БИОХИМИЯ ЛИПИДОВ
Общая характеристика липидов
Липидами (от греч. lipos - жир) называют жиры и жироподобные вещества. Содержатся они во всех живых клетках и выполняют ряд жизненно важных функций: структурную, метаболическую, энергетическую, защитную и др. Не растворяются или слабо растворяются в воде, хорошо растворяются в органических растворителях. Большинство из них являются производными спиртов, высших жирных кислот или альдегидов.
Химические свойства и биологическое значение липидов определяются наличием в их молекулах неполярных углеродных цепей и полярных групп: -COOH,-OH,-NH 2 и др. Это дает возможность им быть поверхностно-активными, участвовать в проницаемости клеточных мембран, легко растворяться в органических растворителях, быть растворителями для витаминов и других соединений.
Различают две группы липидов: простые и сложные. Молекулы простого липида образуются из остатков спиртов (глицерина, гликолей, высших или циклических) и высших жирных кислот. Это нейтральные жиры, диольные липиды, стериды и воски. Молекулы сложного липида состоят из остатков спиртов, высших жирных кислот и других веществ (азотистых оснований, H 3 PO 4 , H 2 SO 4 , углеводов и др.). К сложным липидам относятся фосфатиды, гликолипиды, сульфатиды. Часто к липидам относят моно- и диглицериды, стерины, каротины и другие близкие к ним вещества.
Нейтральные жиры. Являются смесью триглицеридов - сложных эфиров, образованных трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами.
Высшие жирные кислоты представлены насыщенными, ненасыщенными и циклическими карбоновыми кислотами, а в ряде случаев - оксикислотами.
Насыщенные карбоновые кислоты обычно имеют четное число атомов углерода, например:
Кислоты с нечетным числом атомов углерода часто имеют разветвленную углеродную цепь, например изовалериановая:
Ненасыщенные карбоновые кислоты могут иметь от одной до четырех двойных связей, например:
В составе жиров обнаружены остатки циклических кислот, например хаульмугровой C 17 H 29 COOH, и оксикислот, например:
Триглицериды бывают простыми и сложными. В состав молекулы простого триглицерида входят остатки одной жирной кислоты, сложного триглицерида - двух или трех жирных кислот:
Жиры широко распространены в природе. В составе жиров животного происхождения преобладают остатки
насыщенных жирных кислот, что и определяет их твердую консистенцию. Большое значение имеют коровье масло, свиное сало, бараний и говяжий жиры. Жиры растительного происхождения в своем составе преимущественно содержат остатки непредельных жирных кислот и являются жидкостями (кроме пальмитинового масла). Наиболее часто используются подсолнечное, оливковое, льняное, миндальное масло и др.
В различных продуктах и кормах содержится неодинаковое количество жиров. В растениях они сконцентрированы обычно в семенах, меньше - в плодах. Так, в семенах клещевины содержится 58-78% жира, рапса - 36-40, льна - 28,9-49, подсолнечника - 29-57, зернах кукурузы - 5, овса - 3, пшеницы 1-1,8%.
В организме животных жиры концентрируются в основном в подкожной клетчатке (до 50%), сальнике, соединительнотканных капсулах почек и гениталиев, в печени и мышечной ткани. Биологические жидкости бедны жирами. Из них относительно высокий процент жира имеет молоко (коровье - 3,5%, оленье - 17,1%). Жиры являются важнейшим источником химической энергии. Так, при тканевом окислении 1 г жира образуется 9,3 ккал (1 г углеводов дает 4,3 ккал, белков -4,1 ккал). Жиры - источник эндогенной воды: при окислении 100 г жиров в тканях образуется 107,1 г воды, что очень важно для животных, обитающих в южных широтах (например, для верблюдов) или для тех, которые впадают в зимнюю спячку (например, для бурых медведей). Жиры - растворители органических веществ, особенно жирорастворимых витаминов. Принимают участие в терморегуляции, так как обладают низкой теплоемкостью, защищают организм от механических повреждений (входят в состав капсул сердца, почек, печени, глаза), обусловливают эластичность кожи.
Различают резервные (запасные) и протоплазматические (структурные) жиры. Первые из них расходуются организмом для различных потребностей, о которых говорилось выше. Вторые являются составными частями клеточных мембран, входят в состав липопротеидных комплексов.
Жиры - продукты питания человека и животных. Растительные масла могут использоваться для
приготовления олифы и лаков. Многие из них, кроме пищевых целей и откорма животных (жмыхи), можно гидрогенизировать и получать различные сорта маргарина. Жиры из печени тресковых рыб применяют как источник витаминов A и D. Технические жиры используют в различных областях народного хозяйства (в легкой, химической и других промышленностях).
Качество и чистота жиров характеризуются физическими и химическими константами (табл. 3). Физические константы: плотность, температура плавления и застывания, коэффициент рефракции (для жидких жиров); химические константы: число омыления, Рейхарда - Мейсля, йодное, кислотное и некоторые другие показатели.
Число омыления определяется количеством миллиграммов KOH, израсходованного на нейтрализацию жирных кислот, которые образуются при омылении 1 г жира.
Число Рейхарда - Мейсля характеризуется количеством 0,1 н. раствора NaOH, пошедшего на нейтрализацию летучих жирных кислот (масляной, капроновой и каприловой), образованных при гидролизе 5 г жира и отогнанных с водяным паром.
Йодное число характеризует наличие в составе жира ненасыщенных жирных кислот и определяется количеством граммов йода, способным присоединиться к 100 г жира.
