Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Липиды и их обмен
Простые липиды

Жиры. Жиры исключительно широко распространены в природе: они входят в состав организма человека, животных, растений, микробов и даже некоторых вирусов. 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 морфологиче­ское или технологическое. В частности, растительные жиры принято называть маслами, а морфологически обособленные жиры животных — салом. Из раз­ных 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 триглицериды (формулы триглицеридов см. ниже).

В составе природных триглицеридов найдено более пятисот органических кислот, и список их расширяется с каждым годом. Среди них большая доля принадлежит высшим жирным монокарбоновым кислотам, т. е. кислотам с чис­лом углеродных атомов в молекуле, равным 16 и более. Высшие органические кислоты, обнаруженные в триглицеридах, часто содержат двойные связи и оксигруппы в углеводородном радикале. В табл. 25 приведен список, формулы и температуры плавления кислот, наиболее часто встречающихся в составе жиров.

Таблица 25 Некоторые монокарбоновые кислоты, выделенные из природных жиров

Как видно из данных таблицы, в составе природных жиров вначале были найдены почти исключительно кислоты нормального строения с четным числом углеродных атомов в молекуле. Лишь изовалериановая кислота, обнаружен­ная в жире печени дельфина, имела нечетное число атомов углерода и развет­вленную цепь.

В последнее время разработаны новые высокоэффективные методы раз­деления (тонкослойная и газовая хроматография) и установления структуры (инфракрасная спектрофотометрия) высших жирных кислот. В результате в составе натуральных жиров обнаружен ряд новых представителей высших жирных кислот — циклических, с нечетным числом атомов углерода и развет­вленным углеродным скелетом. Последние, в частности, резко понижают тем­пературу плавления жиров, обладают антибиотическими свойствами и видо­вой специфичностью. Одним из представителей их является, например, мико­левая кислота, выделенная из туберкулезных бактерий:

Наиболее часто и в наибольшей пропорции в природных жирах встречается олеиновая кислота (в большинстве жиров ее более 30%), а также пальмитино­вая кислота (от 15 до 50% в большинстве случаев). Поэтому олеиновую и пальмитиновую кислоты относят к категории главных жирных кислот, содержащихся в жирах. Остальные жирные кислоты присутствуют в природ­ных жирах, как правило, в небольшом количестве (несколько процентов) и лишь в некоторых видах природных жиров их содержание измеряется десятками процентов. Так, масляная и капроновая кислоты хорошо представ­лены в некоторых жирах животного происхождения, а каприловая и кап­риновая кислоты — в кокосовом масле. Лауриновой кислоты много в лав­ровом масле, миристиновой — в масле мускатного ореха, арахиновой, бегеновой и лигноцериновой — в арахисовом и соевом маслах. Полиеновые высшие жирные кислоты — линолевая и линоленовая — составляют главную часть льняного, конопляного, подсолнечного, хлопкового и некоторых других рас­тительных масел. Стеариновая кислота содержится в значительном количестве (25% и более) в некоторых твердых животных жирах (жир баранов и быков) и маслах тропических растений (кокосовое масло).

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

В природных жирах, представляющих собой смеси разнообразных три­глицеридов, доля простых триглицеридов незначительна, тогда как процент­ное 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 паль­мовом маслах найдены стеародипальмитин, олеодипальмитин, миристоди-пальмитин, миристодилаурин, пальмитодимиристин и лауродимиристин. Та­ким образом, природные жиры, выделенные из того или иного объекта, представляют всегда сложные смеси растворенных друг в друге разнообразных тригли­церидов.

Рис. 121. Структура и форма молекулы триглицерида

Физические свойства три­глицеридов зависят от характе­ра высших жирных кислот, входящих в состав их молекул. Особенно наглядной становит­ся эта зависимость при рас­смотрении температур плавле­ния триглицеридов: если в со­ставе триглицерида преобла­дают насыщенные (твердые) жирные кислоты, то и тригли­церид твердый; если преобладают ненасыщенные (жидкие) кислоты, температура плавле­ния триглицерида низкая и при обычных условиях он жидкий.

