Общая характеристика липидов
Липиды — любое из разнообразных органических соединений, включая жиры, масла, гормоны и некоторые компоненты мембран, которые объединены в одну группу, поскольку они не взаимодействуют с водой. Один из видов липидов, триглицериды, откладывается в виде жира в жировых клетках, которые служат энергетическим депо для организмов, а также обеспечивают теплоизоляцию. Некоторые липиды, такие как стероидные гормоны, служат химическими передатчиками между клетками, тканями и органами, а другие передают сигналы между биохимическими системами внутри одной клетки. Мембраны клеток и органелл (структур внутри клеток) представляют собой микроскопически тонкие структуры, состоящие из двух слоев молекул фосфолипидов. Мембраны служат для отделения отдельных клеток от окружающей среды и для разделения внутренней части клетки на структуры, выполняющие особые функции. Эта функция разделения настолько важна, что мембраны и липиды, которые их образуют, должны были сыграть важную роль в зарождении жизни.
Вода является биологической средой — веществом, которое делает жизнь возможной, и почти все молекулярные компоненты живых клеток, будь то животные, растения или микроорганизмы, растворимы в воде. Такие молекулы, как белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, имеют сродство к воде и называются гидрофильными («любящими воду»). Липиды же являются гидрофобными («водобоязненными»). Некоторые липиды амфипатичны — часть их структуры гидрофильна, а другая часть, обычно большая, гидрофобна. Амфипатические липиды демонстрируют уникальное поведение в воде: они спонтанно образуют упорядоченные молекулярные агрегаты, гидрофильные концы которых находятся снаружи, в контакте с водой, а гидрофобные части — внутри, защищенные от воды. Это свойство является ключевым для их роли в качестве фундаментальных компонентов клеточных мембран и мембран органелл.
Хотя биологические липиды не являются крупными макромолекулярными полимерами (например, белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды), многие из них образуются путем химического соединения нескольких небольших составных молекул. Многие из этих молекулярных строительных блоков имеют сходную, или гомологичную, структуру. Гомология позволяет разделить липиды на несколько основных групп: жирные кислоты, производные жирных кислот, холестерин и его производные, а также липопротеины. В данной статье рассматриваются основные группы и объясняется, как эти молекулы функционируют в качестве энергозапасающих молекул, химических мессенджеров и структурных компонентов клеток.
Жирные кислоты
Жирные кислоты редко встречаются в природе в виде свободных молекул, но обычно они входят в состав сложных липидных молекул, таких как жиры (энергоаккумулирующие соединения) и фосфолипиды (основные липидные компоненты клеточных мембран). В этом разделе описывается структура, физические и химические свойства жирных кислот. В нем также объясняется, как живые организмы получают жирные кислоты, как из рациона питания, так и в результате метаболического распада накопленных жиров.
Структура
Биологические жирные кислоты, относящиеся к классу соединений, известных как карбоновые кислоты, состоят из углеводородной цепи с одной концевой карбоксильной группой (COOH). Фрагмент карбоновой кислоты, не включающий гидроксильную (OH) группу, называется ацильной группой. В физиологических условиях в воде эта кислотная группа обычно теряет ион водорода (H+), образуя отрицательно заряженную карбоксилатную группу (COO-). Большинство биологических жирных кислот содержат четное число атомов углерода, поскольку общий для всех организмов путь биосинтеза включает химическое соединение двух углеродных единиц вместе (хотя в некоторых организмах встречаются относительно небольшие количества жирных кислот с нечетным числом). Хотя молекула в целом нерастворима в воде в силу своей гидрофобной углеводородной цепи, отрицательно заряженный карбоксилат является гидрофильным. Эта обычная форма биологических липидов — та, которая содержит хорошо разделенные гидрофобные и гидрофильные части — называется амфипатической.
Помимо углеводородов с прямой цепью, жирные кислоты могут содержать пары углеводородов, соединенных одной или несколькими двойными связями, метиловые ответвления или трехуглеродное циклопропановое кольцо вблизи центра углеродной цепи.