Кислотное число свидетельствует о наличии в составе жира свободных жирных кислот, которые
3. Физические и химические константы некоторых жиров
| Константы | Вид жира | ||
| говяжий | бараний | свиной | |
| Плотность при 15°C, г/см 3 | 0,923-0,933 | 0,932-0,961 | 0,931-0,938 |
| Температура плавления, °C | 42-52 | 44-55 | 36-46 |
| Температура застывания, °С | 27-38 | 32-45 | 26-32 |
| Коэффициент преломления (при 40°С) | 1,4510-1,4583 | 1,4566-1,4583 | 1,4536 |
| Число омыления | 190-200 | 192-198 | 193-200 |
| Число Рейхарда-Мейсл | я | 0,3-0,9 | |
| Йодное число | 32-47 | 31-40 | 46-56 |
| Кислотное число | 0,1-0,6 | 0,1-0,2 | 0,3-0,9 |
образуются при разложении его молекул. Оно определяется числом миллиграммов KOH, пошедшего на нейтрализацию свободных жирных кислот, которые содержатся в 1 г жира.
Рассмотренные константы зависят от зоны обитания, условий питания, возраста, пола, породы животного и от других факторов. Так, С. Л. Иванов установил, что животные, обитающие в северных широтах, имеют жиры, для которых характерны более низкие температуры плавления, чем у животных того же вида, содержащихся на юге. В составе жиров первых преобладают остатки ненасыщенных жирных кислот, вторых - насыщенных.
Диольные липиды. Эти липиды открыты в тканях растений и животных советским ученым Л. Д. Бергельсоном в 1967-1973 г. Представляют собой смесь различных сложных эфиров, образованных из двухатомных спиртов (этандиола, пропандиола, бутандиола и др.) и высших жирных кислот. Общая формула
где n = 0, 1, 2, 3.
В организме выполняют те же функции, что и жиры. Изучены мало.
Стериды . Стеридами называют сложные эфиры стеринов и высших жирных кислот (чаще всего пальмитиновой). Стерины, или стеролы, - высокомолекулярные циклические спирты, производные циклопентанпергидрофенантрена. Последний можно рассматривать как продукт конденсации гидрированного фенантрена и циклопентана. Отдельные кольца в циклопентанпергидрофенантрене обозначают буквами (А, Б, В, Г), а атомы углерода колец - цифрами.
Стерины и стериды составляют неомыляемую фракцию липидов, входят в состав клеточных мембран. В
тканях печени содержание стеридов составляет около 50% общей массы всех стеринов. Различают зоо-, фито- и микостерины. Производными стеринов являются многие стероидные гормоны (половые и коры надпочечников), желчные кислоты, витамины группы D, стероидные алкалоиды, некоторые тритерпеновые антибиотики, яды кожных желез жаб, отдельные канцерогенные вещества. Стерины - кристаллические вещества, оптически активны, почти не растворяются в воде, растворяются в органических растворителях, бесцветны, способны возгоняться, вступают в химические реакции, характерные для спиртов.
Наибольший интерес представляют холестерин и его производные - хрлестериды, которые являются сложными эфирами холестерина и высших жирных кислот. Холестерин открыл в XVIII в. Конради при исследовании желчных камней. Его много в белом веществе мозга. По химической структуре холестерин - вторичный циклический спирт.
Подсчитано, что в теле человека массой 70 кг содержится около 140 г холестерина, из которого 10% сконцентрировано в надпочечниках, 2% - в нервной системе, 0,25% - в костях. Много холестерина в печени (от 0,333 до 0,91% общей массы). Холестерин способен удерживать определенное количество воды. Холестерин с белками образует комплексные соединения.
Из организма стерины выводятся главным образом в виде холестерина (см. выше) и копростерина.
В коже животных и в неомыляемой фракции липидов находится 7-дегидрохолестерин - провитамин витамина D 3 . Дрожжи содержат эргостерин - провитамин витамина D 2 (см. главу "Витамины").
Воски. Воски - большая группа липидов, молекулы которых образованы из остатков высших жирных кислот и высших одноатомных спиртов. Соотношение углерода в кислотной и спиртовой частях молекулы равно 1:1 или 2:1. Воски содержат примеси свободных жирных кислот и спиртов, углеводородов (C 27 - С 33) и душистых веществ. По происхождению различают вески животные (пчелиный, ланолин, спермацет), растительные (карнаубский, канделильский), продукт выделения некоторых насекомых (китайский), ископаемые (церезин и монтан) и синтетические.
Пчелиный воск . Продуцируется восковыми железами пчел. Состоит из смеси сложных эфиров (до 75%), свободных высших жирных кислот и насыщенных углеводородов. Содержит витамин А и некоторые другие вещества. Основа воска - сложный эфир мирицилового спирта и пальмитиновой кислоты:
Пчелиный воск не растворяется в воде, растеряется в хлороформе и диэтиловом эфире, бензине и скипидаре. Является основой пчелиных сот. Используется для приготовления мазей и пластырей.
Ланолин . Получают после промывки шерсти овец. Представляет собой смесь сложных эфиров, образованных высшими спиртами (цетиловым, карнаубовым, холестерином и др.) и высшими жирными кислотами (ланопальмитиновой, миристиновой и др.). По физическим свойствам - это густая вязкая масса буро-желтого цвета со слабым запахом, не растворяется в воде, растворяется в хлороформе, эфире, гигроскопичен, не омыляется водными растворами щелочей, не прогоркает. Применяют для приготовления лечебных мазей и в косметике.
