Авторы: Маргарита Шувалова; Бойченко Вероника Сергеевна, студент 2 курса магистратуры кафедры биохимии МГУ им. М.В. Ломоносова, преподаватель кафедры биологии АПО.
В отличие от прочих основных биологических соединений, — белков, углеводов и нуклеиновых кислот, — липиды не имеют какой либо общей схемы строения. Это гетерогенная в плане химической структуры группа. На основании общности выполняемых функций их тоже не удается объединить – роли липидов в организмах также очень разнообразны. Единственное, что общего есть у членов этой сборной солянки, — это то, что хотя бы часть молекулы является гидрофобной.
Гидрофобность — это свойство вещества избегать контакта с водой, дословно «страх воды». Мы наблюдаем это свойство каждый день у разных соединений, например, капли масла на поверхности супа или роса на траве (в данном случае гидрофобное вещество — кутин, покрывающий листья растений).
Когда гидрофобная молекула попадает в воду, она нарушает существующие в ней водородные связи. Водородная связь — нековалентная связь между электроотрицательным атомом (азота, кислорода или фтора) и атомом водорода. Также известный пример этих связей в биологических молекулах — водородные связи в молекуле ДНК между азотистыми основаниями и во вторичной структуре белка. Воде приходится образовать вокруг молекулы гидрофобного вещества упорядоченную оболочку за счет новых водородных связей. В итоге упорядоченность в такой системе возрастает. Но возрастание упорядоченности — это нежелательный процесс. Система старается это изменить, для этого нужно уменьшить площадь контакта с водой и количество упорядоченных водных оболочек. На практике мы это видим, когда добавляем масло в воду – образуются капельки, жидкости не смешиваются.
Если часть молекулы гидрофобна, а часть молекулы гидрофильна («любит» воду), то такую молекулу называют амфифильной. При растворении амфифильных веществ в воде полярные области стремятся как можно больше контактировать с водой, в то время как гидрофобные части «прячутся» от нее. В итоге образуются различные структуры — мицеллы, липосомы, мембраны.
Запасающие липиды
Эти вещества находятся в высоко восстановленном состоянии, поэтому при их метаболизме выделяется много энергии (общее правило — чем менее окислено вещество, тем больше энергии в нем запасено). Самая окисленная форма углерода — СО₂ (углекислый газ), самая восстановленная — CH₄ (метан).
Триацилглицериды
Триацилглицеридами называют производные трёхатомного спирта глицерина (=глицерола) и карбоновых кислот. Карбоновые кислоты, входящие в состав липидов, называют жирными. Глицерол и жирные кислоты связаны сложноэфирной связью.
Жирные кислоты могут иметь 4-36 углеродных атомов. Наиболее распространенные жирные кислоты имеют четное число атомов. Это связано с особенностью их синтеза — они синтезируются из двухуглеродных фрагментов.
В углеводородном хвосте жирной кислоты все связи могут быть насыщенными (одинарные С-С связи) или может быть одна или несколько ненасыщенных (двойные С=С связи) Почти все ненасыщенные жирные кислоты в организме имеют цис-конфигурацию. Обычно кислота с ненасыщенными связями стоит у второго атома глицерина.
Кислоты в транс-конфигурации почти не встречаются в наших организмах, поэтому такие кислоты не метаболизируются и вредны для нас. Источником транс-кислот могут быть пищевые продукты, такие как маргарин, получаемый из жидких растительных жирных кислот. Они подвергаются гидрогенизации — присоединению по двойной связи атомов водорода. Так как эта реакция проходит под воздействием высоких температур, часть кислот может приобретать транс-конфигурацию.
Полиненасыщенные жирные кислоты (в которых много ненасыщенных атомов углерода, например, линолевая кислота) не могут синтезироваться в организме человека, поэтому их поступление с пищей особенно важно (к примеру, врачи рекомендуют принимать рыбий жир, особенно детям). Эссенциальные (незаменимые) жирные кислоты делятся на два вида в зависимости от положения первой с конца двойной связи: ω-3 (первая ненасыщенная связь между 3 и 4 атомами) и ω-6 (между 6 и 7). Символ ω ( «омега») указывает на то, что нумерация атомов начинается с конца. Чтобы подчеркнуть особую важность незаменимых жирных кислот, их иногда называют витамин «F» (от англ. fat — жир).
Наличие или отсутствие ненасыщенных связей влияет на температуру плавления триацилглицеридов. Ненасыщенная связь придает гидрофобному хвосту «излом» (см. рис. 8). Из-за одного или нескольких изломов плотная упаковка молекул затруднена, при комнатных температурах такие триацилглицериды жидкие — это те вещества, которые в быту мы называем «масла». В основном масла имеют растительное происхождение — подсолнечное, оливковое, льняное и др., однако есть и животные масла — хорошо известный всем рыбий жир. Вещества, которые в быту называются жирами, являются триацилглицеридами с насыщенными жирными кислотами. Они находятся в твердом состоянии при комнатной температуре и имеют высокую температуру плавления. Жиры, в противоположность маслам, имеют преимущественно животное происхождение (бараний, говяжий, свиной и т.д).
Таким образом, жиры и масла — это один и тот же класс соединений, различия между ними определяются насыщенностью углеводородных хвостов жирных кислот.
