Липиды

Эта статья — о липидах как о химических веществах. О жирах как компонентах пищи см. Жиры (диетология).

Структурная формула холестерина (холестерола)

Липи́ды (от др.-греч. λίπος — жир) — разнообразная по строению группа биоорганических веществ с общим свойством — растворимостью в неполярных растворителях. Липиды по способности к гидролизу делятся на две большие группы: омыляемые (сложные эфиры спиртов и жирной кислоты: триглицериды, фосфолипиды и т. д.) и неомыляемые липиды (холестерин, витамины А, Е, Д, К).

Липиды при комнатной температуре (+20 °C) могут находиться в твёрдом (жиры) или жидком (масла) состоянии.

Твёрдые жиры — это в основном липиды теплокровных животных (к исключениям относятся, например, триглицериды какао и ореха кокоса). Масла — это в основном липиды растений и холоднокровных животных (например, рыб).

Простые липиды — это эфиры некоторого спирта и жирных кислот, сложные образованы из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Содержатся во всех живых клетках.

Будучи одним из основных компонентов биологических мембран, липиды влияют на проницаемость стенок клеток и активность многих ферментов, участвуют в передаче нервного импульса, в мышечном сокращении, создании межклеточных контактов, в иммунохимических процессах.

Также липиды образуют энергетический запас организма, входят в водоотталкивающие и теплоизоляционные покровы, защищают различные органы от механических воздействий и выполняют другие функции.

К липидам относят также некоторые жирорастворимые вещества, в молекулы которых не входят жирные кислоты, например, терпены и стерины.

Многие липиды входят в состав продуктов питания, используются в промышленности и медицине.

Согласно нестрогому физико-химическому определению, липид — гидрофобное органическое вещество, растворимое в органических растворителях. Согласно строгому биохимическому определению, — это вещества, состоящие из гидрофобных или амфифильных молекул, полученных путём конденсации ацетильных и пропильных групп (в виде ацил-CoА) с возможностью последующей этерификации с различными спиртами.

Границы определения

Используемое ранее определение липидов как группы органических соединений, хорошо растворимых в неполярных органических растворителях, (бензол, хлороформ) и практически нерастворимых в воде, слишком расплывчатое. Во-первых, такое определение вместо чёткой характеристики класса химических соединений говорит лишь о физических свойствах. Во-вторых, в настоящее время известно достаточное количество соединений, нерастворимых в неполярных растворителях или же, наоборот, хорошо растворимых в воде, которые, тем не менее, относят к липидам.

В современной органической химии определение термина «липиды» основано на биосинтетическом родстве данных соединений — к липидам относят жирные кислоты и их производные.

В то же время в биохимии и других разделах биологии к липидам по-прежнему принято относить и гидрофобные или амфифильные вещества другой химической природы. Это определение позволяет включить в число липидов холестерин, который не является производным жирной кислоты.

Описание

Липиды — один из важнейших классов сложных молекул, присутствующих в клетках и тканях животных. Липиды выполняют самые разнообразные функции: снабжают энергией клеточные процессы, формируют клеточные мембраны, участвуют в межклеточной и внутриклеточной сигнализации. Липиды служат предшественниками стероидных гормонов, жёлчных кислот, простагландинов и фосфоинозитидов. В крови содержатся отдельные компоненты липидов (жирные кислоты — насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные), триглицериды, холестерин, эфиры холестерина и фосфолипиды. Все эти вещества не растворимы в воде, поэтому в организме имеется сложная система транспорта липидов. Свободные (неэтерифицированные) жирные кислоты переносятся кровью в виде комплексов с альбумином. Триглицериды, холестерин и фосфолипиды транспортируются в форме водорастворимых липопротеидов. Некоторые липиды используются для создания наночастиц, например, липосом. Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет их многие привлекательные качества. Они нетоксичны, биодеградируемы, при определённых условиях могут поглощаться клетками, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Липосомы предназначены для целевой доставки в клетки препаратов фотодинамической или генной терапии, а также компонентов другого назначения, например, косметического.