Спермацет . Этот компонент спермацетового масла, которое получают из головного мозга кашалотов. От одного кашалота можно получить 4-5 т
спермацета. Основная составная часть его (до 90%) -сложный эфир пальмитиновой кислоты и цетилового спирта:
Часть спермацета (10%) - сложные эфиры цетилового, стеаринового, олеинового спиртов и лауриновой, миристиновой кислот.
Спермацет - белые пластинчатые кристаллы, хорошо растворяется в диэтиловом эфире, ацетоне, горячем этаноле, не растворяется в воде. Используется для приготовления лечебных мазей и косметических средств. Применяют при лечении язв кожи.
Растительные воски . Распространены в природе. Покрывают тонким слоем листья, стебли, стволы и плоды растений. Защищают растительные ткани от травм и микробов. Участвуют в регуляции водного обмена. Представляют собой смесь сложных эфиров, образованных высшими спиртами (цетиловым, мирициловым) и жирными кислотами (церотиновой, карнаубовой, монтановой, стеариновой, пальмитиновой, олеиновой). Карнаубский воск широко используется для изготовления свеч и др. Получают его из листьев некоторых пальм. Основа воска - сложный эфир мирицилового спирта и церотиновой кислоты:
Фосфатиды . Молекула фосфатида образована остатками высших спиртов и высших жирных кислот, фосфорной кислоты и азотистого основания. С другими липидами и белками они составляют химическую основу клеточных мембран, обусловливают их избирательную проницаемость для различных веществ, участвуют в процессах клеточного дыхания и переносе электронов.
Молекула фосфатида обычно состоит из двух частей: полярной (гидрофильной) и аполярной
(гидрофобной). Гидрофильная "голова" обладает отрицательным зарядом фосфата и положительным азота, являясь перманентным диполем (цвиттер-ион). Гидрофобный "хвост" состоит из длинных цепей остатков высших жирных кислот. Именно такая структура молекулы обусловливает поверхностно-активные свойства липида, дает возможность формировать пленочные структуры в монослое на границе раздела фаз, взаимодействовать с различными (полярными и аполярными) соединениями и активно участвовать в реакциях ассимиляции и диссимиляции.
Больше всего фосфатидов содержится в нервной ткани (до 26-30% сухой массы), печени (16%), почках (11%) и сердце (10%). Они синтезируются в комплексе Гольджи.
Различают глицеро-, инозит- и сфингозинфосфатиды.
Глицерофосфатиды
Лецитины, или фолинфосфатиды . В образовании молекул α - и β -лецитинов участвуют глицерин, насыщенные и ненасыщенные высшие жирные кислоты, H 3 PO 4 и холин. В α -лецитине остаток холина и H 3 PO 4 размещаются возле атома C 1 молекулы спирта.
Много лецитина содержится в тканях спинного и головного мозга (35,2-12,4%), желтке куриного яйца (6,5-12%), легких, миокарде, почках (5,9-5,2%) и др. Используется организмом для биосинтеза ацетидхолина. Применяется внутрь (в виде драже) при лечении болезней нервной системы, анемиях, общем упадке сил.
Лецитином богаты также многие растительные корма: семена подсолнечника (38,5%), льна (36,2%), бобы сои (35%) и др.
Кефалины , или коламинфосфатиды . Молекулы кефалинов содержат этаноламин (коламин).
Кефалиновая фракция составляет липидную основу тканей головного мозга человека (66%), печени крупного рогатого скота (51%), миокарда (30%), желтка куриного яйца (28,7%). Богаты кефалинами бобы сои (65%), семена хлопчатника (71,2%), льна и подсолнечника (61,5%). Кефалины образуют с белками липопротеидные комплексы. Много их содержится в митохондриях.
Серинфосфатиды . В молекуле серинфосфатидов азотистым основанием является аминокислота серии.
Серинфосфатидов много в нервной ткани, печени, почках и других органах. Это протошгазматические липиды. Их много в митохондриях.
Между лецитинами, кефалинами и серинфосфатидами существует генетическая связь, так как азотистые основания могут переходить друг в друга:
Ацетальфосфатиды (плазмалогены). В строении ацетальфосфатидов участвуют альдегиды высших жирных кислот. Чаще всего ацетальфосфатиды имеют следующую структуру:
Отличаются между собой азотистыми основаниями, высшими жирными килостами и их альдегидами, а также способоами образования ацеталей. Составляют около 12% всех фосфатидов тканей. Этаноламинкефалиновая фракция мозга на 2 / 3 состоит из ацетальфосфатидов; сперматозоиды на 55-60%. В отдельных органах (печень, миокард, почки, мышцы) содержание ацетальфосфатидов с возрастом увеличивается.
Кардиолипины . Впервые выделены из экстракта миокарда. Основу их молекулы составляют три остатка глицерина, соединенных между собой фосфодиэфирными связями типа 1,3 (R - остатки высших жирных кислот).
Кардиолипины занимают почти 10% всех липидов митохондрий. Эти липиды участвуют в окислительном фосфорилировании и переносе электронов, в связывании комплемента при свертывании крови.
Инозитрофосфатиды
Их молекула представляет собой сложный эфир, образованный глицерином, высшими жирными кислотами, H 3 PO 4 и шестиатомным спиртом инозитом. Различают монофосфоинозитиды и дифосфоинозитиды.
Много инозитфосфатидов выявлено в нервной ткани (мозгу), особенно в миелиновых оболочках нервных волокон. Инозитфосфатиды способны образовывать
комплексные соединения с белками. Остаток инозита может вступать в реакции с галактозой, татроновой кислотой и высшими жирными кислотами, коламином, объединяя в единое целое продукты обмена белков, углеводов и липидов, характерных для нервной ткани.
