Лекція № 4. ХІМІЯ ЛІПІДІВ

1. Загальна біологічна характеристика ліпідів. основні біологічні функції

Ліпіди (lipos - жир, грецьк.) - це велика група різноманітних за хімічною будовою органічних речовин нерозчинних у воді і розчинних у неполярних органічних розчинниках - ефірі, хлороформі, ацетоні, бензолі і т. ін.

Ліпіди відіграють подвійну біологічну роль - енергетичну та структурну. При їхньому розщепленні звільнюється велика кількість енергії. Так, окислення 1 г жиру в організмі людини супроводжується утворенням 35-39 кДж енергії.

Ліпіди як пластичний матеріал, утворюючи комплекси з білками (ліпопротеїни) вуглеводами (глїколіпіди), складають основу структури клітин і тканин.

Особливо важливою є роль ліпідів у структурі мембран клітин та клітинних органел - мітохондрій, рибосом, ядра тощо.

Мембрани, як відомо, відіграють надзвичайно важливу роль у структурі, обміні та функціях клітини.

У кожному типі мембран внутрішня частина являє собою бімолекулярний шар ліпідів, на якому з внутрішньої і зовнішньої сторін розташовані білки, немовби вбудовані з двох боків у ліпідний прошарок. Тому мембрани і вважають багатошаровими або ламелярними структурами. Окрім того, відкладаючись у значних кількостях у підшкірній жировій клітковині, жир відіграє роль термоізолятора, запобігаючи втраті організмом тепла, а також виконує механічну функцію, уберігаючи організм від травмування.

Високий вміст ліпідів у клітинах нервової тканини й особливо головного мозку свідчить про їхню важливу роль у формуванні структури і функцій нервової системи.

Як складні ефіри спиртів та вищих жирних кислот, ліпіди є найважливішим джерелом ендогенної води, яка утворюється під час їхнього окислення, тому що з усіх органічних сполук ліпіди містять найбільшу кількість атомів водню.

Ліпіди і продукти їхнього обміну утворюють велику групу біологічно активних сполук, які впливають на метаболізм і структуру клітин і організму в цілому. Це чоловічі й жіночі статеві гормони, гормони кори надниркових залоз (кортикостероїди), простагландини, жовчні кислоти й жиророзчинні вітаміни -А, D, K, I E.

Основні біологічні функції ліпідів у вільному стані відображає табл.

2. Класифікація ліпідів

Існують три основні класифікації ліпідів; біологічна, або фізіологічна, фізико хімічна і структурна.

Біологічна класифікація. Відповідно до цієї класифікації ліпіди поділяють на резервні і структурні. Резервні ліпіди у великих кількостях депонуються в підшкірній жировій тканині, сальниках внутрішніх органів і в інших жирових депо. Загальна кількість резервних ліпідів у більшості людей становить 10-15% маси тіл Однак кількість резервних ліпідів може значно змінюватися залежно під режиму харчування, інтенсивності фізичного навантаження, стану організму та інших причин. При ожирінні кількість жиру може досягати 25-35%, а іноді навіть 50% маси тіла.

Резервні ліпіди за своєю хімічною структурою належать, головним чином, до ацилгліцеринів і в значних кількостях використовуються для енергетичних потреб організму.

Структурні ліпіди не мають такої енергетичної цінності, як резервні ліпіди. Це переважно складні ліпіди, і у вигляді ліпопротеїнів вони складають основу клітинних структур і субклітинних утворень.

Структурна класифікація - це найскладніша класифікація, яка ґрунтується на хімічній будові ліпідів. Відповідно до цієї класифікації ліпіди поділяються на три великі групи: прості, складні та похідні ліпідів.

Класифікація ліпідів

ЛІПІДИ

Попередники і похідні ліпідів (жирні кислоти, гліцерол, стероїди, альдегіди жирних кислот і кетонові тіла,

вуглеводи і, жиророзчиннівітаміни і гормони)

Прості ліпіди Складні ліпіди

Нейтральні Стерини та стериди Фосфоліпіди Гліколіпіди

жири Ліпопротеїди

(триацилгліце-

риди Гангліозиди Цереброзиди

Воски

Гліцерофос- Сфінголіпіди

фаліпіди

Прості ліпіди - у хімічному відношенні є складними ефірами різних спиртів та жирних кислот. Залежно від спиртового компонента вони діляться на такі

підгрупи:

1. Нейтральні жири або гліцериди (ацилгліцерини) - складні ефіри
трьохатомного спирту гліцерину та вищих жирних кислот.