Классификация липидов

Классификация липидов, как и других соединений биологической природы, весьма спорна и проблематична. Предлагаемая ниже классификация хоть и широко распространена в липидологии, но далеко не единственная. Она основана прежде всего на структурных и биосинтетических особенностях разных групп липидов.

Простые липиды

Простые липиды — липиды, включающие углерод (С), водород (H), кислород (O) и иногда азот (N).

Примеры жирных кислот: миристиновая (насыщенная жирная кислота) и миристолеиновая (мононенасыщенная кислота) имеют по 14 атомов углерода

• Жирные кислоты — алифатические одноосновные карбоновые кислоты с открытой цепью, содержащиеся в этерифицированной форме в жирах, маслах и восках растительного и животного происхождения.
• Жирные альдегиды — высокомолекулярные альдегиды, с числом атомов углерода в молекуле выше 12.
• Жирные спирты — высокомолекулярные спирты, содержащие 1—3 гидроксильные группы.
• Предельные углеводороды с длинной алифатической цепочкой.
• Сфингозин — 2-амино-4-октадецен-1,3-диол — высший алифатический аминоспирт с ненасыщенной углеводородной цепью (C18).
• Воски — сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов.
• Триглицериды (жиры), а также моно- и диглицериды — эфиры спирта глицерина и жирных кислот.

Сложные липиды

Сложные липиды — липиды, включающие в свою структуру помимо углерода (С), водорода (H) и кислорода (О) другие химические элементы. Чаще всего: фосфор (Р), серу (S), азот (N).

Общее строение фосфолипидов
Заместители R¹ и R² — остатки жирных кислот, радикал X зависит от типа фосфолипида.

• Полярные
  • Фосфолипиды — сложные эфиры многоатомных спиртов и высших жирных кислот, содержащие остаток фосфорной кислоты и соединённую с ней добавочную группу атомов различной химической природы.
  • Гликолипиды — сложные липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами.
  • Фосфогликолипиды
  • Сфинголипиды — класс липидов, относящихся к производным алифатических аминоспиртов.
  • Мышьяколипиды

• Нейтральные
  • Церамиды
  • Эфиры стеринов — холестериды.
  • N-ацетилэтаноламиды

Оксилипиды

• Оксилипиды липоксигеназного пути
• Оксилипиды циклооксигеназного пути

Строение

Молекулы простых липидов состоят из спирта, жирных кислот, сложных — из спирта, высокомолекулярных жирных кислот, возможны остатки фосфорной кислоты, углеводов, азотистых оснований и др. Строение липидов зависит в первую очередь от пути их биосинтеза.

Биологические функции

Энергетическая функция

Многие жиры используются организмом как источник энергии. При полном окислении 1 г жира выделяется около 9 ккал энергии, это примерно вдвое больше, чем при окислении 1 г углеводов (4,1 ккал).

Жировые отложения в организме используются как запасные источники питательных веществ, прежде всего животными, вынужденных носить свои энергетические запасы на себе.

Растения чаще запасают энергию в виде углеводов, однако в семенах многих растений высоко содержание жиров. Растительные масла получают из семян подсолнечника, кукурузы, рапса, льна и других масличных растений.

Почти все живые организмы запасают энергию в форме жиров. Существуют две основные причины, по которым именно эти вещества лучше всего подходят для выполнения такой функции. Во-первых, жиры содержат остатки жирных кислот, уровень окисленности которых очень низкий (почти такой же как у углеводородов нефти). Поэтому полное окисление жира до воды и углекислого газа позволяет получить более чем вдвое больше энергии, чем окисление той же массы углеводов.

Во-вторых, жиры — гидрофобные соединения, поэтому организм, запасая энергию в такой форме, не должен нести дополнительную воду, необходимую для гидратации, как в случае с полисахаридами, на 1 г которых в организмах приходится 2 г воды. Однако триглицериды — это «более медленный» источник энергии, чем углеводы.

