3. Липиды и клеточные мембраны

В большую группу биогенных веществ входят компоненты клеток липидной природы, извлекаемые из них неполярными растворителями. Полный анализ всех составляющих таких экстрактов даёт очень сложную картину. Во всяком случае, вещества с преобладанием липофильных фраг-ментов, содержащиеся в клетках растений и животных, можно разделить на четыре основных группы.

• Жирные кислоты

• Глицеринсодержащие липиды:

моно-, ди- и триацилглицерины (жиры),

простые эфиры глицерина,

фосфоглицериды.

• Липиды, в составе которых нет глицерина:

сфинголипиды,

алифатические спирты и воска,

терпены,

стероиды.

Кроме них, есть ещё липопротеины, гликолипиды и другие высокомо-лекулярные соединения с преобладанием гидрофобных составляющих.

Нейтральные триглицериды (триацилглицерины), известные как жи-ровые вещества, малополярны; их главное предназначение – это обеспе-чение энергетических потребностей клетки. Молекулы многих других липидов включают полярные фрагменты, придающие им свойства поверхностно-активных веществ. Эти амфифильные молекулы (греч. amphi – оба, phile – сродство, любовь), имеющие гидрофильные и липо-фильные фрагменты, входят, например, в состав клеточных мембран и выполняют регуляторные функции.

3.1. Эфиры жирных кислот и глицерина

Трёхатомный спирт – глицерин может быть частично или полностью этерифицирован высшими монокарбоновыми кислотами, которые чаще всего называют жирными кислотами. Моноацилглицерины – это пищевые поверхностно-активные вещества. Их вводят в состав многих пищевых продуктов; хлеб с добавкой моноацилглицеринов не черствеет в течение многих дней. Очень важно, что эти вещества являются также хорошими средствами для защиты от микроорганизмов. Как и многие другие поверхностно-активные вещества они повреждают мембраны болезнетвор-ных бактерий, разрушают ансамбль белков в оболочках вирусов. Особенно активен в этом отношении монолаурат глицерина. В последние годы была обнаружена важная роль некоторых производных жирных кислот – нейролипинов – в функционировании нервной системы.

В небольших количествах глицерин и жирные кислоты содержатся в клетках в свободном состоянии, но основная их часть связана с другими молекулами. Глицерин обычно находится в виде эфира с фосфорной кис-лотой, а жирные кислоты, если они не связаны с глицерином, чаще всего находятся в виде тиоэфиров кофермента А (СоА-S-СО-R) или в виде различных амидов. Входящие в состав жиров карбоновые кислоты состоят из чётного числа атомов углерода в неразветвленной ациклической цепи. Они могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными. Важнейшие из насыщенных карбоновых кислот: масляная (С₄), капроновая (С₆), каприно-вая (С₈), каприловая (С₁₀), лауриновая (С₁₂), миристиновая (С₁₄), пальмити-новая (С₁₆), стеариновая (С₁₈) и арахиновая (С₂₀). Названия их происходят от названий жиров (например, капрос – греч. коза), из которых они были выделены. В различных метаболических превращениях могут принимать участие и карбоновые кислоты с нечётным числом атомов углерода: про-пионовая (С₃), валериановая (С₅), энантовая (С₇), пеларгоновая (С₉), но в составе жиров они могут присутствовать лишь в очень малых количествах.

Широко распространены в составе жиров и липидов клеточных мемб-ран производные ненасыщенных жирных кислот, содержащих от одной до четырёх двойных связей. У двойных связей возможна цис-транс-изомерия и свойства (физические и биохимические) кислот и их производных опре-деляются геометрией этих связей. Так, например, растворимость стеари-новой кислоты в холодном спирте составляет всего лишь 2,5%, тогда как олеиновая кислота (её содержание в оливковом масле доходит до 82%), линолевая кислота и линоленовая кислота (из льняного масла) смеши-ваются с холодным спиртом в любом соотношении.