2. Стерини і стериди. Стерини - одноатомні циклічні спирти. Стериди -
складні ефіри одноатомних циклічних спиртів і вищих жирних кислот.

3. Воски - складні ефіри вищих одноатомних спиртні і вищих жирних кислот.

Складні ліпіди - це також ефіри вищих жирних кислот і спиртів, але на відміну від простих ліпідів, вони мають у своїй структурі ряд інших компонентів (азотисті сполуки, залишки фосфорної або сірчаної кислот, вуглеводи тощо). До складних ліпідів відносяться:

1. Фосфоліпіди (фосфатиди) - складні ефіри спиртів (гліцерину або сфінгозину) і жирних кислот. Окрім того, до їх складу входять залишки фосфорної кислоти і азотисті сполуки (холін, серин).

2. Гліколіпіди - складні ефіри аміноспирту сфінгозину та жирних кислот, зв'язані з вуглеводами (глюкоза, галактоза). Деякі з гліколіпідів містять нейрамінову кислоту і галактозамін.

Сульфоліпіди - подібні, до гліколіпідів, але мають у своєму складі залишок сірчаної кислоти.

Похідні ліпідів. Ця група речовин включає різноманітні сполуки, котрі близькі до ліпідів за будовою і фізико-хімічними властивостями.

До них належать такі речовини, як насичені і ненасичені жирні кислоти, моно- і диацилгліцерини, вищі спирти, а також каротини, жиророзчинні вітаміни (А, Д, Е, К) та ін.

3. Прості ліпіди. жирні кислоти. гліцерин

Нейтральні жири - тригліцериди (триацилгліцерини). Вони складають основу резервних ліпідів і служать джерелом енергії. Оскільки жири є складними ефірами гліцерину і жирних кислот, то їх різноманітність залежить переважно від природи і властивостей жирних кислот, які входять до складу їх молекули.

Вищі жирні кислоти с основними гідрофобними компонентами простих і складних ліпідів. Із різних ліпідів виділено понад 200 жирних кислот. Вони відрізняються між собою довжиною зв'язків, а також замісниками (окси-, кето-, циклічні структури). Більшість жирних кислот, які входять до складу жирів, мають нерозгалужений вуглеводневий ланцюг і парну кількість атомів вуглецю.

У природі жирні кислоти у вільному стані зустрічаються рідко. Проте, утворюючи ефірні чи амідні зв'язки, вони входять до складу різних класів ліпідів, зазначених вище, а також багатьох проміжних продуктів метаболізму ліпіді.

Серед них можуть бути насичені кислоти (масляна, капронова, пальмітинова, стеаринова) і ненасичені, які мають різну кількість подвійних зв'язків: один (олеїнова), два (лінолева), три (ліноленова), чотири (арахідонова).

Суміш жирних кислот, яку одержують під час гідролізу ліпідів із різних природних джерел, звичайно, містить як насичені, так і ненасичені жирні кислоти. У ліпідах тваринного походження переважаючою насиченою жирною кислотою є пальмітинова (С₁₆,), друге місце займає стеаринова кислота (С₁₈).

Більш короткі жирні кислоти (С₁₄ і С₁₂), як і довголанцюгові (до С₂₈), зустрічаються лише в невеликих кількостях. Жирні кислоти, які містять 10 або менше вуглецевих атомів, у тваринних ліпідах зустрічаються рідко, причому у вільному стані ці жирні кислоти в організмі містяться в невеликій кількості, переважно як продукти обміну.

У деяких рідинах організму, таких як молоко і молозиво, присутні жири, які містять разом із вищими жирними кислотами (пальмітиновою, олеїновою) і коротко ланцюгові жирні кислоти (масляна, капронова). У жіночому молоці виявлено близько 40 різних жирних кислот.

