ОСНОВЫ БИОХИМИИ. ХРЕСТОМАТИЯ - Г. А. Севрюкова - 2018
ГЛАВА 4. БИОХИМИЯ ЖИРОВ: СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ФУНКЦИИ
4.1. Структурные особенности липидов (жиров)
Липиды представляют собой нерастворимые в воде маслянистые или жирные вещества, которые могут быть экстрагированы из клеток такими растворителями как эфир, хлороформ. Существует несколько классов липидов, каждый из которых выполняет специфические биологические функции. Липиды играют важную роль в построении и функционировании клеток.
Жирные кислоты - это длинноцепочечные органические кислоты, содержащие от 4 до 24 углеродных атомов. Они содержат одну карбоксильную группу и длинный неполярный углеводородный «хвост», из-за которого большинство липидов нерастворимы в воде (рис. 32).
Рис. 32. Стеариновая кислота
Длинная углеводородная цепь, составляющая хвост молекулы, может быть полностью насыщена, т. е. содержать только одинарные связи, или ненасыщена, т. е. содержать одну или несколько двойных связей. Две двойные связи в жирных кислотах не бывают сопряженными, между ними всегда находится метиленовая группа.
Обычные жирные кислоты нерастворимы в воде, но в разбавленных растворах NaОН или КОН они могут образовывать мицеллы, превращаясь в так называемые мыла - соли жирных кислот.
Na+ - или К+ - мыла способны эмульгировать нерастворимые в воде масла и жиры. При этом углеводородные хвосты мыла встраиваются в капли жира, а полярные головки взаимодействуют с водой. Таким образом, мыла формируют гидрофильную оболочку вокруг капель жира, образуя мелкодисперсную смесь - мицеллы (рис. 33).
Са2+ и Mg2+ - мыла жирных кислот растворяются очень плохо и поэтому не эмульгируют жиры. Именно этим объясняется появление белых хлопьев при растворении банного мыла, состоящего главным образом из К+- мыла, в жесткой воде, которая содержит соли Са2+ и Mg2+.
Рис. 33. Формирование мицелл вокруг капель жира
4.2. Основные представители липидов (жиров)
Среди липидов наиболее распространен класс нейтральных жиров (триацилглицеролы). Они представляют собой эфиры спирта глицерола и трех молекул жирных кислот (рис. 34)
Рис. 34. Строение нейтрального жира - триацилглицерола
Триацилглицеролы, содержащие остатки только насыщенных жирных кислот, при комнатной температуре имеют консистенцию твердого вещества (говяжье сало), а содержащие три ненасыщенные кислоты - жидкого вещества (оливковое масло). При этом следует отметить, что чем короче цепь жирной кислоты, тем ниже температура плавления. На воздухе триацилглицеролы, содержащие ненасыщенные кислоты подвергаются самоокислению, т. е. кислород взаимодействует с остатками жирных кислот по месту двойных связей, что приводит к образованию соединений, придающий жирам неприятный прогорклый вкус.
Основная функция триацилглицеролов - запасание липидов, так как они играют роль «топлива» для большинства организмов. Триацилглицеролы значительно лучше, чем гликоген, приспособлены для запасания эергии: во-первых, они могут накапливаться в очень больших количествах в негидратированном виде, и во-вторых, в расчете на единицу веса в них запасается в два раза больше энергии, чем в углеводах. В организме триацилглицеролы запасаются в виде жировых капельках в адипоцитах. У некоторых животных (тюлени, моржи, пингвины) запасы триацилглицеролов под кожей выполняют функцию энергетического депо и теплоизоляционную функцию, защищая организм от действия очень низких температур.
К классу мембранных липидов относят фосфолипиды, которые служат структурными компонентами мембран и никогда не запасаются в больших количествах. Роль основного фосфолипидного компонента мембран играют фосфоглицериды. Все молекулы фосфоглицеридов имеют два неполярных гидрофобных хвоста и полярную гидрофильную головку (рис. 35).
