Каковы строение, свойства и функции липидов - Клетка - структурная и функциональная единица жизни - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

Липиды — это жироподобные органические соединения, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в неполярных растворителях (эфире, бензине, бензоле, хлороформе и др.). Липиды принадлежат к простейшим биологическим молекулам. В химическом отношении большинство липидов представляет собой сложные эфиры высших карбоновых кислот (жирных) и ряда спиртов. Наиболее известны среди них жиры. Каждая молекула жира образована молекулой трехатомного спирта глицерола и присоединенными к ней эфирными связями трех молекул высших карбоновых кислот. Согласно принятой номенклатуре жиры называют триаиилглицеролами.

Когда жиры гидролизуются (т.е. расщепляются из-за внедрения Н⁺ и ОН" в эфирные связи), они распадаются на глицерол и свободные высшие карбоновые кислоты, каждая из которых содержит четное число атомов углерода:

Атомы углерода в молекулах высших карбоновых кислот могут быть соединены друг с другом как простыми, так и двойными связями. Среди предельных (насыщенных) высших карбоновых кислот наиболее часто в состав жиров входят:

пальмитиновая СН₃ — (СН₂)₁₄ — СООН или С₁₅Н₃₁СООН;

стеариновая СН₃ — (СН₂)₁₆ — СООН или С₁₇Н₃₅СООН;

арахиновая СН₃ — (СН₂)₁₈ — СООН или С₁₉Н₃₉СООН;

среди непредельных:

олеиновая СН₃ — (СН₂)₇ —СН = СН - (СН₂)₇ —СООН или С₁₇Н₃₃СООН;

линолевая СН₃ — (СН₂)₄ — СН = СН — СН₂ — СН — (СН₂)₇ — СООН или С₁₇Н₃₁СООН;

линоленовая СН₃ — СН₂ — СН = СН — СН₂ — СН = СН — СН₂ — СН = СН — (СН₂)₇ — СООН или С₁₇Н₂₉СООН.

Степень ненасыщенности и длина углеродных цепей высших карбоновых кислот (т.е. число атомов углерода) определяет физические свойства того или иного жира.

Жиры, содержащие короткие и ненасыщенные углеродные цепи в остатках жирных кислот, имеют низкую температуру плавления. При комнатной температуре это жидкости (масла) либо мазеподобные вещества. И наоборот, жиры с длинными и насыщенными углеродными цепями высших карбоновых кислот при комнатной температуре представляют собой твердые вещества. Вот почему при гидрировании (насыщении кислотных цепей атомами водорода по двойным связям) жидкое арахисовое масло, например, превращается в однородное мазеобразное, а подсолнечное масло — в твердый маргарин. В организме животных, живущих в холодном климате, например, у рыб арктических морей, обычно содержится больше ненасыщенных триацилглицеролов, чем у обитателей южных широт. По этой причине тело их остается гибким и при низких температурах.

Различают:

Фосфолипиды— амфифильные соединения, т.е. имеют полярные головки и неполярные хвосты. Группы, образующие полярную головку, гидрофильны (растворимы в воде), а неполярные хвостовые группы гидрофобны (нерастворимы в воде) (рис. 1).

Рисунок 1. Ориентация фосфолипидных молекул на поверхности воды. Полярные головки молекул контактируют с водой, а гидрофобные хвосты выступают в воздух

Двойственная природа этих липидов обусловливает их ключевую роль в организации биологических мембран.

Воска — сложные эфиры одноатомных (с одной гидроксильной группой) высокомолекулярных (имеющих длинный углеродный скелет) спиртов и высших карбоновых кислот.

Еще одну группу липидов составляют стероиды. Эти вещества построены на основе полициклического насыщенного углеводорода — эстрана, состоящего из четырех конденсированных углеродных колец. Стероиды очень плохо растворимы в воде и не содержат высших карбоновых кислот.

К ним относятся желчные кислоты, холестерин, половые гормоны, витамин D и др.

К стероидам близки терпены (ростовые вещества растений — гиббереллины; фитол, входящий в состав хлорофилла; каротиноиды — фотосинтетичские пигменты; эфирные масла растений — ментол, камфара и др.).

Липиды могут образовывать комплексы с другими биологическими молекулами.

Липопротеины— сложные образования, содержащие триацилглицеролы, холестерин и белки, причем последние могут быть связаны или не связаны ковалентными связями с липидами.

Гликолипиды — это группа липидов, построенных на основе спирта сфингозина и содержащих кроме остатка высших карбоновых кислот одну или несколько молекул сахаров (чаще всего глюкозу или галактозу).

Функции липидов

Структурная. Фосфолипиды вместе с белками образуют биологические мембраны. В состав мембран входят также стеролы.

Энергетическая. При окислении 1 г жиров высвобождается 38,9 кДж энергии, которая идет на образование АТФ. В форме липидов хранится значительная часть энергетических запасов организма, которые расходуются при недостатке питательных веществ. Животные, впадающие в спячку, и растения накапливают жиры и масла и расходуют их на поддержание процессов жизнедеятельности. Высокое содержание липидов в семенах обеспечивает энергией развитие зародыша и проростка, пока он не перейдет к самостоятельному питанию. Семена многих растений (кокосовая пальма, клещевина, подсолнечник, соя, рапс и др.) служат сырьем для получения масла промышленным способом.

Защитная и теплоизоляционная. Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке и вокруг некоторых органов (почки, кишечник), жировой слой защищает организм от механических повреждений. Кроме того, благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранить тепло, что позволяет, например, многим животным обитать в условиях холодного климата. У китов, кроме того, он играет еще и другую роль — способствует плавучести.

Смазывающая и водоотталкивающая. Воска покрывают кожу, шерсть, перья, делают их более эластичными и предохраняют от влаги. Восковым налетом покрыты листья и плоды многих растений; воск используется пчелами в строительстве сот.

Регуляторная. Многие гормоны являются производными холестерола, например, половые (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин) и кортикостероиды (альдостерон).

Метаболическая. Производные холестерола, витамин D играют ключевую роль в обмене кальция и фосфора. Желчные кислоты участвуют в процессах пищеварения (эмульгирование жиров) и всасывания высших карбоновых кислот.

Липиды являются источником метаболической воды. При окислении 100 г жира образуется примерно 105 г воды. Эта вода очень важна для некоторых обитателей пустынь, в частности для верблюдов, способных обходиться без воды в течение 10—12 суток: жир, запасенный в горбе, используется именно на эти цели. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и другие животные в спячке также получают в результате окисления жира.