У жирових депо відкладаються, головним чином, ліпіди, які містять вищі жирні кислоти з довжиною ланцюга 16-18 вуглецевих атомів.

Що стосується ненанасичених жирних кислот які зустрічаються в природі то всі вони при кімнатній температурі - рідини.

Одинарний подвійний зв'язок у жирних кислотах тваринного походження звичайно знаходиться в 9,10-положенні жирної кислоти. Двома найбільш розповсюдженими мононенасиченими жирними кислотами тваринного походження є олеїнова і пальмітоолеїнова

Проте олеїнова кислота в природі превалює в кількісному відношенні.

Наявність подвійного зв'язку створює можливість утворення цис- та транс-ізомерів. Як правило, природні жирні кислоти з одним подвійним зв'язком є цис-ізомерами.

Жирні кислоти, які мають більше одного подвійного зв'язку, відносяться до поліненасичених кислот.

Встановлено, що чим активніший обмін і функція клітин, тим більше подвійних зв'язків у жирних кислотах, які беруть участь в утворенні їх мембран. Так, із мембран паличкоподібних зорових клітин сітківки ока виділено поліненасичену жирну кислоту, яка має 22 атоми вуглецю в ланцюзі і 6 подвійних зв'язків,

Поліненасичені жирні кислоти входять до складу харчових жирів, особливо рослинних олій, таких як кукурудзяна, соняшникова, горіхова, оливкова, бавовняна та інших, а також деяких лікарських препаратів (риб'ячий жир, лінетол, есенціале, олія обліпихова, олія шипшини, арахіден та ін.),

Найважливішими для організму людини і вищих тварин є такі полінена-сичені кислоти, як лінолева, ліноленова й арахідонова. Ці кислоти в організмі або зовсім не синтезуються (лінолева і ліноленова), або утворюються в недостатніх кількостях (арахідонова), тому їх називають незамінними, або есенціальними кислотами (виключний) ї відносять до вітамінів (вітамін F). Ці кислоти відзначаються високою біологічною активністю. Експериментально доведено, що у разі недостатності лінолевої і ліноленової кислот у тварин, наприклад у щурів, починається випадіння шерсті, посилюється злущування епітелію, а в молодих тварин припиняється ріст.

Жирні кислоти

Характерними біохімічними ознаками дефіциту ненасичених жирних кислот є порушення обміну холіну, холестерину і фосфору. Встановлено, що поліненасичені жирні кислоти знижують вміст холестерину в крові, стимулюють його обмін у печінці і виведення із жовчю. Ефіри холестерину з поліненасиченими жирними кислотами - це важлива транспортна форма стероїдів і необхідна ланка їх метаболізму, Похідними ноліненасичених жирних кислот є гормони простагландини.

Гліцерин

Спиртовим компонентом більшості нейтральних жирів виступає гліцерин.

Це триатомний спирт. У структурі гліцерину відсутній асиметричний атом вуглецю. Він розчинний у воді та етанолі і нерозчинний або слабо розчинний в органічних розчинниках. Гліцерин утворює ефіри з жирними кислотами типу гліцеридів (ацилглїцеринів), які називають також нейтральними ліпідами.
Ацилгліцерини поділяються на моно-, ди- та три-ацилгліцерини, які містять
відповідно один, два і три ефірозв'язані ацили (RСО-):

4. Стерини та стериди. холестерин. воски.

Сполуки цієї групи можна розглядати як похідні відновленої конденсованої циклічної системи - циклопентанпергідрофенаетрену, який складається 5 трьох конденсованих циклогексанових кілець (А, В і С) у нелінійному або фенантреновому сполученні і циклопентанового кільця В.

Стерини, або стероли, - одноатомні вторинні спирти, похідні циклопентан-пергідрофенантрену. Вони широко розповсюджені в живій природі і залежно від походження розподіляються на дві групи - тваринні (зоостерини) і рослинні (фітостерини). У складі тканин стерини перебувають або у вільному стані або (частіше) у вигляді складних ефірів з жирними кислотами - стеридів.

