из спермацетового мас­

ла кашалота, представляет жидкий воск. Он состоит из смеси жидкого оле­ иново-олеилового эфира: СНЗ-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СО-О-СН2- -(СН2),-СН СН-(СН2)7-СНЗ с другими жидкими эфирами, компо­

нентами которых являются либо олеиновая кислота, либо олеиловый

спирт.

В пчелином воске преобладает пальтимитиново-мирициловый эфир:

СНЗ-(СН2)14-СО-О-СН2-(СН2)2S-СНЗ. ДЛЯ него характерно также

равна 62-700 с.

Воск пальмы Copernicia cerifera, произрастающей в Бразилии, называемыи карнаубским воском, является в основном церотиново-мирициловым эфиром:

СНЭ-(СН2)24-С0-0-СН2-(СН2)2S-СНЭ. Карнаубский воск-вещество желтовато-сеРого цвета, покрывающее листья пальмы. Он защищает растение

от потери влаги.

377

Экстракцией органическими растворителями бурого угля или торфа уда€!тся

выделить моитанный воск, в состав которого входят монтановая кислота и ее

эфиры (/пл=72-740 С).

Воски более устойчивы к действию света, окислителей, нагреванию и дру­ mM физическим воздействиям, а также хуже гидролизуются, чем жиры. Извес­

тны случаи, когда пчелиный воск сохранялся тысячелетиями. Именно поэтому

воски вьmолНЯlOТ в организме защитные функции.

Стериды. Большую группу простых липидов составляют стериды-слож­ ные эфиры специфически построенных циклических спиртов (стеролов) и выс­

ШИХ жирных кислот. Стериды образуют омыляемую фракцию липидов.

В природе гораздо более широко, чем стериды, представлена фракция неомыляемых, свободных стеролов и родственных им соединений. Так, в ор­ ганизме человека лишь 10% стеролов этерифицировано и находится в виде стеридов, а 90% свободно и образует неомыляемую фракцию. Соотношение

стеролов и стеридов в разных тканях и жидкостях организма различно: печень

содержит их поровну, а в желчи содержатся только свободные стеролы.

Стеролы построены довольно сложно. В основе их молекулы лежит цикли­ ческая группировка атомов, состоящая из восстановленного фенантрена (пол­ ностью восстановленный фенатрен называют пергидрофенантреном) и цикло­

пентана. Эта циклическая группировка называется циклопентанопергидрофе­

нантреном или стераиом. Стеран, несущий боковую цепь углеродных атомов и две СИз-группы (при lО-м И lЗ-м углеродных атомов цикла), назьmают

холестаиом:

\

Углеродные атомы в этих углеводородах обозначают исходя из нумердции,

принятой для фенантрена (1-14-й атомы углерода); затем нумеруют четвер­

тый цикл и только после этого переходят к нумерации атомов углерода

в боковых цепях. Циклы принято обозначать прописными буквами латинского алфавита.

Будучи окислен в положении 3 (кольцо А), холестан превращается в поли­

циклический спирт-холестаиол, дающий начало классу стеролов:

хо ~естаиоn

Однако не следует думать, что в природе стеролы возникают при восста­ новлении фенантрена. Выяснено, что их биосинтез идет путем циклизации

378

DОJIВВ:Юпревовдов, которые, по существу, и ЯВЛЯЮТСJl (см. ниже) предшествен­

никами стеролов.

·Характерное ядро холестанола повторяется во всех стеролах с незначи­ тельными вариациями. Они сводятся либо к возникновению между 5-6-м

и 7-8-м атомами углерода кольца В или 22-23-м атомами углерода

боковой цепи двойных связей, либо к появлению в положении 24 (в бо­

ковой цепи) радикала, который может иметь строение-СНз;=СН2;

-С2Нs;=СН-СНз и т. п. Ниже приведены формулы наиболее важных

природных стеролов:

ЭрсUCJераа

Фу.аст6pQII

Холестерол (от греч. холе-желчь) является основным стеролом живот­

ных и человека, т. е. относится к разряду зоостеролов. Эргостерол характе­

рен для грибов. Ситостерол и ствгмастерол типичны для растений (фитосте­ ролы): первый содержится, например, в соевом масле, а второй-в масле

зародышей семян пшеницы. Фукостерол обнаружен у бурых водорослей.

Наличие того или иного стерола часто специфично ДЛЯ определенного класса

или семейства животных или растений. Например, губки содержат ряд

уникальных стеролов с 28 и 29 атомами углерода в молекуле, а морские звезды и голотурии-сщщифические стелластеролы. Замечено, что чем при­ митивнее организм, тем более разнообразный набор стеролов для него

характерен. Человеку свойствен только один-холестерол. В настоящее

время известно более 60 зоостеролов и почти 140 фитостеролов (А. Кульман,

1989).

379