Структурная биохимия - Учебное пособие - Е. А. Бессолицына 2015

Если животную или растительную ткань последовательно обрабатывать одним или несколькими органическими растворителями, например этанолом, эфиром, хлороформом, бензолом или петролейным эфиром, то некоторая часть материала перейдет в раствор. Компоненты такой растворимой фракции (вытяжки) называются липидами.

Липиды — это все гидрофобные молекулы клетки, растворимые в органических растворителях.

Липидная фракция содержит вещества различных типов, которые могут быть классифицированы следующим образом:

I. Жирные кислоты

II. Глицеринсодержащие липиды

а) нейтральные жиры

1) моно-, ди- и триацилглицерины

2) простые эфиры глицерина

3) гликозилглицериды

б) фосфоглицериды

1) фосфатиды

2) дифосфатидилглицериды и фосфоинозитиды

III. Липиды, не содержащие глицерин

а) сфинголипиды

1) церамиды

2) сфингомиелины

3) гликосфинголипиды

б) алифатические спирты и воска

в) терпены

г) стероиды

IV. Липиды, связанные с веществами других классов

а) липопротеины

б) протеолипиды

Из-за гетерогенности входящих в липидную фракцию компонентов термин «липидная фракция» нельзя рассматривать как структурную характеристику; он является лишь рабочим лабораторным названием фракции, получаемой при экстракции биологического материала малополярными растворителями. Однако большинство липидов имеет некоторые общие структурные особенности, обусловливающие их важные биологические свойства так же, как и сходную растворимость. В большинстве случаев они являются ионными или полярными производными углеводородов и принадлежат к классу веществ, называемых амфифилами или бифилами. Амфифилы [amphi (греч.) — оба; phyle (греч.) — сродство] содержат полярные или ионные гидрофильные группировки, а также гидрофобные неполярные углеводородные группировки. Свойства амфифилов в значительной степени определяются природой этих группировок. Так, некоторые липиды, такие, как нейтральные жиры, очень слабополярны и, как следствие, имеют очень низкое сродство к воде. Они хранятся в клетках, как правило, в безводном состоянии и служат энергетическими «резервуарами». Другие липиды, такие, как фосфоглицериды и сфинголипиды, более полярны; вследствие выраженных амфифильных свойств они являются основными структурными компонентами различных биологических мембран, служащих своеобразными «перегородками» в живой материи. Таким образом, рассмотрение структуры и свойств различных липидов очень важно для понимания их разнообразных биологических функций.

Жирные кислоты входят в состав практически всех липидов, поэтому они хотя и практически не встречаются в свободном виде являются отдельным классом липидов.

Биологически важные жирные кислоты характеризуются следующими особенностями:

являются, как правило, монокарбоновыми кислотами, содержащими одну ионизируемую карбоксильную группу и неполярную углеводородную цепь;

обычно содержат четное число атомов углерода, хотя в природе встречаются также и жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов;

в состав жирных кислот входит от 12 до 26 атомов углерода;

представляют собой либо насыщенные соединения, либо соединения с одной или несколькими двойными связями.

Общая формула жирных кислот: R‒COOH.

Где R — углеводородный радикал имеющий разнообразную структуру, по которой жирные кислоты можно классифицировать на:

А. Насыщенные жирные кислоты

Насыщенные жирные кислоты являются членами гомологического ряда, начинающегося с уксусной кислоты. Углеводородный радикал полностью насыщен, то есть не содержит ни двойных, ни тройных связей, ни других группировок. Существуют и другие члены ряда, с большим числом углеродных атомов, они встречаются в первую очередь в восках. Было выделено — как из растительных, так и из животных организмов несколько жирных кислот с разветвленной цепью. При нумерации углеродных атомов первым считается углерод карбоксильной группы (С-1). В типичных липидах животного происхождения преобладающей насыщенной жирной кислотой является пальмитиновая (C16), второе место занимает стеариновая кислота (C18). Более короткие жирные кислоты (C14 и C12), так же как и более длинные (до C28), встречаются лишь в небольших количествах. Жирные кислоты, содержащие 10 или меньше углеродных атомов, вообще редко встречаются в животных липидах.

Б. Ненасыщенные жирные кислоты.

В названиях этих соединений по женевской номенклатуре число углеродных атомов в молекуле указывается таким же способом, что и для соответствующих насыщенных кислот (с помощью греческих числительных), а число двойных связей — с помощью суффиксов («ен» — одна, «диен» — две, «триен» — три связи и т. д.). Положение двойной связи обозначается номером ближайшего к карбоксильной группе атома углерода, участвующего в образовании этой связи. Так, например, двойная связь в цис-9-гексадеценовой кислоте находится между девятым и десятым углеродными атомами, а двойные связи в цис-9,12-октадекадиеновой кислоте расположены между 9—10 и 12—13 атомами углерода. Одиночная двойная связь в жирных кислотах животного происхождения обычно находится в 9,10-положении. Двумя преобладающими мононенасыщенными жирными кислотами животных липидов являются олеиновая (C18:1Δ9) и пальмитоолеиновая. Олеиновая кислота является более широко распространенной в природе и превалирует в количественном отношении. Так же известны и распространены линоленовая с тремя двойными связями и арахидоновая кислота (C20:4Δ Δ 5; 8; 11;14) с четырьмя двойными связями.