Сфингозинфосфатиды
Молекулы сфингозинфосфатидов образованы из остатков сфингозина, высших жирных кислот, фосфорной кислоты и холина.
Их часто называют сфингомиелинами. Ими богаты нервная ткань (составляют основу миелиновых облочек нервных волокон), селезенка, легкие, почки, поджелудочная железа. Иногда в молекуле липида содержится остаток дигидросфингозина. Сфингозинфосфатиды - белые кристаллические вещества, образуют водный коллоидный раствор. Высшие жирные кислоты представлены стеариновой кислотой (50%), меньше - лигноцериновой и нервоновой. Составляют 20% всех липидов мозга.
Гликолипиды . Это жироподобные вещества, молекулы которых содержат также углеводный компонент.
Цереброзиды . Представляют собой смесь сложных эфиров, построенных из остатков сфингозина, высших жирных кислот и галактозы. В цереброзидах сфингозин содержится в виде цереброна - соединения с цереброновой кислотой и галактозой, керазина - соединения с лигноцериновой кислотой и галактозой и нервона - соединения с нервоновой кислотой и галактозой (см. ниже).
Цереброзидов много в тканях мозга. В составе молекулы селезенки они содержат остатки глюкозы (глюкоцереброзиды).
Цереброзиды - твердые вещества, не растворяются в воде, растворяются в диэтиловом и петролейном эфирах, при кипячении набухают, при нагревании до 200 °C разлагаются. В организме выполняют структурную и метаболическую функции.
Ганглиозиды . Молекула ганглиозида в среднем содержит 40-43% галактозы, 21% нейраминовой кислоты, 13% сфингозина, 23-26% гексозаминов, глюкозы и стеариновой кислоты. Много липидов в нервной ткани, паренхиматозных органах, клетках крови. Ганглиозиды - структурные компоненты нейронов, обезвреживают яды, участвуют в проведении нервных импульсов и т. д.
Сульфатиды . Это - сложные эфиры, образованные сфингозином, цереброновой или лигноцериновой кислотой, галактозой и серной кислотой.
Сульфатиды имеются в тканях мозга, печени, почек, мышц и др. Они появляются в моче при церебральной склерозе.
Ацилглицеролы, или нейтральные липиды, - наиболее распространенная в природе группа липидов. Эти соединения представляют собой сложные эфи-ры жирных кислот и трехатомного спирта глицерола (глицериды), в котором могут быть этерифицированы одна, две или три гидроксильные группы глицерола с образованием соответственно моно-, ди- и триацилглицеролов:
В природе наиболее часто встречаются триацилглицеролы. Поскольку все приведенные выше ацилглицеролы не содержат ионных групп, они относятся к нейтральным липидам. Если все три кислотных радикала принадлежат одной и той же жирной кислоте, то такие триацилглицеролы называют простыми, если же разным жирным кислотам, - то смешанными.
Жирные кислоты, входящие в состав триацилглицеролов, определяют их физико-химические свойства. Чем больше в липидах остатков короткоцепо-чечных и ненасыщенных кислот, тем ниже температура плавления и выше растворимость. Так, животные жиры обычно содержат значительное количество насыщенных жирных кислот, благодаря чему они при комнатной температуре остаются твердыми. Жиры, в состав которых входит много ненасыщенных кислот, будут при этих условиях жидкими; их называют маслами.
Большинство животных жиров содержат в различных соотношениях эфиры пальмитиновой, стеариновой, пальмитоолеиновой, олеиновой и линоле-новой кислот. В жире человека, плавящемся при 15 °С, содержится около 70% ненасыщенных жирных кислот, и при температуре тела он находится в жидком состоянии. Жиры из различных тканей одного организма так же, как и растительные масла, могут различаться между собой как длиной углеводородных цепей, так и степенью их ненасыщенности.
Для характеристики свойств жира используют константы, или жировые числа, - кислотное число, число омыления, йодное число.
Общим структурным фрагментом всех фосфоглицеридов является фосфатидная кислота (1,2-диацил,3-фосфоглицерол).
Фосфатидная кислота образуется в организме в процессе биосинтеза триацилгл и неролов и фосфоглицеридов как общий промежуточный метаболит; в тканях она присутствует в незначительных количествах. Следует отметить, что все природные фосфоглицериды относятся к L-ряду. Различные фосфоглицериды отличаются друг от друга дополнительными группировками, присоединенными фосфоэфирной связью к фосфатидной кислоте, т.е. R3. Состав жирных кислот различных фосфоглицеридов различается даже в пределах одного организма и наряду с замещающими группировками определяет специфичность фосфолипидов:
Фосфатидилхолин (лецитин). В своем составе содержит аминоспирт хо-лин (гидроксид 3-гидроксиэтилтриметиламмония):
 |
Фосфатидилэтаноламин (кефалин). В состав фосфатидилэтаноламинов вместо холина входит азотистое основание этаноламин НО-СН 2 -СН 2 -NH 3 .
В организме животных и в высших растениях в наибольшем количестве встречаются фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины. Эти две группы глицерофосфолипидов являются главными липидными компонентами мембран клеток.
Фосфатидилинозиты В отличае от других групп фосфоглицеридов в состав фосфатидилинозитов вместо азотосодержащих соединений входит 6-углеродный циклический спирт инозитол, представленный одним из его стереоизомеров- монозитолом.
Фосфатидилглицерины. Так же как фосфатидилинозиты, фосфатидилглицерины не содержит азотсодержащего соединения. В этих соединениях полярной группой служит еще одна молекула глицерола.