Жиры запасаются в форме капель в цитоплазме клетки. У позвоночных есть специализированные клетки — адипоциты, почти полностью заполненные большой каплей жира.

Также богатыми на триглицериды являются семена многих растений. Мобилизация жиров в адипоцитах и клетках прорастающих семян происходит благодаря липазам — ферментам, которые расщепляют их на глицерин и жирные кислоты.

У людей наибольшее количество жировой ткани находится под кожей (так называемая подкожная клетчатка), особенно в районе живота и молочных желез. Человеку с лёгким ожирением (15—20 кг триглицеридов) таких запасов может хватить для обеспечения организма энергией в течение примерно месяца, в то время как всего запасённого в организме гликогена хватит менее чем на сутки.

Функция теплоизоляции

Жир — хороший теплоизолятор, поэтому у многих теплокровных животных он откладывается в подкожной жировой ткани, уменьшая потери тепла. Особенно толстый подкожный жировой слой характерен для водных млекопитающих (китов, моржей и др.). У животных, обитающих в жарком климате (верблюды, тушканчики) жир откладывается на изолированных участках тела (в горбах у верблюда, в хвосте у жирнохвостых тушканчиков) в качестве резервных запасов воды (выделяемой при окислении жира).

Структурная функция

Самоорганизация фосфолипидов: сферические липосомы, мицеллы и липидный бислой

Фосфолипиды составляют основу билипидного слоя клеточных мембран, холестерин — регулятор текучести мембран. У архей в состав мембран входят производные изопреноидных углеводородов. Воск образует кутикулу на поверхности надземных органов (листьев и молодых побегов) растений. Воск также производят многие насекомые (так, пчёлы строят из него соты, а червецы и щитовки образуют защитные чехлы).

Все живые клетки окружены плазматическими мембранами, основным структурным элементом которых является двойной слой липидов (липидный бислой). На 1 мкм² биологической мембраны находится около миллиона молекул липидов.

Все липиды, входящие в состав мембран, имеют амфифильные свойства: их молекулы состоят из гидрофильной и гидрофобной частей. В водной среде такие молекулы спонтанно образуют мицеллы и бислои в результате гидрофобных и гидрофильных взаимодействий. В таких структурах полярные головы молекул обращены наружу мицеллы к водной фазе, а неполярные хвосты — внутрь, такая же ориентация молекул липидов характерна для естественных клеточных мембран. Формирование гидрофобного слоя очень важно для выполнения мембранами их функций, поскольку он непроницаем для ионов и полярных соединений.

Основными структурными липидами, которые входят в состав мембран животных клеток, являются глицерофосфолипиды, в основном фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин, а также холестерин, что увеличивает их непроницаемость. Другие ткани могут быть выборочно обогащены другими классами мембранных липидов, например нервная ткань содержит много сфингофосфолипидов, в частности сфингомиелина, а также сфингогликолипидов.

В мембранах растительных клеток холестерина нет, но содержится другой стероид — эргостерол.

Мембраны тилакоидов содержат большое количество галактолипидов, а также сульфолипиды.

Регуляторная

• Витамины-липиды (A, D, E, K)
• Гормональная (стероиды, эйкозаноиды, простагландины и прочие.)
• Кофакторы (долихол)
• Сигнальные молекулы (диглицериды, жасмоновая кислота)

Некоторые липиды играют активную роль в регулировании жизнедеятельности отдельных клеток и организма животных в целом. В частности, к липидам относятся стероидные гормоны, секретируемые половыми железами и корой надпочечников. Эти вещества переносятся кровью по всему организму и влияют на его функционирование.