До зоостеринів відносяться: холестерин (С₂₇Н₄₅ОН), десмостерин (С₂₇Н₄₃ОН), ланостерин (С₃₀Н₄₀ОН) і ряд інших. Найбільше значення в організмі людини і тварин має холестерин Холестерин (холестерол) уперше був виділений ще у XVIII сторіччі із жовчних каменів, звідки і походить його назва (сhоlе - жовч, лат.).

Холестерин - це циклічний ненасичений одноатомний спирт. З'єднуючись із жирними кислотами, переважно ненасиченими, холестерин утворює складні ефіри - холестериди. Холестерин і його ефіри є складовою частиною мембран клітин і субклітинних структур. Особливо великий їх вміст (більше 2%) у тканині головного мозку. У крові ефіри холестерину складають основну частину загального холестерину і транспортуються в складі ліпопротеїдів.

В організмі людини та вищих тварин із холестерину утворюються такі біологічно активні сполуки, як гормони кори надниркових залоз -кортикостероїди, статеві гормони, а також жовчні кислоти.

Холестерин може з'єднуватися своєю гідроксильною групою не тільки з жирними кислотами, але й з іншими сполуками в тому числі токсичними речовинами (наприклад, з токсинами патогенних мікроорганізмів, гемолітич-ними отрутами змій тощо) і знешкоджувати їх.

Окрім холестерину, у деяких тканинах (кістковий мозок, кров, нервова тканина шкіра) у невеликих кількостях містяться 7-оксихолестсрин, 7-дегідрохолестерин, який має ще один подвійний зв'язок у положенні С₇-С₈. Під дією ультрафіолетового опромінення 7-дегідрохолестерин, який є у людини в шкірі, перетворюється у вітамін Д₃.

Воски

Загальна назва воски відноситься до природних ефірів вищих жирних кислот і витих монооксиспиртів. Воски утворюють захисне покриття на шкірі, шерсті, пірї, а також є головними ліпідними компонентами багатьох видів морського планктону - одного з основних джерел їжі океанської фауни.

Ланолін - жир шерсті вівці є сумішшю жирнокислотних ефірів ланостерину й агностерину і застосовується у фармації як мазева основа.

Спермацет. Входить до складу спермацетового масла, яке добувають із черепних порожнин кашалота.

Основна складова частина спермацету - цетилпальмітин - складний ефір цетилового спирту і пальмітинової кислоти.

Бджолиний віск - це суміш різних речовин ліпідної природи, серед яких основною складовою частиною є складний ефір мірицилового спирту і

пальмітинової кислоти – мірицилпальмітин. Ланолін, спермацет та бджолиний віск широко використовуються в парфумерії і фармації як основа для приготування кремів і мазей.

5. Складні ліпіди. фосфогліцериди. фосфатиди-негліцериди. гліколіпіди і сульфоліпіди

Складні ліпіди

Складні та змішані ліпіди на відміну під простих ліпідів містять неліпідний компонент, наприклад фосфат (фосфоліпіди), вуглевод (гліколіпіди), білки (ліпопротеїди) та ін.

Фосфоліпіди (фосфатиди), як уже зазначалося, є складовою частиною мембран клітин і субклітинних структур - ядер, мітохондрій, рибосом. Це складні ефіри жирних кислот та спиртів, але, крім того, до їх складу входять фосфорна кислота і такі азотовмісні речовини, як амінокислоти й аміноспирти.

Залежно від характеру спирту, що входить до складу їх молекули, фосфатиди поділяються на дві групи: фосфатид-гліцериди, або фосфогліцериди і фосфатиди-негліцериди.

Фосфогліцериди

Ліпіди цього класу, що називаються також гліцерофосфатами, містяться практично тільки в клітинних мембранах, і лише дуже невелика кількість фосфогліцеридів знаходиться в складі жирових депо.

Молекули всіх фосфогліцеридів мають полярну голову і два неполярних вуглеводневих хвости; тому їх називають амфіпатичними, або полярними ліпідами.

Кожний тип фосфогліцеридів може бути представлений великою кількістю різних сполук, що відрізняються залишками жирних кислот. Як правило, вони містять один залишок насиченої й один залишок ненасиченої жирної кислоти, причому остання знаходиться в положенні С₂ гліцерину. До структури природних фосфогліцеридів входить α-гліцеринфосфорна кислота.