К нейтральным жирам относится группа липидов, состоящих из трехатом-ного спирта — глицерина и трех остатков жирных кислот, поэтому они на-зываются триглицеридами.
В состав нейтральных жиров могут входить одинаковые жирные кислоты, например пальмитиновая . В таком случае образуется сложный эфир - триглицерид, трипальмитин. Это простые жиры. Если жиры содержат остатки разных жирных кислот, то образуются смешанные жиры.
В данном уравнении реакции показаны обратимые процессы синтеза (верхняя стрелка) и гидролиза (нижняя) жира.
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.
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
СnН2n + 1СООН, 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 жирны-ми кислотами. Высшие жирные кислоты разделяются на насыщенные предельные) и ненасыщенные (непредельные)
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 (-С=С-), 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 полинена-сыщенными.
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 рас-творимы в спирте.
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.
Ненасыщенные жирные кислоты более реакционноспособны, чем на-сыщенные. Они легко присоединяют два атома водорода 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 использу-ется для получения твердого пищевого жира — маргарина из жидких рас-тительных масел.
Особое значение для человека имеют полиненасыщенные жирные кислоты. В организме они не синтезируются. При их недостатке или отсутствии в пи-ще нарушается обмен жиров, в частности холестерина, наблюдаются па-тологические 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 ожи-рение. Такое действие ненасыщенных жирных кислот называется липотропным эффектом. Ненасыщенные жирные кислоты служат предшествен-никами синтеза биологически активных веществ — простагландинов. Су-точная потребность человека в полиненасыщенных кислотах в норме сос-тавляет примерно 15 г.
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 свобод-ные жирные кислоты. Этот процесс катализируется ферментами липаза-ми. 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, кото-рые называются мылами, а сама реакция — омылением. Эта химическая реакция лежит в основе производства мыла из различ-ных жиров и их смесей.
Фосфолипиды
Фосфолипиды — это жироподобные вещества, состоящие из спирта (чаще глицерина), двух остатков жирных кислот, остатка фосфорной кислоты и азотсодержащего вещества (аминоспирта — холина или коламина).
Если в молекулы фосфолипида входит холин, они называются лецитины, а если коламин - кефалины.
Холин Коламин
Альфа-лецитин Альфа-кефалин
Строение бета-изомеров отличается тем, что остатки фосфорной кислоты и аминоспирта расположены у второго (среднего) углеродного атома глицерина.
Фосфатиды , особенно лецитин в большом количестве содержатся в желтке яиц. В организме человека они широко распространены в нервной ткани. Фосфолипиды играют важную биологическую роль, являясь структур-ным компонентом всех клеточных мембран, поставщиками холина, необ-ходимого для образования нейропередатчика — ацетилхолина. От фосфолипидов зависят такие свойства мембран, как проницаемость, рецепторная функция, каталитическая активность мембраносвязанных ферментов.
Фосфолипиды доминируют в мембранах животной клетки, они содержатся также во многих ее субклеточных частицах.
Биологическая роль фосфолипидов в организме значительна и разнообразна. В качестве непременного компонента биологических мембран фофолипиды принимают участие в их барьерной, транс-портной, рецепторной функциях, в разделении внутреннего прост-ранства клетки на клеточные органеллы — «цистерны», отсеки. Эти функции мембран относят в настоящее время к важнейшим регуляторным механизмам жизнедеятельности клеток. Присутствие фосфолипидов в мембранах необходимо и для функционирования мембранносвязанных ферментных систем.
СТЕРОИДЫ
Стероиды относятся к неомыляемым липидам. По химической природе стероиды - производные циклопентанпергидрофенантрена. Их разделяют на стерины и стериды. Стерины — высокомолеку-лярные циклические спирты, имеющие в составе молекулы ядро циклопентанпергидрофенантрена.
 |
В состав различных тканей входят также стериды — сложные эфиры, образованные стеринами и жирными кислотами. Стерины и их производные выполняют разнообразные функции в орга-низме. Большое биологическое значение в животном организме имеет холестерин . Нарушение его обмена может повлечь патологические изменения сосудов — атеросклероз. Холестерин служит биологиче-ским предшественником желчных кислот, стероидных гормонов. Желчные кислоты имеют большое значение в процессе расщепле-ния липидов в кишечнике. Стероидные гормоны регулируют мно-гочисленные процессы обмена веществ.
БЕЛКИ
Наиболее важными соединениями каждого организма являются белки. Они обязательно обнаруживаются во всех клетках организма, в большинстве из них на долю белка приходится более поло-вины сухого остатка. Все основные проявления жизни связаны с белками. «Жизнь, — писал Ф. Энгельс, — есть способ существования белковых тел... Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и проявления жизни».
Белки - высокомолекулярные азотосодержащие органические соединения, состоящие из остатков аминокислот. В составе неко-торых белков наряду с аминокислотами обнаруживают и другие соединения.
Для живых организмов характерно большое разнообразие белков, которые составляют основу структуры организма и обеспечи-вают множество его функций. Полагают, что в природе существу-ет примерно 1010-1012 различных белков, что и объясняет большое многообразие живых организмов. В одноклеточных орга-низмах насчитывают около 3000 различных белков, а в организме человека — около 5000000.
Несмотря на сложность строения и многообразие, все белки построены из сравнительно простых структурных элементов — аминокислот. Белки представляют собой полимерные молекулы, в состав которых входит 20 различных аминокислот. Изменение числа аминокислотных остатков и последовательности их распо-ложения в молекуле белка обеспечивает возможность образова-ния громадного количества белков, отличающихся своими физико-химическими свойствами, структурной или функциональной ролью в организме.