Рис. 35. Строение фосфоглицеридов
Клеточная мембрана представляет собой структуру, состоящую из билипидного слоя, пронизанного белками (рис. 36). Билипидный слой состоит главным образом из молекул фосфолипидов и препятствует проникновению воды. По всей мембране располагаются белки в виде крупных глобул. Различают периферические белки, полуинтегральные и интегральные белки, которые пронизывают мембрану клетки насквозь. Большинство периферических белков - это ферменты, интегральные белки образуют поры и каналы, тем самым осуществляя транспорт веществ, для которых билипидный слой непроницаем.
Рис. 36. Строение клеточной мембраны
Второй важный класс мембранных липидов - сфинголипиды. Существуют три подкласса сфинголипидов: сфингомиелины, цереброзиды и ганглиозиды. Сфингомиелины в отличие от цереброзидов и ганглиозидов содержат в полярной головке фосфохолин.
Сфингомиелины присутствуют в миелиновых оболочках, обеспечивая изоляционные свойства нервных волокон, т. е. импульсы, проходя строго по определенному волокну, не перескакивают на соседние нервные волокна.
Цереброзиды содержатся главным образом в клетках мозга, принимая участие в передаче нервных импульсов между нейронами. Ганглиозиды являются важными структурными компонентами рецепторной части клеточных мембран.
Все выше рассмотренные липиды относятся к категории омыляемых, т. е. при нагревании с щелочами они подвергаются гидролизу и из остатков их жирных кислот образуются мыла. Однако в клетках обнаруживаются и неомыляемые липиды, которые не содержат остатков жирных кислот и поэтому не способны образовывать мыла. К неомыляемым липидам относят стероиды, представителем которых является холестерол (рис. 37).
Рис. 37. Строение молекулы холестерина
Холестерол (холестерин) главный структурный компонент клеточных мембран. Находясь в составе мембран клеток, холестерин вместе с фосфолипидами и белками обеспечивает избирательную проницаемость клеточной мембраны и оказывает регулирующее влияние на активность связанных с ней ферментов.
Холестерин синтезируется из двух молекул ацетил-коэнзима А и служит предшественником при синтезе других стероидов - желчных кислот, стероидных гормонов.
Холестерин, а точнее продукт его окисления - 7-дегидрохолестерин, под действием УФ-лучей в коже превращается в витамин D3. Таким образом, физиологические функции холестерина многообразны.
Простагландины содержатся во всех органах и тканях и оказывают сильное фармакологическое действие на множество физиологических функций организма, регулируя гемодинамику почек, сократительную функцию гладкой мускулатуры, секреторную функцию желудка, жировой, водно-солевой обмен.
Предшественником всех простагландинов является полиненасыщенные жирные кислоты, в частности арахидоновая кислота, которая после освобождения из фосфоглицеринов биологических мембран под действием фосфолипаз дает начало простагландинам и лейкотриенам.
Простагландины вызывают разбалансировку в организме. Например, повышенное образование тромбоксана А вызывает агрегацию тромбоцитов, способствуя тем самым тромбообразованию, а повышенное образование простациклина приводит к расслаблению гладких мышечных волокон сосудов, вызывая дезагрегацию тромбоцитов и нарушение сердечнососудистого гомеостаза.
Аспирин (ацетилсалициловая кислота) блокирует действие простагландинсинтетазы, тем самым препятствуя образованию тромбоксана и простациклина.
Основные биологические эффекты лейкотриенов связаны с воспалительными процессами, аллергическими и иммунными реакциями.
Витамин Е блокирует действие липоксигеназы и, как следствие, препятствует образованию лейкотриенов.
Воска - сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатомных или двухатомных спиртов с числом углеродных атомов от 16 до 22. Общие их формулы представлены на рис. 38. В этих формулах R, R' и R" - возможные радикалы.
Рис. 38. Общая формула воска
Воска могут входить в состав жира, покрывающего кожу, шерсть, перья. У растений 80 % от всех липидов, образующих пленку на поверхности листьев и плодов, составляют воска. Известно также, что воска являются нормальными метаболитами некоторых микроорганизмов. Природные воска (например, пчелиный воск, спермацет, ланолин) обычно содержат, кроме указанных сложных эфиров, некоторое количество свободных жирных кислот, спиртов и углеводородов с числом углеродных атомов 21-35.