Такую же зависимость можно обнаружить у натуральных жиров: при наличии преимущественно насыщенных триглицеридов в составе жира темпе­ратура плавления последнего высокая, ненасыщенных — низкая. Бараний жир, например, имеет температуру плавления примерно на 10° С выше, чем свиной, потому что в нем содержится на несколько процентов меньше пальмитодиолеина (46 и 53% соответственно) и больше олеодипальмитина (13 и 5% соот­ветственно). Низкая температура плавления многих растительных масел нахо­дится в полном соответствии с весьма значительным содержанием непредель­ных кислот в составе их триглицеридов. Например, триглицериды жидкого при обычных условиях подсолнечного масла (t_пл = - 21° С) включают 39% олеиновой и 46% линолевой кислоты, тогда как твердое растительное масло бобов какао (t_пл = 30—34° 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 кисло­тных остатков. Многочисленные комбинации, которые могут осуществляться за счет перестановки ацильных группировок в смешанных триглицеридах, дают начало семействам структурных изомеров. Характерно, что непредель­ные высшие жирные кислоты в триглицеридах находятся, как правило, в цис-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 монокарбоновых 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 выполняют главным образом защитные функции. Так, в растениях они покрывают тонким слоем листья, стебли и плоды, предохраняя их от смачивания водой и про­никновения 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 пред­ставляют собой твердые вещества разнообразной окраски — чаще всего жел­той или зеленоватой (в зависимости от происхождения); температура их плавления — от 30 до 90° С. В составе восков найдены как в свободном состоянии, так и в виде сложных эфиров несколько десятков высших жирных кислот и спиртов. Вот некоторые из них:

В пчелином воске и воске, покрывающем поверхность листьев растений и фруктов, 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 непредель­ные высшие спирты — олеиловый и др. Непредельные кислоты в восках встре­чаются сравнительно редко.

Спермацет — воск животного происхождения, добываемый из спермацето­вого масла черепных полостей кашалота путем вымораживания и отжимания, состоит в основном (на 90%) на пальмитиновоцетилового эфира: СН₃—(СН₂)₁₄—СО—О—СН₂—(СН₂)₁₄—СН₃. Спермацет — твердое веще­ство, его t_пл=41— 49° С.

Фракция, оставшаяся после выделения спермацета из спермацетового мас­ла кашалота, представляет жидкий воск. Он состоит из смеси жидкого олеиново-олеилового эфира: СН₃—(СН₂)₇—СН=СН—(СН₂)₇—СО—О—СН₂—(СН₂)₇—СН=СН—(СН₂)₇—СН₃ с другими жидкими эфирами, компо­нентами которых являются либо олеиновая кислота, либо олеиловый спирт.

В пчелином воске преобладает пальтимитиново-мирициловый эфир: СН₃—(СН₂)₁₄—СО—О—СН₂—(СН₂)₂₈—СН₃. Для него характерно также высокое содержание свободных высших жирных кислот (до 13,5%) и углеводородов (до 12,5%). Температура плавления пчелиного воска равна 62—70° С.

Воск пальмы Copernicia cerifera, произрастающей в Бразилии, называемый карнаубским воском, является в основном церотиново-мирициловым эфиром: СН₃—(СН₂)₂₄—СО—О—СН₂—(СН₂)₂₈—СН₃. Карнаубский воск — вещество желтовато-серого цвета, покрывающее листья пальмы. Он защищает растение от потери влаги.

Экстракцией органическими растворителями бурого угля или торфа удается выделить монтанный воск, в состав которого входят монтаиовая кислота и ее эфиры (t_пл = 72 — 74° С).

Воски более устойчивы к действию света, окислителей, нагреванию и дру­гим физическим воздействиям, а также хуже гидролизуются, чем жиры. Извес­тны случаи, когда пчелиный воск сохранялся тысячелетиями. Именно поэтому воски выполняют в организме защитные функции.