Для любого организма белки играют решающую роль во всех процессах жизнедеятельности. С ними связа-ны такие свойства живого организма, как раздражи-мость, сократимость, пищеварение, способность к росту, размножению, движению. Следовательно, бел-ки являются главными носителями жизни. В неживой природе соединения, подобные белкам, не встреча-ются.
Химический состав и биологическая роль белков
Белки — высокомолекулярные азотсодержащие ве-щества, при гидролизе которых образуются амино-кислоты. Иногда белки называют протеинами (от греч. proteus — первый, главный), определяя тем са-мым их важнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов. Белок в организме человека составляет в среднем 45 % сухой массы тела (12-14 кг). Содержа-ние его в отдельных тканях различное. Наибольшее количество белка содержится в мышцах, костях, коже, пищеварительном тракте и других плот-ных тканях.
Суточная потребность в белке взрослого челове-ка, не занимающегося спортом, составляет в среднем 1,3 г на 1 кг массы тела или около 80 г. При больших энерготратах потребность в них увеличивается при-мерно на 10 г на каждые 2100 кДж увеличивающихся затрат энергии.
Белки поступают в организм преимущественно с пищей животного происхождения. В растениях бел-ков содержится значительно меньше: в овощах и фруктах — всего 0,3-2,0 % массы свежей ткани; наи-большее количество белков — в бобовых — 20-30 %, злаках — 10-13 и грибах — 3-6 %.
Элементарный состав белков . Важнейшими хи-мическими элементами всех белков являются углерод (50-55 %), кислород (21-23 %), водород (6,5-7,3%), азот (15-18%), сера (0,3-2,5%). В составе белков обнаружены также фосфор, железо, йод, медь, марганец и другие химические элементы.
Жиры (синоним: нейтральные жиры, триглицериды) — сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших или средних жирных кислот, главная составная часть животных жиров и растительных масел, присутствуют во всех животных и растительных тканях, в питании человека являются одним из основных пищевых веществ. Ж., использующиеся в питании человека, правильнее называть жировыми продуктами, т.к. в их состав кроме собственно жиров, входят жироподобные вещества — липиды (стерины, фосфолипиды и др.). Физико-химические свойства Ж. определяются природой остатков жирных кислот в их молекуле. Ж., содержащие значительные количества насыщенных жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой и др.), имеют более высокую температуру плавления; Ж., в состав которых входит много моно- и полиненасыщенных жирных кислот, при обычной температуре находятся в жидком состоянии и называются маслами. Растительные масла, характеризующиеся большим содержанием полиненасыщенных жирных кислот (льняное, конопляное, маковое, тунговое масло), известны под названием высыхающих масел, т.к. под действием кислорода воздуха они полимеризуются и затвердевают.
Биологическая полноценность Ж. определяется наличием в их составе жирорастворимых витаминов A, D и Е (токоферолов), полиненасыщенных жирных кислот (линолевой, линоленовой, арахидоновой), фосфолипидов (лецитина, сфингомиелина), стеринов (b-ситостерина) и др., а также легкостью всасывания в желудочно-кишечном тракте. Ж. хорошо растворяются в органических растворителях — бензоле, хлороформе, эфире, сероуглероде, петролейном эфире, горячем спирте (в холодном — труднее), ацетоне и не растворяются в воде. При добавлении к Ж., находящимся в воде, поверхностно-активных веществ — детергентов они способны образовывать жировые эмульсии. Нейтральные жиры вступают во все химические реакции, свойственные сложным эфирам (продуктам замещения атомов водорода в ОН-группах минеральных или карбоновых кислот) и прежде всего — в реакцию омыления, в результате которой из триглицеридов образуются глицерин и жирные кислоты. Омыление Ж. может происходить как при каталитическом гидролизе, так и при действии на Ж. кислот или щелочей.
Для получения из растительных масел жиров более твердой консистенции, использующихся в качестве жировой основы при производстве маргаринов, применяется гидрогенизация (гидрирование), т.е. насыщение молекул этих масел водородом. При хранении, особенно на свету и при свободном доступе воздуха, жиры приобретают неприятный вкус — прогоркают. Установлено, что в прогоркании Ж. главную роль играет окисление ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. Получающиеся при этом перекиси разлагаются с образованием альдегидов. Может происходить также окисление ненасыщенных жирных кислот до b-кетокислот (так называемое кетонное прогоркание жиров). Критериями свойств жиров являются их кислотное число, число омыления, йодное число и перекисное число. Кислотное число (КЧ) служит для оценки количества жирных кислот, содержащихся в жире в виде примесей в свободном состоянии; численно оно равно количеству миллиграммов едкого кали КОН, израсходованных на нейтрализацию одного грамма Ж.
Число омыления (ЧО) представляет собой число миллиграммов едкого кали, израсходованных на нейтрализацию всех жирных кислот (как свободных, так и находящихся в составе триглицеридов), содержащихся в 1 г жира; ЧО служит для оценки общего количества жирных кислот в исследуемом жире. Величина ЧО основных животных жиров (говяжьего, бараньего, свиного) практически одинакова — 191—206. Йодное число (ЙЧ) служит для определения общего количества непредельных соединений, присутствующих в жире, и численно равно количеству йода, присоединяющегося в стандартных условиях к 100 весовым частям жира. ЙЧ говяжьего жира равно 32—47, бараньего жира 35—46, свиного жира 46—66. Об относительном содержании перекисей жирных кислот в исследуемом жире свидетельствует перекисное число (ПЧ), которое определяется отгитровыванием свободного йода, выделяющегося при добавлении йодида калия к жиру; ПЧ выражают в процентах йода по массе. Препараты жиров, меченных радионуклидами (чаще всего радиоактивным йодом) используются для радиоизотопной диагностики, например при заболеваниях желудочно-кишечного тракта. Такими диагностическими препаратами являются 131I-глицеринтриолеат (131I-триолеин) и 131I-растительные масла (подсолнечное, кукурузное и оливковое).