Лецитин. Одним з найперших фосфогліцеридів, отриманим ще у 1845 р. з яєчного жовтка, був лецитин (жовток). У молекулі лецитину два гідроксили гліцерину з'єднані з двома молекулами вищих жирних кислот, з котрих одна, як правило, ненасичена. Третій гідроксил з'єднується з фосфорною кислотою, до якої приєднується аміноспирт - холін. Таким чином, лецитин відноситься до фосфатидилхолінів.

Кефалін. Ця група фосфоліпідів на відміну від лецитину містить замість холіну аміноспирт коламін (етаноламін). Тому ця група фосфоліпідів одержала назву коламінфосфатидів.

Хоча кефалін і лецитин - це старі назви, проте й до теперішнього часу вони використовуються досить часто. Цї два фосфогліцериди метаболічне зв'язані один з одним і є основними ліпідними компонентами більшості мембран у клітинах тварин.

Серинфосфатиди вперше були виділені із головного мозку бика, а потім знайдені і в більшості інших тканин тварин, рослин і бактерій. Вони побудовані з тих же складових частин, але азотовмісна частина в них містить амінокислоту серин

Інозитфосфатиди вперше виділені зтуберкульозних паличок, а потім знайдені в рослинах і тканинах тварин. Ця група фосфатидів характеризується тим, що до їхнього складу входить шестиатомний циклічний спирт інозит.

Існує порівняно багато форм інозитфосфатидів, які відрізняються наявністю або відсутністю (наприклад, ліпозитол) у їх структурі молекули гліцерину, кількістю залишків жирних і фосфорної кислоти. Залежно від цього інозитфосфатиди діляться на три основні групи; монофосфоінозитфосфатиди (де один залишок фосфату сполучається з інозитом), поліфосфоінозитфосфатиди (в яких декілька фосфатів приєднуються до гідроксильних груп інозиту) і складні інозитфосфатиди (у яких до інозиту приєднуються інші речовини - амінокислоти, моносахариди, фітосфінгозин). Поліфосфорні інозитфосфатиди виявлені переважно в головному мозку людини і вищих тварин, де, як вважають, вони відіграють важливу роль у нервовій діяльності. У рослинному світі на них багаті соя, арахіс, соняшник.

Плазмалогени містяться в усіх тканинах організму людини і становлять близько 20% від загальної кількості фосфоліпідів. Особливо багато їх у головному і спинному мозку, де 50-90% під вмісту всіх ліпідів припадає на плазмалогени.

Кардіоліпін - подібний до фосфатидилгліцеринів, але має більш складну структуру. Хребет молекули кардіоліпіну включає три залишки гліцерину.

Кардіоліпін уперше був виділений із серця бика і звідси отримай свою назву. Надалі він був виявлений у багатьох тканинах тварин і людини, в зеленому листі вищих рослин, дріжджах. Вміст його в клітинах складає 7-5% від маси ліпідів. Проте в мембранах мітохондрій він є головним компонентом фосфоліпідів.

Фосфатиди-негліцериди

Діольні фосфатиди (фосфоліпіди) - нова, нещодавно відкрита група сполук. Вони є похідними двохатомних спиртів, у яких одна зі спиртових груп етерифікована залишком жирної кислоти, а інша зв'язана з фосфатом і будь-яким /спиртом, наприклад і холіном. У організмі діольні фосфоліпіди можуть зв'язувати з клітинними мембранами, змінюючи їх функцію. Вони виявляють виразні поверхнево-активні властивості. Великі їх концентрації призводять до гемолізу еритроцитів. Діольні фосфоліпіди впливають на імунні реакції і усувають вплив медіатору ацетилхоліну на клітини, тобто виявляють холінолітичну дію.

Сфінгомієліни. Вони у великих кількостях містяться в нервовій тканині, входячи до складу мієліну, який утворює оболонку нервових волокон {звідси пішла їх назва). Сфінгомієліни виявлені і в інших органах (легені, печінка, нирки, селезінка, а також у крові).