Стериды. Большую группу простых липидов составляют стериды — слож­ные эфиры специфически построенных циклических спиртов (стеролов) и выс­ших 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 ор­ганизме 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 цикли­ческая группировка атомов, состоящая из восстановленного фенантрена (пол­ностью восстановленный фенатрен называют пергидрофенантреном) и цикло­пентана. Эта циклическая группировка называется циклопентанопергидрофенантреном или стераном. Стеран, несущий боковую цепь углеродных атомов и две СН₃-группы (при 10-м и 13-м углеродных атомов цикла), называют холестаном:

Углеродные атомы в этих углеводородах обозначают исходя из нумерации, принятой для фенантрена (1—14-й атомы углерода); затем нумеруют четвер­тый 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 поли­циклический спирт — холестянол, дающий начало классу стеролов:

Однако не следует думать, что в природе стеролы возникают при восста­новлении фенантрена. Выяснено, что их биосинтез идет путем циклизации полиизопреноидов, которые, по существу, и являются (см. ниже) предшествен­никами стеролов.

Характерное ядро холестанола повторяется во всех стеролах с незначи­тельными 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 бо­ковой цепи) радикала, который может иметь строение —СН₃; = СН₂; —С₂Н₅; = СН—СН₃ и т. п. Ниже приведены формулы наиболее важных природных стеролов:    

Холестерол (от греч. холе — желчь) является основным стеролом живот­ных и человека, т. е. относится к разряду зоостеролов. Эргостерол характе­рен для грибов. Ситостерол и стигмастерол типичны для растений (фитостеролы): 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 — специфические стелластеролы. Замечено, что чем при­митивнее 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).

Среди стеролов широко распространены конформационные изомеры. На­пример, известен изомер холестанола — копростанол, у которого иное взаимо­расположение в пространстве составляющих его циклов:

При рассмотрении приведенных выше формул холестанола и копростанола легко заметить, что у первого циклы А и В расположены по отношению друг к другу в транс-, а у второго — в цис-положении. Холестанол в небольших количествах присутствует в тканях животных (наряду с большим количеством холестерола). Копростанол найден в экскрементах животных, так как в виде копростанола восстановленный холестерол вы­водится из организма.

Характерной особенностью конформационных природных изомеров стеролов является то, что у них ОН-группа при 3-м углеродном атоме расположена по ту же сторону цикла, что и СН₃-группа при 10-м углеродном атоме. Такая конформация обозначается как ß, а проти­воположная ей — как а.

Стеролы — кристаллические вещества, хорошо растворимые в хлорофор­ме, серном эфире и горячем спирте, практически не растворимые в воде; устойчивы к действию гидролизующих агентов. В организме животных стеро­лы окисляются и дают начало целой плеяде производных, носящих общее название стероиды. Сюда относятся многие соединения, из которых упомянем лишь несколько характерных представителей:

Холевые кислоты — важнейшие ингредиенты желчи, обеспечивающие нор­мальный ход всасывания жирных кислот в кишечнике человека и животных. Эстрадиол и тестостерон — соответственно женский и мужской половые гормо­ны, оказывающие огромное влияние на процессы жизнедеятельности (см. гл. XII).

Сложные эфиры зоо- и фитостеролов с высшими жирными кислотами образуют группу омыляемых веществ — стеридов:

Из высших жирных кислот в составе стеридов обнаружены в основном пальмитиновая, стеариновая и олеиновая кислоты. Однако в стеридах, пред­ставляющих, например, главную составную часть ланолина (фракция жира овечьей шерсти), найдены миристиновая, арахидоновая и церотиновая кисло­ты, а также специфические высшие жирные кислоты с разветвленной углерод­ной цепью — ланопальмитиновая, ланостеариновая и др.

Все стериды, так же как и стеролы, — твердые, бесцветные вещества (от греч. стереос — твердый). В природе, особенно в составе животных организ­мов, они встречаются в виде комплексов с белками, функциональное значение которых сводится к транспорту стеролов, стероидов и стеридов, а также к участию в образовании биологических мембран. При увеличении содержа­ния стеролов и стеридов в составе липидной части мембран уменьшается проницаемость последних, возрастает их вязкость, ограничивается их подвиж­ность, ингибируется активность ряда ферментов, встроенных в мембрану. Стериды и стеролы регулируют й другие процессы в организме. Некоторые из производных стеролов являются канцерогенными веществами, тогда как дру­гие (например, тестостеронпропионат) используют для лечения некоторых видов рака. Стериды и стеролы в больших количествах входят в состав нервной ткани человека и животных; значение и функции их здесь активно исследуют.