Диагностика нарушений процессов переваривания и всасывания Ж. с помощью жиров, содержащих радиоактивную метку, основана на том, что нейтральный жир перед всасыванием в кишечнике подвергается расщеплению под действием панкреатической липазы, тогда как жирные кислоты всасываются непосредственно. Поэтому при заболеваниях поджелудочной железы всасывание нейтрального жира, например 131I-триолеина, нарушено при нормальном всасывании 131I-олеиновой кислоты, а при заболеваниях кишечника уменьшается всасывание и триолеина и свободной олеиновой кислоты. Изучение всасывания меченых Ж. служит простым и надежным методом выявления стеатореи; оно позволяет отличить стеаторею панкреатогенного происхождения от стеатореи, причиной развития которой является нарушение всасывания триглицеридов и жирных кислот при заболеваниях тонкой кишки.
Патология жирового обмена при ряде заболеваний выявляется путем определения в крови количественного и качественного состава липидов, в т.ч. нейтральных Ж. В норме в сыворотке крови содержится до 2,3 ммоль/л (200 мг/100 мл) нейтральных жиров, или триглицеридов. Содержание нейтральных Ж. в крови (липемия) существенно колеблется в зависимости от сроков принятия пищи, особенно жирной. В крови здорового человека гиперлипемия отмечается через 2—3 ч после жировой нагрузки, достигает максимума через 4—6 ч, а через 8—9 ч содержание Ж. возвращается к исходной величине. Поэтому диагностическое определение общего содержания триглицеридов и других липидов в крови следует проводить натощак. Повышенная концентрация нейтральных Ж. в сыворотке крови свидетельствует о подавлении механизмов утилизации Ж.
Гиперлипемию наблюдают при ожирении, гепатитах, атеросклерозе, нефрозах, сахарном диабете и блокаде системы мононуклеарных фагоцитов. Она является неблагоприятным биохимическим симптомом, т.к. повышенное содержание Ж. в сыворотке крови способствует подавлению синтеза жирных кислот и частичному переводу путей утилизации клеточных фондов ацетил-КоА в направлении биосинтеза холестерина. Особенно неблагоприятны в этом отношении повышение концентрации триглицеридов, содержащих в своей молекуле остатки насыщенных жирных кислот. Нейтральные Ж. (триглицериды) в клинике определяют по методу Карлсона — Игнатовской, основанному на измерении количества глицерина, освобождающегося в результате гидролиза триглицеридов. Потребность человека в Ж. зависит от возраста, характера трудовой деятельности и климатических условий. В среднем потребность в Ж. составляет 80—100 г в сутки. В пожилом возрасте, а также при низкой физической нагрузке и занятости умственным трудом потребность в Ж. снижается, В условиях холодного климата потребность в Ж. повышается. Избыточное потребление животных Ж. является фактором риска в отношении развития атеросклероза. Недостаточность Ж. в пище или постоянное нарушение их оптимального соотношения приводит к различным нарушениям обмена веществ и энергии и служит причиной ряда заболеваний.
Молекулы фосфолипидов и гликолипидов амфифильны, то есть углеводородные радикалы жирных кислот и сфингозина являются гидрофобными, а другая часть молекулы, образованная из углеводов, остатка фосфорной кислоты с присоединенным к нему холином, серином, этаноламином – гидрофильна. В результате этого в водной среде гидрофобные участки молекулы фосфолипидов вытесняются из водной среды и взаимодействуют между собой, а гидрофильные участки контактируют с водой, в результате образуется двойной липидный слой клеточных мембран (рис.9.1.). Этот двойной слой мембраны пронизан белковыми молекулами – микротрубочками. На наружной стороне мембраны прикреплены олигосахариды. Количество белка и углеводов в различных мембранах неодинаково. Белки мембран могут выполнять структурные функции, могут быть ферментами, осуществлять трансмембранный перенос питательных веществ, могут выполнять различные регуляторные функции. Мембраны всегда существуют в виде замкнутых структур (см. рис.9.1). Липидный бислой обладает способностью к самосборке. Эту способность мембран используют для создания искусственных липидных пузырьков – липосом.
Липосомы широко применяются как капсулы для доставки различных лекарственных веществ, антигенов, ферментов в различные органы и ткани, так как липидные капсулы способны проникать через клеточные мембраны. Это позволяет направлять лекарственные вещества точно по адресу в пораженный орган.
Рис.9.1. Схема клеточной мембраны из двойного липидного слоя. Гидрофобные участки молекулы липидов притягиваются между собой; гидрофильные участки молекулы находятся с наружной стороны. Молекулы белков пронизывают липидный бислой.
Обмен липидов
В организме нейтральные жиры находятся в 2-х формах: запасного жира и протоплазматического жира.
В состав протоплазматического жира входят фосфолипиды и липопротеиды. Они участвуют в формировании структурных компонентов клеток. Мембраны клеток, митохондрий и микросом состоят из липопротеидов и регулируют проницаемость отдельных веществ. Количество протоплазматического жира стабильно, и не изменяется в зависимости от голодания или ожирения.