Среди липидов есть также и вторичные посредники — вещества, участвующие в передаче сигнала от гормонов или других биологически активных веществ внутри клетки. В частности фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат (ФИ (4,5) Ф₂) задействован в сигнализировании при участии G-белков, фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат инициирует образование супрамолекулярных комплексов сигнальных белков в ответ на действие определённых внеклеточных факторов, сфинголипиды, а такие как сфингомиелин и церамид, могут регулировать активность протеинкиназы и стимулировать апоптоз.

Производные арахидоновой кислоты — эйкозаноиды — являются примером паракринных регуляторов липидной природы. В зависимости от особенностей строения эти вещества делятся на три основные группы: простагландины, тромбоксаны и лейкотриены. Они участвуют в регуляции широкого спектра физиологических функций, в частности эйкозаноиды необходимы для работы половой системы, для индукции и прохождения воспалительного процесса (в том числе обеспечения боли и повышения температуры), для свёртывания крови, регуляции кровяного давления, также они могут быть задействованы в аллергических реакциях.

Защитная (амортизационная)

Толстый слой жира защищает внутренние органы многих животных от повреждений при ударах (например, сивучи при массе до тонны могут прыгать в воду со скал высотой 20—25 м).

Увеличения плавучести

Самые разные организмы — от диатомовых водорослей до акул — используют резервные запасы жира как средство снижения среднего удельного веса тела, так как плотность жира ниже плотности воды, и, таким образом, увеличения плавучести. Это позволяет снизить расходы энергии на удержание в толще воды.

Липиды в рационе человека

Среди липидов в рационе человека преобладают триглицериды (нейтральные жиры), они являются богатым источником энергии, а также необходимы для усвоения жирорастворимых витаминов.

Насыщенными жирными кислотами богата пища животного происхождения: мясо, молочные продукты, а также некоторые тропические растения, такие как орехи кокосовой пальмы.

Ненасыщенные жирные кислоты содержатся в орехах, семенах, в оливковом масле и других растительных масел.

Основными источниками холестерина в рационе является мясо и внутренние органы животных, яичные желтки, молочные продукты и рыба. Около 85 % процентов холестерина в крови синтезируется в печени.

Организация American Heart Association рекомендует употреблять липиды в количестве не более 30 % от полного рациона и сократить содержание насыщенных жирных кислот в рационе до 10 % от всех жиров и не принимать более 300 мг холестерина (такое количество содержится в одном яичном желтке) в сутки. Цель этих рекомендаций — ограничение уровня холестерина и триглицеридов в крови до 20 мг/л.

Суточная потребность взрослого человека в липидах — 70—145 г.

Незаменимые жирные кислоты

Основная статья: Незаменимые жирные кислоты

Печень играет ключевую роль в метаболизме жирных кислот, однако некоторые из них она синтезировать неспособна. Эти жирные кислоты называются незаменимыми и к ним в частности относятся ω-3- (линоленовая) и ω-6- (линолевая) полиненасыщенные жирные кислоты, они содержатся в основном в растительных жирах. Линоленовая кислота является предшественником для синтеза двух других ω-3-кислот: эйкозапентаеновой (EPA) и докозагексаеновой (DHA). Эти вещества необходимы для работы головного мозга, и положительно влияют на когнитивные и поведенческие функции.

Важно также соотношение ω-6/ω-3-жирных кислот в рационе: рекомендуемая пропорция лежит в пределах от 1:1 до 4:1. Однако исследования показывают, что большинство жителей Северной Америки употребляют в 10—30 раз больше ω-6 жирных кислот, чем ω-3. Такое потребление повышает риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. Зато «средиземноморский рацион» считается значительно здоровее, он богат на линоленовую и другие ω-3-кислоты, источником которых являются зелёные растения (например листья салата), рыба, чеснок, цельные злаки, свежие овощи и фрукты. Как пищевую добавку, содержащую жирные кислоты ω-3, рекомендуется принимать рыбий жир.