Воски
Воски — это сложные эфиры длинноцепочечных (14-36 атомов углерода) жирных кислот и длинноцепочечных (16-36 атомов углерода) спиртов. Воски являются запасающими веществами у некоторых микроорганизмов, например, у микобактерий, многие из которых патогенны (вызывают туберкулёз). У других организмов воски выполняют разнообразные функции: водоотталкивающее покрытия, защита от испарения и придание шерсти и перьям эластичности.
Структурные липиды
Эти липиды являются амфифильными, что позволяет им формировать биологические мембраны. Полярные части молекул контактируют с водной средой (окружающая среда, цитоплазма или полость органеллы), гидрофобные концы обращены внутрь мембраны. Мембрана обладает свойством асимметрии — липиды наружного и внутреннего слоёв различаются.
Фосфолипиды
Фосфолипиды в своей структуре содержат остаток фосфорной кислоты. В зависимости от «основы» выделяют глицерофосфолипиды (производные глицерола) и сфингофосфолипиды (производные аминоспирта сфингозина).
Структура глицерофосфолипидов
За их основу взят спирт глицерин, к гидроксильным группам которого присоединены две жирные кислоты. Эти жирные кислоты еще называют «гидрофобными хвостами», и подобным образом изображают на схемах. Третья гидроксильная группа связана с остатком фосфорной кислоты, который, в свою очередь, может связаться с еще одной молекулой, содержащей спиртовую группу. Примеры этих соединений представлены на рис. 14. Таким образом, если группа-заместитель — серин, то соединение имеет название фосфатидилсерин, если холин – фосфатидилхолин. Фосфорная кислота с группой заместителем — «гидрофильная голова» липида.
Структура сфингофосфолипидов
За их основу взят спирт сфингозин, содержащий 18 атомов углерода. Три атома углерода имитируют структуру глицерина, первый атом углерода несёт гидроксильную группу, к которой, как и в случае глицерина, прикрепляется остаток фосфорной кислоты. Второй атом углерода несёт аминогруппу, к которой с формированием амидной связи (в отличие от сложной эфирной в случае глицерофосфолипидов) присоединяется жирная кислота. Остальная часть сфингозина заменяет ещё одну жирную кислоту, которая была у глицерофосфолипида.
Примеры сфинголипидов: церамид, сфингомиелин, ганглиозид. Особенно ими богата нервная ткань. Также сфинголипиды используются в косметической промышленности.
Гликолипиды
Так же, как и в фосфолипидах, в основе этого класса липидов лежит спирт (глицерол или сфингозин). Однако, в отличие от фосфолипидов, в гликолипидах нет остатка фосфорной кислоты. Вместо этого имеются углеводные фрагменты — моно-, ди- или олигосахариды. Гликолипиды с сульфогруппой называются сульфолипиды.
Холестерол и его производные
Холестерол (=холестерин) выполняет несколько функций:
1) входит в состав животных мембран клеток и влияет на их свойства; остальные организмы имеют его близкие аналоги;
2) служит исходным субстратом в синтезе желчных кислот;
3) является предшественником стероидных гормонов.
Нарушение обмена холестерола приводит к распространенному в популяции заболеванию, при котором поражаются артерии, — атеросклерозу.
Прочие липиды
Перечисленные классы липидов не исчерпывают всего разнообразия этих соединений. Например, важные физиологически активные соединения эйкозаноиды являются производными полиненасыщенных жирных кислот. Эйкозаноиды участвуют во множестве процессов, таких как рост мышечной ткани, раздражение и реакциях иммунитета. Некоторые эйкозаноиды являются нейромедиаторами и гормонами.
Мембранные липиды архей также стоят особняком: одна молекула имеет две гидрофильные головки и одну гидрофобную часть между ними. Получается, что мембрана архей однослойна, так как формируется только одним слоем молекул (в отличие от рассмотренных выше двухслойных мембран). Кроме того, углеводородный фрагмент присоединен к глицеролу простой эфирной связью (сравните со сложноэфирной связью в липидах, рассмотренных выше).
Источники:
- Майкл Кокс, Дэвид Нельсон. Основы биохимии Ленинджера. Том 1.
- Jane Reece, Lisa A. Urry, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Michael L. Cain. Campbell Biology (11th Revised Edition), Chapter 9. 2014.
- Л. Страйер Биохимия, 3 т.
- Б.Альбертс и соавт. Молекулярная биология клетки 3 т.
- Я.Кольман, К.-Г.Рем Наглядная биохимия
Рекомендуемые материалы:
- Майкл Кокс, Дэвид Нельсон. Основы биохимии Ленинджера. Том 1.
- Видеолекция Дубынина В.А на платформе teach-in из курса “100 часов школьной биологии. Общая биология».
- Видеолекция Асеева В.В. на плаформе teach-in.
- Jane Reece, Lisa A. Urry, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Michael L. Cain. Campbell Biology (11th Revised Edition), Chapter 9. 2014.
- Л. Страйер Биохимия, 3 т.
- Б.Альбертс и соавт. Молекулярная биология клетки 3 т.
- Я.Кольман, К.-Г.Рем Наглядная биохимия