Запасной (резервный) жир – в его состав входят триацилглицерины жирных кислот – находится в подкожной жировой клетчатке и в жировых депо внутренних органов.
Функции резервного жира заключаются в том, что это -запасной источник энергии, доступной для использования в период голодания; это – изоляционный материал от холода, от механических травм.
Важно также, что липиды, распадаясь, выделяют не только энергию, но и значительное количество воды:
При окислении 1 грамма белка выделяется – 0,4 г; углеводов – 0,5 г; липидов – 1 г воды. Это свойство липидов имеет большое значение для животных, обитающих в условиях пустыни (верблюды).
Переваривание липидов в желудочно-кишечном тракте
В полости рта липиды подвергаются лишь механической обработке. В желудке имеется небольшое количество липазы, которая гидролизует жиры. Малая активность липазы желудочного сока связана с кислой реакцией содержимого желудка. Кроме того, липаза может влиять только на эмульгированные жиры, в желудке отсутствуют условия для образования эмульсии жира. Только у детей и у моногастричных животных липаза желудочного сока играет важную роль в переваривании липидов.
Кишечник является основным местом переваривания липидов. В двенадцатиперстной кишке на липиды воздействует желчь печени и сок поджелудочной железы, одновременно происходит нейтрализация кишечного содержимого (химуса). Происходит эмульгирование жиров под действием желчных кислот. В состав желчи входят: холевая кислота, дезоксихолевая (3,12 дигидроксихолановая), хенодезоксихолевая (3,7 дигидроксихолановая) кислоты, натриевые соли парных желчных кислот: гликохолевая, гликодезоксихолевая, таурохолевая, тауродезоксихолевая. Они состоят из двух компонентов: холевой и дезоксихолевой кислот, а также глицина и таурина.
дезоксихолевая кислота хенодезоксихолевая кислота
гликохолевая кислота
таурохолевая кислота
Соли желчных кислот хорошо эмульгируют жиры. При этом увеличивается площадь соприкосновения ферментов с жирами и увеличивается действие фермента. Недостаточность синтеза желчных кислот или задержка поступления нарушает эффективность действия ферментов. Жиры, как правило, всасываются после гидролиза, но часть тонко эмульгированных жиров всасывается через стенку кишечника и переходит в лимфу без гидролиза.
Эстеразы разрывают в жирах эфирную связь между, спиртовой группой и карбоксильной группой карбоновых кислот и неорганических кислот (липаза, фосфатазы).
Под действием липазы жиры гидролизуются на глицерин и высшие жирные кислоты. Активность липазы возрастает под действием желчи, т.е. желчь непосредственно активирует липазу. Кроме того, активность липазы увеличивают ионы Са ++ вследствие того, что ионы Са ++ образуют нерастворимые соли (мыла) с освободившимися жирными кислотами и предотвращают их подавляющее влияние на активность липазы.
Под действием липазы в начале гидролизуются эфирные связи у α и α 1 (боковых) углеродных атомов глицерина, затем у β-углеродного атома:
Под действием липазы до 40% триацилглицеридов расщепляются до глицерина и жирных кислот, 50-55% гидролизуется до 2-моноацилглицеринов и 3-10% не гидролизуется и всасываются в виде триацилглицеринов.
Стериды корма расщепляются ферментом холестеролэстеразой до холестерина и высших жирных кислот. Фосфатиды гидролизуются под влиянием фосфолипаз А, A 2 , С и D. Каждый фермент действует на определенную сложноэфирную связь липида. Точки приложения фосфолипаз представлены на схеме:
Фосфолипазы поджелудочной железы, тканевые фосфолипазы вырабатываются в виде проферментов и активируются трипсином. Фосфолипаза A 2 змеиных ядов катализирует отщепление ненасыщенной жирной кислоты в положении 2 фосфоглицеридов. При этом образуются лизолецитины с гемолитическим действием.
фосфотидилхолин лизолецитин
Поэтому при попадании этого яда в кровь происходит сильный гемолиз.. В кишечнике эта опасность устраняется действием фосфолипазы A 1 , быстро инактивирующей лизофосфатид в результате отщепления от него остатка насыщенной жирной кислоты с превращением его в неактивный глицерофосфохолин.
Лизолецитины в малых концентрациях стимулируют дифференцировку лимфоидных клеток, активность протеинкиназы С, усиливают клеточную пролиферацию.
Коламинфосфатиды и серинфосфатиды расщепляются фосфолипазой А до лизоколаминфосфатидов, лизосеринфосфатидов, которые далее расщепляются фосфолипазой A 2 . Фосфолипазы С и D гидролизуют связи холина; коламина и серина с фосфорной кислотой и остатка фосфорной кислоты с глицерином.
Всасывание липидов происходит в тонком отделе кишечника. Жирные кислоты с длиной цепи менее 10 углеродных атомов всасываются в неэтерифицированной форме. Для всасывания необходимо присутствие эмульгирующих веществ – желчных кислот и желчи.
Ресинтез жира, характерного для данного организма, происходит в кишечной стенке. Концентрация липидов в крови в течение 3-5 часов после приема корма высокая. Хиломикроны – мелкие частицы жира, образующиеся после всасывания в кишечной стенке, представляют собой липопротеиды, окруженные фосфолипидами и белковой оболочкой, внутри содержат молекулы жира и желчных кислот. Они поступают в печень, где липиды подвергаются промежуточному обмену, а желчные кислоты проходят в желчный пузырь и далее обратно в кишечник (см. рис.9.3 на стр.192). В результате такого кругооборота теряется малое количество желчных кислот. Считают, что молекула желчной кислоты в сутки совершает 4 кругооборота.