Ненасыщенные жирные кислоты подразделяют в соответствии со степенью ненасыщенности.

Мононенасыщенные (моноэтеноидные, моноеновые) кислоты.

Полиненасыщенные (полиэтеноидные, полиеновые) кислоты.

Эйкозаноиды. Эти соединения, образующиеся из эйкоза- (20С) -полиеновых жирных кислот, подразделяются на простаноиды и лейкотриены (ЛТ). Простаноиды включают простагландины (ПГ), простациклины (ПГ-1) и тромбоксаны (ТО). Иногда термин простагландины употребляется в менее строгом смысле и означает все простаноиды.

Простагландины были первоначально обнаружены в семенной жидкости, но затем найдены в составе практически всех тканей млекопитающих; они обладают целым рядом важных физиологических и фармакологических свойств. Они синтезируются in vivo путем циклизации участка в центре углеродной цепи 20 С (эйкозановых) полиненасыщенных жирных кислот (например, арахидоновой кислоты) с образованием циклопентанового кольца. Родственная серия соединений, тромбоксаны, обнаруженные в тромбоцитах, содержат циклопентановое кольцо, в которое включен атом кислорода (оксановое кольцо). Три различные эйкозановые жирные кислоты приводят к образованию трех групп эйкозаноидов, различающихся числом двойных связей в боковых цепях — ПГ1 ПГ2 и ПГ3. К кольцу могут быть присоединены различные группы, дающие на и тромбоксанов, которые обозначаются А, В и т. д. Например, простагландин Е-типа (ПГ-Е2) содержит кетогруппу в положении 9, тогда как в простагландине F-типа в этом же положении стоит гидроксильная группа. Лейкотриены являются третьей группой эикозаноидных производных, они образуются не путем циклизации жирных кислот, а в результате действия ферментов липоксигеназного пути. Они были впервые найдены в лейкоцитах и характеризуются наличием трех сопряженных двойных связей.

Другие ненасыщенные жирные кислоты. В материалах биологического происхождения были найдены и многие другие жирные кислоты, содержащие, в частности, гидроксильные группы (рицинолевая кислота) или циклические группы.

В. Другие жирные кислоты

В некоторых бактериях и растениях были найдены жирные кислоты, содержащие циклопропановое кольцо, в качестве примера можно привести лактобацилловую и стрекуловую кислоты. Биосинтез таких кислот происходит путем переноса метиленовой группы от S-аденозилметионина на двойную связь мононенасыщенных кислот. Наконец, в природных липидах встречаются и гидроксикислоты входящие, как правило, в состав липидов бактериальных клеток. Их представителями являются 2 (3) -гидроксипальмитиновая, 2 (3) -гидроксистеариновая и 2-гидроксилигноцериновая (цереброновая) кислоты. В некоторых бактериях и растениях были найдены жирные кислоты, содержащие циклопропановое кольцо, в качестве примера можно привести лактобацилловую и стрекуловую кислоты. Биосинтез таких кислот происходит путем переноса метиленовой группы от S-аденозилметионина на двойную связь моноеновых кислот.

Углеродные цепи насыщенных жирных кислот имеют форму зигзагообразной линии, когда они вытянуты (как это имеет место при низких температурах). При более высоких температурах происходит поворот вокруг ряда связей, приводящий к укорочению цепей, — именно поэтому при повышении температуры биомембраны становятся тоньше. У ненасыщенных жирных кислот наблюдается геометрическая изомерия, обусловленная различием в ориентации атомов или групп относительно двойной связи. Если ацильные цепи располагаются с одной стороны от двойной связи, образуется цис-конфигурация, характерная, например, для олеиновой кислоты, если же они располагаются по разные стороны, то молекула находится в трансконфигурации, как в случае элаидиновой кислоты — изомера олеиновой кислоты. Природные полиненасыщенные длинноцепочечные жирные кислоты почти все имеют цис- конфигурацию; на участке, где находится двойная связь, молекула «согнута» и образует угол в 120°. Таким образом, олеиновая кислота имеет форму буквы Г, тогда как элаидиновая кислота на участке, содержащем двойную связь, сохраняет «линейную» трансконфигурацию. Увеличение числа цис-двойных связей в жирных кислотах ведет к увеличению числа возможных пространственных конфигураций молекулы. Это может оказывать большое влияние на упаковку молекул в мембранах, а также на положение молекул жирных кислот в составе более сложных молекул, таких, как фосфолипиды. Наличие двойных связей в транс-конфигурации изменяет эти пространственные соотношения. Жирные кислоты в транс-конфигурации присутствуют в составе некоторых пищевых продуктов. Большинство из них образуется как побочные продукты в процессе гидрогенизации, благодаря которому жирные кислоты переходят в насыщенную форму; таким способом, в частности, добиваются «затвердевания» природных масел при производстве маргарина. Кроме того, еще некоторое небольшое количество транс-кислот поступает с животным жиром — он содержит транс-кислоты, образовавшиеся под действием микроорганизмов, присутствующих в рубце жвачных животных.