Сфінгомієліни побудовані з двохатомного ненасиченого аміноспирту сфінгозину, холіну, фосфорної та жирної кислот, причому жирна кислота своїм карбоксилом реагує з аміногрупою сфінгозину, в результаті чого утворюється ациламідний зв'язок.

Сфінгомієліни відрізняються між собою характером жирної кислоти, котра входить до їхнього складу (стеаринова, пальмітинова, лігноцеринова).

Гліколіпіди і сульфоліпіди. Гліколіпіди - це велика група складних ліпідів, що містять у своєму складі вуглеводи.

У гліколіпідів голову молекули утворюють полярні, гідрофільні групи вуглеводів, найчастіше D-галактоза, але може бути й глюкоза, а в деяких випадках -галактозамін і нейрамінова кислота.

Найпростішими гліколїпідами є глікозилдиацилгліцерини, виявлені в рослинах і мікроорганізмах.

Інша група - цереброзиди, їх можна розглядати і як гліколіпіди, і як сфінголіпіди, оскільки ці сполуки містять і цукор, і аміноспирт сфінгозин. Особливо багато цереброзидів міститься в мембранах нервових клітин і, зокрема, в мієліновій оболонці. Жирні кислоти, які входять до складу цереброзидів незвичайні, бо містять понад 20 атомів вуглецю; найчастіше зустрічаються нервонова, церебронова і лігноцеринова кислоти.

Нижче наведено формулу цереброзиду нервову, до складу якого входять нервонова кислота (С₂₃Н₄₅СООН) і галактоза. Остання своїм напівацетальним гідроксилом утворює глікозидний зв'язок зі спиртовою групою сфінгозину.

Інший великий клас гліколіпідів складають гангліозиди. Це надзвичайно складні, багаті вуглеводами ліпіди з дуже великими молекулами. Як правило вони виявляються на зовнішній поверхні клітинних мембран, особливо в нервовій тканині. Наприклад, у складі гангліозидів із мозку бика виявлені: жирна кислота, спирт сфінгозин, цукри D-глюкоза і D-галактоза і похідні аміноцукрів - N-ацетил-глюкозамін і N-ацетилнейрамінова кислота. Таким чином, у структурному відношенні гангліозиди подібні до цереброзидів з тією різницею, що замість одного залишку галактози вони мають складний олігосахарид.

Сульфоліпіди - це сульфатні похідні цереброзидів. Сульфат приєднується до третього гідроксилу галактози. Вони мають дуже виразні кислотні властивості і легко зв'язують катіони. Вважають, що вони беруть участь у транспорті катіонів через мембрани нервових клітин і волокон. Тому сульфоліпіди потрібні для нормальної електричної активності нервової системи.

Ліпопротеїди — комплекси ліпідів з білками. По будові це невеликого розміру (150-200 нм) сферичні частини, зовнішня оболонка яких утворена білками (що дозволяє їм пересуватися по крові), а внутрішня частина - ліпідами та їхніми похідними.

Основна функція ліпопротеїдів - транспорт по крові ліпідів. Залежно від кількості білка й ліпідів ліпопротеїди розділяються на хіломікрони, ліпопротеїди низкою щільності (ЛПНЩ) і високої щільності (ЛПВЩ), які раніше позначалися як α- і β-ліпопротеїди.

Хіломікрони - найбільш великий клас ліпопротеїдів і містять до 98-99% ліпідів і тільки 1-2% білка. Вони утворяться в клітинах слизової оболонки кишечника і забезпечують транспорт ліпідів з кишечника в лімфу, а потім у кров.

У ЛПНЩ кількість білка становить 9-20%, а серед ліпідів переважають холестерин і триацилгліцерини (до 40%). Білкова частина ЛПВЩ коливається в межах 35-50%, а ліпідна представлена фосфоліпідами і холестерином. Таким чином, холестерин транспортується по крові в складі ліпопротеїдів, особливо ЛПНЩ. Внаслідок цього між рівнем холестерину й ЛПНЩ відзначається пряма залежність: підвищення холестерину супроводжується збільшенням у крові його транспортної форми ЛПНЩ і навпаки. От чому визначенню рівня ліпопротеїдів у крові надається важливе значення в клінічній лабораторній діагностиці.