Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Биохимия липидов
Характеристика классов липидов

В зависимости от особенностей молекулярного строения жиры, входящие в состав организма человека, разделяют на следующие основные классы: нейтральные жиры, фосфолипиды, гликолипиды, стероиды (стерины и стериды).

Характерным структурным компонентом большинства липидов являют­ся жирные кислоты, в которых запасается большая часть энергии, выделя­ющаяся при их окислении. В свободном виде в организме они появляют­ся после ферментативного гидролиза триглицеридов или их биосинтеза в жировой ткани печени.

Жирные кислоты

Жирные кислоты — органические кислоты с длинной углеводородной цепью (радикалом R), содержащей от 4 до 24 и более атомов углерода, и одной карбоксильной группой. Общая формула жирных кислот имеет вид С_nН2_n+1-СOOН, или R-COOH.

Для многих жирных кислот характерно наличие четного числа атомов углерода, что обусловлено, по-видимому, их синтезом путем прибавления двууглеродных звеньев к растущей углеводородной цепи.

В состав жиров организма человека чаще всего входят жирные кисло­ты с 16 или 18 атомами углерода, которые называются высшими жирны­ми кислотами. Высшие жирные кислоты разделяются на насыщенные предельные) и ненасыщенные (непредельные). Основные из них пред­ставлены в табл. 16.

ТАБЛИЦА 16. Высшие жирные кислоты

В насыщенных жирных кислотах все свободные связи углеродных атомов заполнены водородом. Такие жирные кислоты не имеют двойных или тройных связей в углеродной цепи. Ненасыщенные жирные кислоты имеют в углеродной цепи двойные связи первая из которых возникает между девятым и десятым атомами углерода от карбоксильной группы.

Жирные кислоты с тройными связями встречаются редко. Жирные кислоты, содержащие две и более двойных связей, называются полинена­сыщенными. Примером насыщенной жирной кислоты может служить стеа­риновая кислота, а ненасыщенной, имеющей одну двойную связь, — олеи­новая, что видно из их пространственной модели и структурной формулы:

Из насыщенных высших жирных кислот в организме человека чаще дру­гих встречаются пальмитиновая (С₁₆) и стеариновая (С₁₈), а из ненасыщенных — олеиновая (С₁₈), линолевая (С₁₈), линоленовая (С₁₈) и арахидоновая (С₂₀).

С увеличением числа углеродных атомов в молекулах жирных кислот температура их плавления увеличивается. Жирные кислоты могут быть твердыми веществами (например, стеариновая) либо жидкими (например, линолевая, арахидоновая); они не растворимы в воде и весьма слабо рас­творимы в спирте.

Ненасыщенные жирные кислоты более реакционноспособны, чем на­сыщенные. Они легко присоединяют два атома водорода или галогенов (йод, хлор) по месту двойных связей, превращаясь в насыщенные:

Этот процесс называется гидрогенизацией. Вещества, подвергнутые гидрогенизации, изменяют свои свойства. Например, растительные масла превращаются в твердый жир. Реакция гидрогенизации широко использу­ется для получения твердого пищевого жира — маргарина из жидких рас­тительных масел.

Особое значение для человека имеют полиненасыщенные жирные кислоты. В организме они не синтезируются. При непоступлении их с пи­щей нарушается обмен жиров, в частности холестерина, наблюдаются па­тологические изменения в печени, коже, функции тромбоцитов. Поэтому такие ненасыщенные жирные кислоты, как линоленовая и линолевая, — незаменимые факторы питания. Кроме того, они способствуют выходу из печени жиров, которые синтезируются в ней, и предупреждают ее ожи­рение. Такое действие ненасыщенных жирных кислот называется липотропным эффектом. Ненасыщенные жирные кислоты служат предшествен­никами синтеза биологически активных веществ — простагландинов. Су­точная потребность человека в полиненасыщенных кислотах в норме сос­тавляет примерно 15 г.

