Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам - Энтони Рис, Майкл Стернберг 2002

Углеводы и липиды
Липиды: 1

Рис. 32.1.

Липиды — это водонерастворимые органические молекулы, присутствующие во всех живых клетках и тканях. Липиды образуют множество семейств, но всех их объединяют общие отличительные свойства, обусловленные тем, что в их основе лежат углеводородные структуры. По своим биологическим функциям липиды подразделяются на три основные группы: 1) структурные и рецепторные компоненты мембран и клеточных поверхностей; 2) депо энергии; 3) «пeредатчики» биологических сигналов. Для липидгрупп 1 и 2 характерно то, что их основным компонетом являются жирные кислоты. В группу 3 входят витамины и стероидные гормоны, которые образуют структурно изолированную группу молекул. В это разделе мы опишем разные типы жирных кислот и те липиды, в основе которых лежит глицерол (функциональные группы 1 и 2). В гл. 33 мы рассмотрим примеры липидов, у которых в основе их структуры лежит сфингозин (функциональные группы 1 и 2). Кроме того, будут описаны структура и функция некоторых простых, или «неомыляемых», липидов (функциональная группа 3).

ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ — это длинные углеводородные цепи, несущие на одном из концов карбоксильную (—СООН) группу. Углеводороды могут быть насыщенными или частично ненасыщенными.

Насыщенные жирные кислоты содержат концевую метильную группу (—СН₃), разное число метиленовых групп (—СН₂—) и концевую карбоксильную группу. В зависимости от организма их длина варьирует от С₁₄до С₂₂. При этом чаще всего встречаются жирные кислоты С₁₆ (пальмитиновая) и С₁₈ (стеариновая). Число атомов углерода всегда четно для насыщенных жирных кислот наземных растений, бактерий и животных, но может быть нечетным у некоторых морских организмов. У бактерий встречаются разветвленные жирные кислоты, а также гидрокси-кислоты, такие, как полимеры гидроксимасляной кислоты.

Ненасыщенные жирные кислоты содержат одну (моноеновые) или более (полиеновые) двойных связей, которые почти всегда находятся в лис-конформации (гл. 34). Среди мононенасыщенных кислот чаще всего встречаются С₁₆-(пальмитоолеиновая) и С₁₈-(олеиновая) кислоты, а среди триненасыщенных — С₁₈ (линоленовая). Жирные кислоты с более чем одной двойной связью отсутствуют у бактерий и широко распространены у растений и животных. Если двойная связь только одна, она всегда бывает расположена между углеродными атомами 9 и 10 жирной кислоты, причем за положение 1 принимается концевой атом углерода карбоксильной группы. Другие двойные связи располагаются между атомом углерода 10 и концом цепи, несущим метильную группу; при этом между каждой парой двойных связей находится по крайней мере одна группа —СН₂.

Названия ненасыщенных жирных кислот образуются в соответствии с одной из двух используемых систем нумерации углеродных атомов. У жирных кислот углеродные атомы нумеруют либо с СООН-(А-система нумерации), либо с СН₃-(я-система нумерации) конца. Покажем это на конкретном примере ненасыщенной жирной кислоты:

Тривиальное название: пальмитоолеиновая кислота. А-Название: 16:1 Д9; это означает, что двойная связь расположена через 9 атомов углерода от СООН-группы.

«-Название: 16:1 « — 7; это означает, что двойная связь расположена через 7 атомов углерода от СН₃-конца.