Насыщенные жирные кислоты
Простейшие жирные кислоты представляют собой неразветвленные линейные цепочки групп CH2, соединенных углерод-углеродными одинарными связями с одной конечной группой карбоновой кислоты. Термин «насыщенные» означает, что с каждым углеродом в молекуле связано максимально возможное количество атомов водорода. Многие насыщенные жирные кислоты имеют тривиальное или общее название, а также химически описательное систематическое название. Систематические названия основаны на нумерации атомов углерода, начиная с кислотного углерода. В таблице приведены названия и типичные биологические источники наиболее распространенных насыщенных жирных кислот. Хотя длина цепей обычно составляет от 12 до 24 углеродов, некоторые жирные кислоты с более короткой цепью имеют важное биохимическое значение. Например, масляная кислота (C4) и капроевая кислота (C6) являются липидами, содержащимися в молоке. Пальмовое масло, важный диетический источник жира в некоторых регионах мира, богато жирными кислотами, содержащими 8 и 10 углеродов (C8 и C10).
Ненасыщенные жирные кислоты
Ненасыщенные жирные кислоты имеют одну или несколько углерод-углеродных двойных связей. Термин «ненасыщенные» означает, что с каждым углеродом в молекуле связано меньше максимально возможного количества атомов водорода. Количество двойных связей обозначается общим названием — мононенасыщенные для молекул с одной двойной связью или полиненасыщенные для молекул с двумя или более двойными связями. Олеиновая кислота является примером мононенасыщенной жирной кислоты. В таблице перечислены распространенные репрезентативные мононенасыщенные жирные кислоты вместе с их названиями и типичными источниками. Префикс цис-9 в систематическом названии пальмитолеиновой кислоты означает, что положение двойной связи находится между углеродами 9 и 10. Две группы CH2, непосредственно примыкающие к углеродам с двойной связью, могут принимать две возможные конформации, цис и транс. В цис-конфигурации, которая встречается во всех биологических ненасыщенных жирных кислотах, два соседних углерода лежат на одной стороне углерода с двойной связью. В транс-конфигурации два соседних углерода лежат на противоположных сторонах углеводородов с двойной связью.
Жирные кислоты, содержащие более одной углерод-углеродной двойной связи (полиненасыщенные жирные кислоты), встречаются в относительно небольших количествах. Множественные двойные связи почти всегда разделены группой CH2 (-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-), регулярный мотив расстояния между ними является результатом биосинтетического механизма, с помощью которого двойные связи вводятся в углеводородную цепь.
Арахидоновая кислота (C20) представляет особый интерес как предшественник семейства молекул, известных как эйкозаноиды (от греч. eikosi, «двадцать»), в которое входят простагландины, тромбоксаны и лейкотриены. Эти соединения, вырабатываемые клетками при определенных условиях, обладают мощными физиологическими свойствами, о чем рассказывается в разделе «Внутриклеточные и внеклеточные мессенджеры». Животные не могут синтезировать две важные жирные кислоты, линолевую (омега-6 жирная кислота) и альфа-линоленовую (омега-3 жирная кислота), которые являются предшественниками эйкозаноидов, и поэтому должны получать их в рационе из растительных источников.
Структура арахидоновой кислоты
Транс полиненасыщенные жирные кислоты, хотя и не вырабатываются биосинтетически млекопитающими, производятся микроорганизмами в кишечнике жвачных животных, таких как коровы и козы, а также синтетически путем частичной гидрогенизации жиров и масел при производстве маргарина (так называемые трансжиры). Существуют доказательства того, что потребление трансжиров может иметь пагубные метаболические последствия.
Группы заменителей
Помимо очень распространенных жирных кислот с прямыми насыщенными или ненасыщенными ацильными цепями, многие жирные кислоты химически модифицированы заместителями в углеводородной цепи. Например, утиные железы выделяют жирную кислоту длиной 10 углеродов с метильными (CH3) группами, замещающими один из гидрогенов на углеродах 2, 4, 6 и 8. Некоторые бактерии производят жирные кислоты, в которых метильная группа находится на атоме углерода, наиболее удаленном от кислотной группы, или на предпоследнем углероде. Другие бактерии включают циклопропановое кольцо в центр ацильной цепи. Бактерия, вызывающая туберкулез (Mycobacterium tuberculosis), синтезирует целое семейство циклопропансодержащих жирных кислот, называемых α-миколевыми кислотами. Аналогичные жирные кислоты содержатся и в родственных бактериях. Третьим общим компонентом является гидроксильная группа (OH). Моногидроксильные кислоты встречаются в относительно небольших количествах как в растениях, так и в животных, но они более распространены в бактериях.