Олеиновая

Линолевая

Линоленовая

Обычно двойные связи природных ненасыщенных кислот имеют цис-конфигурацию. При нагревании и при получении маргарина остатки этих кислот в составе растительных жиров частично изомеризуются (это ре-зультат реакций гидрирования-дегидрирования) в трансизомеры (олеино-вая кислота в элаидиновую), которые очень вредны для здоровья.

Но есть жиры и с ненасыщенными кислотами с сопряжёнными двой-ными связями, например, в состав тунгового масла входит элеостеариновая кислота

Эфиры полиненасыщенных жирных кислот очень легко окисляются кислородом воздуха с образованием пероксидов и гидропероксидов (про-горкание масел). Особенно легко этот процесс идёт на свету, когда воз-можна и радикальная полимеризация (тара для растительных масел должна быть тёмноокрашенной). Ненасыщенные кислоты озонируются, что позво-ляет установить их строение. При окислении олеиновой кислоты перманга-натом в мягких условиях образуется диоксистеариновая кислота, разлагаю-щаяся в более жёстких условиях на пеларгоновую кислоту и дикарбоновую (С₉) азелаиновую кислоту:

Очень важную роль в структуре клеточных мембран и в биосинтезе простагландинов, простациклинов и тромбоксанов (эти вещества выпол-няют в организме регуляторные функции) играет арахидоновая кислота – С₂₀-кислота с четырьмя двойными связями:

Арахидоновая кислота входит в состав липидов клеточных мембран, но возможности её биосинтеза в организме человека ограничены. В боль-шом количестве полиненасыщенные жирные кислоты (в том числе и ара-хидоновая) содержатся в жире планктона холодных морей, из которого они попадают в криль и в жир холодноводных рыб (лосось, треска). Обилие двойных связей делает арахидоновую кислоту очень чувствительной к окислению, но будучи включённой в плазматические мембраны в составе липидов со сложноэфирными связями, она защищена от окисления гидро-фобным окружением. При нарушении целостности мембран липиды могут подвергаться ферментативному гидролизу, а выделяющаяся при этом свободная арахидоновая кислота окисляется кислородом при катализе ферментом циклооксигеназой (СОХ) с образованием пероксидного произ-водного:

Это вещество далее превращается в простагландины, простациклины и тромбоксаны (их часто объединяют общим названием простаноиды), ко-торые запускают целый ряд физиологических процессов, связанных с реак-цией на вызвавшее повреждение клеток воздействие. Простагландины (впервые выделены из предстательной железы – простаты) и простацикли-ны являются биологическим регуляторами с многочисленными и разно-образными функциями, в частности, они принимают участие в развитии воспалительного процесса и усиливают болевой сигнал, а тромбоксаны стимулируют агрегацию тромбоцитов. Это является биологическим отве-том на повреждение клетки, в результате которого произошло высвобож-дение арахидоновой кислоты из липидов клеточной мембраны.

Интересно, что эндогенным каннабиноидом, т.е. веществом, действие которого имитирует тетрагидроканнабинол (активное вещество марихуаны и гашиша), является амид арахидоновой кислоты и этаноламина или анандамид (ананд на санскрите – блаженство), выполняющий в организме определённые медиаторные функции. В центральной нервной системе обнаружен аналог анандамида 2-арахидонилглицерин. Его содержание в нервной ткани в 170 раз превышает содержание анандамида. Заметные количества анандамида содержатся в шоколаде. Сейчас синтез агонистов и антагонистов анандамида и других нейролипинов является одной из приоритетных областей химической фармакологии.

Состав жиров по кислотам сильно различается не только по проис-хождению из разных организмов, но и по локализации в одном организме. Так, например, в жире молока коровы много короткоцепочечных жирных кислот (9% С₄, 3% С₆, 2% С₈, 4% С₁₀, 3% С₁₂). В жире мяса крупного рогатого скота их нет, но много трудно усвояемой стеариновой кислоты. Жир печени богаче ненасыщенными жирными кислотами, чем жир под-кожных тканей. Много ненасыщенных жирных кислот в растительных маслах, в свином жире. В организме гидролиз жиров катализируется ферментами – липазами.