Нейтральные жиры

К нейтральным жирам относится группа липидов, состоящих из трехатом­ного спирта — глицерина и трех остатков жирных кислот, поэтому они на­зываются триглицеридами, например трипальмитин:

В состав нейтральных жиров могут входить одинаковые жирные кис­лоты, например пальмитиновая. В таком случае образуется триглице­рид трипальмитин. Это простые жиры. Если жиры содержат разные жирные кислоты, то образуются смешанные жиры, название которых за­висит от составляющих кислот. Так, например, триглицерид 1-пальмито-2-олео-3-стеарин содержит пальмитиновую, олеиновую и стеарино­вую кислоты:

Природные жиры отличаются большим разнообразием входящих в их состав жирных кислот, их различным расположением в молекуле и сте­пенью ненасыщенности. Потенциально могут существовать миллионы изо­меров триглицеридов.

Физико-химические свойства жиров во многом определяются со­ставом жирных кислот. Жиры, содержащие преимущественно насыщен­ные жирные кислоты, при комнатной температуре твердые, а ненасы­щенные жирные кислоты — жидкие. Твердые жиры — это жиры животно­го происхождения, за исключением рыбьего жира. Жидкие жиры — это растительные масла, за исключением кокосового и пальмового ма­сел, которые затвердевают при охлаждении. В организме животных и у растений ненасыщенных жирных кислот в два раза больше, чем насы­щенных.

Нейтральные жиры накапливаются в жировых клетках (адипоцитах), под кожей, в молочных железах, жировых капсулах вокруг внутренних ор­ганов брюшной полости; незначительное их количество находится в ске­летных мышцах. Образование и накопление нейтральных жиров в жировых тканях называется депонированием. Триглицериды составляют основу ре­зервных жиров, которые являются энергетическим запасом организма и используются при голодании, недостаточном употреблении жиров, дли­тельных физических нагрузках.

Нейтральные жиры входят также в состав клеточных мембран, слож­ных белков протоплазмы и называются протоплазматическими. Прото­плазматические жиры не используются в качестве энергетического источ­ника даже при истощении организма, так как выполняют структурную функцию. Их количество и химический состав постоянны и не зависят от состава пищи, тогда как состав резервных жиров постоянно изменяется. У человека протоплазматические жиры составляют около 25 % всей мас­сы жира в организме (2—3 кг).

В различных клетках организма, особенно в жировой ткани, постоянно протекают ферментативные реакции биосинтеза и распада нейтральных жиров:

При гидролизе жиров в организме образуются глицерин и свобод­ные жирные кислоты. Этот процесс катализируется ферментами липаза­ми. Процесс гидролиза жиров в тканях организма называется липоли­зом. Скорость липолиза значительно увеличивается при физических нагрузках на выносливость, а активность липаз повышается в процессе тренировки.

Если реакцию распада жира проводить в присутствии щелочей (NaOH, КОН), то образуются натриевые или калиевые соли жирных кислот, кото­рые называются мылами, а сама реакция — омылением:

Эта химическая реакция лежит в основе производства мыла из различ­ных жиров и их смесей.

Фосфолипиды

Фосфолипиды — это жироподобные вещества, состоящие из спирта (чаще глицерина), двух остатков жирных кислот, остатка фосфорной кислоты и азотсодержащего вещества (спирта — холина, аминокислоты — серина и др.). В настоящее время выделяют около 25 различных подклассов фос­фолипидов, различающихся молекулярным составом. Общая схема соста­ва фосфолипидов имеет вид

Фосфолипиды широко распространены в различных тканях организма. Из них особо важное значение имеют холинфосфатиды, коламинфосфатиды, серинфосфатиды, которые являются производными фосфатидной кислоты и содержат различные азотистые основания:    

Холинфосфатиды, или лецитин в большом количестве содержатся в желтке яиц. В организме человека они широко распространены в нервной ткани.