Поглощение света

Жирные кислоты не поглощают ни в видимой, ни ультрафиолетовой части спектра света.

Температуры плавления

Температуры кипения и плавления жирных кислот возрастают с увеличением длины углеводородной цепи. Насыщенные жирные кислоты с четным числом углеродных атомов являются при комнатной температуре жидкостями, если общее число углеродных атомов меньше 10, или твердыми, если углеродная цепь более длинная. Ненасыщенность жирных кислот цис-ряда существенно влияет на их свойства. Так, с увеличением числа двойных связей значительно снижается температура плавления жирных кислот, возрастает их растворимость в неполярных растворителях. Все обычные ненасыщенные жирные кислоты, встречающиеся в природе, при комнатной температуре — жидкости.

Растворимость

Жирные кислоты являются слабыми амфифилами, то есть имеют гидрофильную карбоксильную группу и гидрофобный в той или иной степени хвост.

Кислотно-основные свойства жирных кислот

Жирные кислоты являются слабыми кислотами и диссоциируют в водных растворах, значения констант диссоциации для всех насыщенных жирных кислот очень близки между собой (рК=4,85), а также соответствующей константе уксусной кислоты (рК=4,76). Исключение составляет первый член этого ряда — муравьиная кислота (рК=3,75). Таким образом, в водных растворах неионизированная форма жирной кислоты (RCOOH) является преобладающей при рН <рК, тогда как ионизированная форма (RCOO~) преобладает при рН> рК

Этерификация

Этерификация — наиболее известная реакция с участием карбоксильной группы; в ходе этерификации молекулы кислоты и спирта обратимо реагируют с образованием эфира и воды. В отсутствие катализатора эта реакция протекает чрезвычайно медленно. Однако скорость ее возрастает с увеличением температуры или концентрации ионов водорода, а также при увеличении обоих этих параметров.

Другие химические свойства жирных кислот

Реакции по двойным связям

Реакции по двойным связям жирных кислот включают присоединение водорода или галогена, а также окисление различными реагентами (Рисунок 44). Ненасыщенные жирные кислоты или их эфиры могут быть легко гидрированы газообразным водородом в присутствии катализаторов, например тонкоизмельченной платины, палладия или активированного никеля. Если восстановление осуществляется до полного насыщения, то такие ненасыщенные жирные кислоты, как линолевая и линоленовая, количественно превращаются в стеариновую кислоту. Галогены (например, Вr₂) легко присоединяются по двойным связям жирных кислот и их эфиров. В подходящих растворителях эта реакция протекает самопроизвольно и в большинстве случаев до конца.

Рисунок 44. Реакции по двойным связям

Окисление

Рисунок 45. Окисление ненасыщенных жирных кислот в мягких условиях

В то время как насыщенные жирные кислоты относительно устойчивы к окислению, ненасыщенные кислоты легко могут быть окислены. Окисление медленно и самопроизвольно происходит под действием кислорода воздуха и является частью процесса, называемого прогорканием масла.

Предполагается, что в этой реакции двойные связи атакуются пероксидными радикалами с образованием неустойчивых гидропероксидов, которые разлагаются с образованием кето- и оксикето-кислот. Окисление по двойным связям происходит значительно быстрее в присутствии озона О₃. Предполагается, что вначале образуются нестойкие озониды, которые затем в восстановительных условиях гидролизуются с образованием двух альдегидных групп. Эта реакция используется для установления положения двойной связи в цепях жирных кислот. Идентификация фрагментов, полученных в результате озонолиза и последующего гидролиза в окислительных условиях, также позволяет сделать заключение о структуре исходной жирной кислоты. С этой целью может быть проведено также окисление перманганатом калия. В мягких условиях двойные связи окисляются с образованием гликолей. В жестких условиях тот же реагент расщепляет молекулу по двойной связи с образованием карбоксильных групп по месту расщепления (Рисунок 45, 46).

Рисунок 45. Окисление ненасыщенных жирных кислот в жестких условиях

Жирные кислоты за исключением эйкозаноидов практически не встречаются в свободном состоянии это и определяет их функции.

Жирные кислоты входят в состав и частично определяют физические свойства большинства других липидов.

Эйкозаноиды являются регуляторными молекулами: простагландины участвуют в регуляции воспаления (ингибиторы синтеза простагландинов являются противовоспалительными и как следствие обезболивающими препаратами, на пример, Naise и Кеторол), а так же других иммунных процессов, также протагландины регулируют артериальное давление и гемопоэз, это позволяет предполагать что спектр их регуляторных функций очень велик. Обнаруженные на поверхности лейкоцитов лейкотриены также участвуют в регуляции иммунных ответов. Тробоксаны участвуют в регуляции гемостаза и свертывания крови. Из всего выше сказанного можно заключить, что эйкозаноиды участвуют в регуляции множества процессов, и весь их спектр пока не известен.