Биологические источники
Жирные кислоты встречаются в биологических системах либо в виде свободных молекул, либо как компоненты более сложных липидов. Они поступают из пищевых источников или образуются в процессе метаболизма, как описано ниже.
Переваривание пищевых жирных кислот
Основным источником жирных кислот в рационе питания являются триглицериды, обычно называемые жирами. В организме человека жиры составляют важную часть рациона, и в некоторых странах на их долю приходится до 45% потребляемой энергии. Триглицериды состоят из трех молекул жирных кислот, каждая из которых связана сложноэфирной связью с одной из трех OH-групп молекулы глицерина. После того как триглицериды проходят через желудок и попадают в тонкий кишечник, печень через желчный пузырь выделяет детергенты, называемые желчными солями, которые диспергируют жир в виде мицелл. Затем ферменты поджелудочной железы, называемые липазами, гидролизуют диспергированные жиры с образованием моноглицеридов и свободных жирных кислот. Эти продукты всасываются в клетки, выстилающие тонкий кишечник, где они ресинтезируются в триглицериды. Затем триглицериды вместе с другими видами липидов секретируются этими клетками в липопротеины — большие молекулярные комплексы, которые транспортируются в лимфе и крови к органам-реципиентам. В деталях процесс усвоения триглицеридов или жиров из пищевых источников довольно сложен и несколько отличается в зависимости от вида животных.
Хранение
После транспортировки по кровотоку триглицериды снова гидролизуются до жирных кислот в жировой ткани. Там они транспортируются в жировые клетки, где снова синтезируются в триглицериды и хранятся в виде капель. Жировая или жировая ткань состоит, по сути, из клеток, где внутренняя часть каждой клетки в основном занята жировой каплей. Триглицериды в этих каплях доступны организму по требованию, о чем жировой ткани сообщают гормональные мессенджеры.
Различные животные хранят триглицериды по-разному. Например, у акул жир откладывается в печени, а у костистых рыб — в мышечных волокнах и вокруг них. Насекомые запасают жир в специальном органе, называемом жировым телом. Развитие настоящей жировой ткани наблюдается только у высших животных.
Биосинтез
У млекопитающих жирные кислоты синтезируются в клетках жировой ткани и печени из глюкозы по довольно сложному пути. По сути, шесть углеродов молекулы глюкозы окисляются до пары двухуглеродных фрагментов карбоновых кислот, называемых ацетатом. Отправной точкой биосинтеза является ацетатная группа, химически связанная с молекулой КоА (коэнзима А). Затем начинается процесс построения ацильной цепи жирной кислоты, в основном путем последовательного химического присоединения двухуглеродных фрагментов КоА-ацетата с образованием, например, 16-углеродной насыщенной жирной кислоты пальмитата. Этот процесс катализируется сложным ферментом, известным как синтаза жирных кислот. Удлинение углеродной цепи пальмитата и присоединение углерод-углеродных двойных связей осуществляется впоследствии другими ферментными системами. В целом этот процесс протекает одинаково в различных организмах — от бактерий до человека.
Биологические функции липидов
Большинство липидов в биологических системах функционируют либо как источник запасенной метаболической энергии, либо как структурные матрицы и барьеры проницаемости в биологических мембранах. Очень небольшие количества особых липидов действуют как внутриклеточные мессенджеры и внеклеточные мессенджеры, такие как гормоны и феромоны. Амфипатические липиды, молекулы, позволяющие мембранам образовывать отсеки, должны были быть среди прародителей живых существ. Эта теория подтверждается исследованиями нескольких простых одноклеточных организмов, в которых до трети генома, как полагают, кодируют мембранные белки и ферменты биосинтеза мембранных липидов.