Фосфолипиды играют важную биологическую роль, являясь структур­ным компонентом всех клеточных мембран, поставщиками холина, необ­ходимого для образования нейропередатчика — ацетилхолина. От фосфо­липидов зависят такие свойства мембран, как проницаемость, рецептор­ная функция, каталитическая активность мембраносвязанных ферментов.

Отдельную группу мембранных фосфолипидов составляют сфинголипиды, в составе которых вместо спирта глицерина находится ненасыщен­ный аминоспирт сфингозин. К наиболее распространенным таким фосфо­липидам относятся сфингомиелины. Они участвуют в построении миелиновых оболочек нервных клеток.

Гликолипилы

В состав гликолипидов могут входить разные спирты: глицерин или сфин­гозин, углеводы и другие вещества, однако фосфорная кислота в них от­сутствует. Важное значение в организме человека имеют гликосфинголипиды: цереброзиды и ганглиозиды.

Цереброзиды содержат спирт сфингозин, жирные кислоты и остатки различных сахаров: D-галактозу или D-глюкозу. Цереброзиды, в состав которых входит D-галактоза (галактоцереброзиды), содержатся преимущественно в клетках белого вещества мозга, тогда как цереброзиды, содержащие D-глюкозу (глюкоцереброзиды), присутствуют в мембранах друга клеток.

Ганглиозиды — это наиболее сложные по строению сфинголипиды. В их состав входит несколько остатков сахаров, а также остатки N-ацетилнейраминовой (сиаловой) кислоты. Ганглиозиды содержатся в сером веществе мозга, где составляют около 6 % мембранных липидов. В меньших количествах они обнаружены в мембранах клеток других тканей. Кроме то­го, ганглиозиды являются компонентом специфических рецепторных участков, расположенных на поверхности клеточных мембран, т. е. там, где происходит связывание молекул нейромедиатора в процессе химичес­кой передачи импульса от одной нервной клетки к другой.

Стероилы

Стероиды — это жироподобные вещества, в состав которых входит слож­ный цикл стерана (цикпопентанпергидрофенантрена).

Важными природными стероидами являются желчные кислоты, муж­ские и женские половые гормоны, гормоны надпочечников, а также неко­торые яды. Эти стероиды в клетках присутствуют обычно в малых количес­твах. Они выполняют в организме важную биологическую роль: входят в структуру клеточных мембран и обеспечивают регуляцию отдельных функ­ций. Стероиды представлены в организме стеринами и стеридами.

Стерины — это высокомолекулярные циклические спирты, содержа­щие в стерановом цикле гидроксильную группу в положении С-3 и угле­водородную боковую цепь в положении С-17. Стеринами клетки очень богаты. Наиболее распространенным стерином в клетках организма явля­ется холестерин:

Впервые холестерин был выделен из желчных камней (от греч. holle — желчь) в XVII ст. Это кристаллическое вещество, не растворимое в воде. В организме он выполняет важную роль, являясь предшественником синте­за желчных кислот, стероидных гормонов, витамина D₃. Под действием хо­лестерина повышается устойчивость эритроцитов к гемолизу, активирует­ся цикл лимонной кислоты. Предполагают, что в мозге холестерин играет роль своеобразного изолятора, предохраняющего структуры мозга от электрических зарядов при прохождении нервных импульсов.

Стериды представляют собой сложные эфиры, образованные стерина­ми и высшими жирными кислотами. Из жирных кислот в состав стеридов входят в основном пальмитиновая, стеариновая и олеиновая кислоты. Однако в стеридах ланолина (восковидное вещество кожи и шерсти живот­ных) обнаружены миристиновая, арахидоновая, церотиновая кислоты, а также другие сложные жирные кислоты с разветвленной цепью.

Все стериды — твердые бесцветные вещества (от лат. steros — твер­дый). В организме животных обычно встречаются в виде комплексов с белками.