Природные жирные кислоты имеют как животное, так и растительное происхождение. Животные жиры, подобные тем, что присутствуют в масле, свином сале, и т. д., — это в основном смесь насыщенных жирных кислот (40—60%) с мононенасыщенными (30—50%), в которой присутствуют следовые количества полиненасыщенных жирных кислот. Животные жиры почти всегда находятся в форме ацилглицеролов (т. е. липидов), наиболее типичные из них — триацилглицеролы (см. ниже). Растительные жиры, или, точнее, масла, обычно содержат меньше насыщенных жирных кислот (10—20%) и много ненасыщенных (80—90%). Состав ненасыщенной фракции зависит от растения; например, оливковое масло на 79% состоит из олеиновой кислоты, в то время как подсолнечное — на 75% из линолевой кислоты. Таким образом, можно говорить, что пища богата полиенами, если в ней содержится много подсолнечного (или подобного ему) масла. Основной компонент этого масла — линолевая кислота — является незаменимой жирной кислотой. Жирные кислоты, как правило, запасаются в организме в форме триацилглицеролов, так как свободные жирные кислоты при высоких концентрациях токсичны. Большинство жирных кислот может быть получено с пищей, но они не являются незаменимыми: эукариотические клетки могут сами их синтезировать. Но есть два исключения.

Основные незаменимые жирные кислоты - это линолевая и линоленовая. При отсутствии их в пище у человека может развиться заболевание, характеризующееся шелушением кожи, выпадением волос и замедлением роста.

Липиды образуются в результате этерификации жирных кислот соединениями, содержащими ОН- группы; как правило, это трехатомный спирт глицерол и аминоспирт сфингозин. Помимо жирных кислот к спиртовому компоненту могут быть присоединены и другие группы, такие, как аминогруппы, кислоты и углеводы. Благодаря этому образуется множество различных липидов с разнообразными свойствами.

Глицерол - это трехуглеродная молекула, у которой к каждому атому углерода присоединено по одной гидроксильной (ОН) группе. Жирная кислота может этерифицировать любую из трех ОН-групп; при этом образуется моноацилглицерол. Этерификация жирными кислотами двух или трех гидроксильных групп приводит к образованию соответственно диацил- или триацилглицеролов. Большая часть энергии, запасаемой животными в виде «жира», содержится именно в этих формах. Ацилглицеролы — это нейтральные липиды, т. е. у них нет полярных головок. У высших растений к атому углерода в третьем положении в диацилглицероле часто присоединен гликозидной связью шестиуглеродный сахар; примером такого рода может служить галактозилдиацилглицерол. Когда к одному из трех углеродных атомов в глицироле присоединена полярная головка (например, галактоза), такой липид называют амфипатическим.

Для амфипатических липидов характерно наличие длинного гидрофобного хвоста и полярной головки, которая может нести заряд или быть незаряженной. Специфическая способность этих соединений одновременно вступать как в гидрофильные, так и гидрофобные взаимодействия делает их идеальными компонентами биологических мембран (гл. 34). Это свойство можно проиллюстрировать на опыте, в котором амфипатические липиды находятся в водном растворе при высоком или при низком отношении вода: липид. При избытке воды липиды образуют мицеллы (показаны в разрезе на рис. 32.2), в которых гидрофобные жирнокислотные хвосты находятся внутри сферической капли, а полярные головки расположены на ее поверхности и контактируют с полярным растворителем — водой. Когда липид находится в избытке, наблюдается обратная картина: полярные головки образуют центральную область сферы, включающую в себя и воду, а жирнокислотные цепи располагаются снаружи. Такие «вывернутые мицеллы» образуют эмульсию; это происходит в результате агрегации мицелл благодаря гидрофобным взаимодействиям между ними. Основной класс амфипатических ацилглицеролов — это фосфоглицериды.

Рис. 32.2.

Фосфоглицериды образуются в том случае, когда одна из гидроксильных групп глицерола этерифицирована фосфорной кислотой, а одна или обе оставшиеся ОН-группы — жирными кислотами (рис. 32.1). Часто к фосфатной группе бывает присоединено азотсодержащее основание; при этом образуется полярная головка с двойным зарядом (+ и —), которая, хотя и является полярной, при физиологических значениях рН может быть электрически нейтральной. Наиболее часто встречающиеся группы такого рода среди мембранообразующих фосфолипидов — это фосфорилхолин, фосфорилсерин и фосфорилэтаноламин. Вне мембран фосфолипиды встречаются редко.