Транс-ненасыщенные жирные кислоты

Большинство природных жиров содержат ненасыщенные жирные кислоты с двойными связями в цис-конфигурации. Если пища, богатая такими жирами, долго находится в контакте с воздухом, она прогоркает. Это вызвано окислительным расщеплением двойных связей, в результате которого образуются перекиси жирных кислот, альдегиды и карбоновые кислоты с меньшей молекулярной массой, часть из которых является летучими веществами.

Для того чтобы увеличить срок хранения и устойчивость к высоким температурам триглицеридов с ненасыщенными жирными кислотами применяют процедуру частичной гидрогенизации. Следствием этого процесса является превращение двойных связей в одинарные, однако побочным эффектом также может быть переход негидрогенизированыых двойных связей из цис- в транс-конфигурацию, такие жиры называют «транс-жирами». Употребление транс-жиров влечёт повышение содержания липопротеинов низкой плотности («плохой» холестерин) и снижение содержания липопротеинов высокой плотности («хороший» холестерин) в крови, что приводит к увеличению риска возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, в частности коронарной недостаточности. Более того транс-жиры обостряют воспалительные процессы.

См. также

• Жирные кислоты
• Жиры
• Воски
• Фосфолипиды
• Поликетиды
• Липолиз
• Нанокапсулирование
• Липидная мембрана на подложке

Литература

• Липиды // Большая российская энциклопедия. Том 17. — М., 2010. — С. 550—551.
• Черкасова Л. С., Мережинский М. Ф. Обмен жиров и липидов, Минск, 1961;
• Маркман А. Л. Химия липидов, в. 1—2, Таш., 1963—70;
• Тютюнников Б. Н. Химия жиров, М., 1966;
• Малер Г., Кордес К. Основы биологической химии, пер. с англ., М., 1970.
• Julian N. Kanfer and Sen-itiroh Hakomori. Sphingolipid Biochemistry, vol. 3 of Handbook of Lipid Research (1983)
• Dennis E. Vance and Jean E. Vance (eds.) Biochemistry of Lipids and Membranes (1985).
• Donald M. Small. The Physical Chemistry of Lipids, vol. 4 of Handbook of Lipid Research (1986).
• Robert B. Gennis. Biomembranes: Molecular Structure and Function (1989)
• Gunstone, F. D., John L. Harwood, and Fred B. Padley (eds.) The Lipid Handbook (1994).
• Charles R. Scriver, Arthur L. Beaudet, William S. Sly, and David Valle. The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease (1995).
• Gunstone, F. D. Fatty acids and lipid chemistry. — London: Blackie Academic and Professional, 1996. 252 pp.
• Robert M. Bell, John H. Exton, and Stephen M. Prescott (eds.) Lipid Second Messengers, vol. 8 of Handbook of Lipid Research (1996).
• Christopher K. Mathews, K. E. van Holde, and Kevin G. Ahern. Biochemistry, 3rd ed. (2000).
• Chapter 12 in «Biochemistry» by Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko and Lubert Stryer (2002) W. H. Freeman and Co.
• Alberts, B., et al. (2004) «Essential Cell Biology, 2nd Edition.» Garland Science. ISBN 0-8153-3480-X
• Solomon, Eldra P., et. al. (2005) «Biology, 7th Edition.» Thomson, Brooks/Cole.
• «Advanced Biology — Principles and Applications.» C.J. Clegg and D.G. Mackean. ISBN 0-7195-7670-9
• Georg Löffler, Petro E. Petrides: Biochemie und Pathobiochemie. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-42295-1
• Florian Horn, Isabelle Moc, Nadine Schneider: Biochemie des Menschen. Thieme, Stuttgart 2005, ISBN 3-13-130883-4
• Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Chemie. Thieme, Stuttgart 2003, ISBN 3-13-484308-0
• Fahy E. et al. A comprehensive classification system for lipids // J. Lipid. Res. 2005. V. 46, № 5. P. 839—861. doi:10.1194/jlr.E400004-JLR200