Химия липидов омыляемые липиды

Вид материала

Подобный материал:

ХИМИЯ ЛИПИДОВ

Омыляемые липиды

Основу строения омыляемых липидов составляют спирты – высшие одноатомные, глицерол или двухатомный аминоспирт сфингозин. В случае 2-х последних один из гидроксилов может быть этерифицирован замещеным остатком фосфорной кислоты. Различают простые (двухкомпонентные) и сложные (многокомпонентные) липиды.

Классификация омыляемых липидов

Простые липиды

К простым липидам принято относить жиры воска и масла. Воска – сложные эфиры высших одноатомных спиртов и высших карбоновых кислот. Они образуют защитную смазку на коже человека и животных и предохраняют растения от высыхания. Примерами служат цетиловый эфир пальмитиновой кислоты (содержится в спермацетовом масле) и мирицилпальмитат (содержится в пчелином воске).

Жиры и масла (нейтральные жиры, глицеролипиды, триацилглицерины) – глицериновые эфиры высших жирных кислот (ЖК). В организме человека триацилглицерины играют роль структурных компонентов клеток и запасного вещества. Их энергетическая ценность примерно в 2 раза превышает таковую белков и углеводов. Однако, повышенное содержание триацилглицеринов в крови наряду с холестерином является фактором атерогенности. Твердые триацилглицерины называют жирами, жидкие – маслами. Простые триацилглицерины содержат остатки одинаковых ЖК, а сложные – различных. В триацилглицеринах животного происхождения, как правило, преобладают остатки насыщенных ЖК (такие триацилглицерины, как правило, твердые), в то время как в растительных организмах как правило приобладают триацилглицерины, содержащие ненасыщенные ЖК (такие триацилглицерины, как правило, жидкие). Природные жиры и масла представляют собой смеси смешанных триацилглицеринов. Их количественной характеристикой служит процентное соотношение отдельных кислот, а также йодное число – мера ненасыщенности, указывающее количество граммов йода, способное присоединится к 100 г вещества.

Сложные липиды

Омыляемые сложные липиды делят на три большие группы – фосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды.

Фосфолипиды – липиды, при гидролизе которых в качестве одного из компонентов образуется фосфорная кислота. К ним относятся глицерофосфолипиды и некоторые сфинголипиды. Фосфолипиды характеризуются значительным содержанием ненасыщенных ЖК.

Глицерофосфолипиды – производные глицерол-3-фосфата, являются основным компонентом клеточных мебран. Природные глицерофосфолипиды имеют одинаковую конфигурацию и являются производными L-глицерол-3-фосфата, образующегося из дигидроксиацетонфосфата под действием фермента глицерофосфатдегидрогеназы.

Среди глицерофосфолипидов наиболее распространены L-фосфатиды:

Как правило, в природных фосфатидах в положении С1 находится остаток насыщенной ЖК, а в положении С2 – ненасыщенной. Оставшаяся свободной одна из ОН-групп фосфорной кислоты при физиологических рН (≈7,4) ионизирована. Примерами соединений этого класса являются фосфатидилинозитол, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин.

Несколько менее распространены липиды с простой эфирной связью – плазмалогены:

Сфинголипиды представляют собой структурные аналоги глицерофосфолипидов, где вместо глицерина используется сфингозин – ненасыщенный длинноцепочечный двухатомный аминоспирт. Примерами сфинголипидов служат церамиды – N-ацильные производные сфингозина, аминогруппа которых ацилирована ЖК:

Важную группу сфинголипидов составляют сфингомиелины, впервые обнаруженные в нервной ткани. В сфингомиелинах гидроксил С1 церамида ацилирован фосфорилхолиновой группой, поэтому их также можно отнести и к фосфолипидам:

Гликолипиды включают углеводные остатки, чаще всего D-галактозу, и не содержат остатков фосфорной кислоты и связанных с ней азотистых оснований. Типичные представители гликолипидов – цереброзиды и ганглиозиды. Оба этих соединения являются сфингозинсодержащими липидами, вследствие чего их можно отнести и к сфингозинам. В цереброзидах, содержащихся в миелиновых оболочнах нервных волокон остаток церамида связан с D-галактозой или D-глюкозой β-гликозидной связью:

Ганглиозиды – богатые углеводами сложные липиды, впервые выделенные из серого вещества головного мозга. В структурном отношении они сходны с цереброзидами, отличаясь тем, что вместо моносахарида они содержат олигосахаридный остаток сложной структуры.

Характерной особенностью сложных липидов является их бифильность, обусловленная присутствием в составе их молекул неполярных гидрофобных и высокополярных ионизированных гидрофильных группировок:

Находясь на поверхности раздела полярной и неполярной фаз такие липиды проявляют свойства эмульгаторов. В составе биомембран они также обусловливают высокое электрическое сопротивление и селективную проницаемость бислоя. Поэтому большая часть анестетиков хорошо растворимы в липидной фазе, что облегчает их проникновение через мембраны нервных клеток.

Некоторые свойства омыляемых липидов

а) Реакция гидролиза – гидролиз представляет собой первую стадию процесса утилизации жиров в организме. Кроме того, с помощью этой реакции можно устанавливать структуру липидов, а также получать мыла (Ca- и Mg-соли высших карбоновых кислот). Реакцию гидролиза осуществляют либо под воздействием перегретого пара (промышленный метод), либо при нагревании в присутствии водных растворов минеральных кислот и щелочей (омыление). Все эти реакции проходят по схеме бимолекулярного нуклеофильного замещения S_N2. В организме гидролиз осуществляется под действием ферментов – липаз.

В плазмалогенах, как и в других виниловых эфирах простая эфирная связь расщепляется в присутствии кислоты, но не щелочи:

б) Реакция присоединения – Липиды содержащие остатки непредельных ЖК присоединяют по двойным связям водород, галогены, галогеноводороды и в кислой среде воду.

Йодное число этого триацилглицерола равно 30.

В промышленности широко применяется каталитическое гидрогенирование ненасыщенных растительных масел в результате чего последние превращаются в твердые жиры. Процесс протекает при 160 - 200°С и давлении 2 -15 атм.

Искусственное масло (маргарин) представляет собой эмульсию гидрогенизованного растительного масла в молоке.

в) Реакция окисления – Процессы окисления липидов весьма разнообразны. В частности, окисление кислородом воздуха ненасыщенных триацилглицеролов при хранении (автоокисление), сопровождаемое гидролизом, является частью процесса, так называемого, прогоркания масла. Первичными продуктами реакции липидов с молекулярным кислородом являются гидроперекиси, образующиеся в результате инициации цепного свободнорадикального окислительного процесса:

Указанная реакция является начальной стадией процесса так называемого свободнорадикального свободнорадикального перекисного окисления липидов (ПОЛ), впервые исследованный в мембранах гепатоцитов в работах А.И. Арчакова и Ю.А. Владимирова во II Московском медицинском институте им. Н.И. Пирогова. В последствии стало известно, что ПОЛ представляет собой один из наиболее важных процессов в живых организмах. Именно он является основной причиной повреждения клеточных мембран при различных патологиях и экстремальных состояниях, например при лучевой болезни, гипербарической оксигенации и канцергенезе. На первой стадии развития окислительного процесса в организме происходит инициация цепной реакции свободными радикалами типа НО· или НО₂·, образующимися при окислении Fe²⁺ кислородом в водной среде (Реакция Фентона).

При атаке таким радикалом по метиленовой группе липида, соседней с двойной связью, образуется аллильный радикал, стабилизированный π-электронами двойной связи. Образовавшийся радикал может давать начало промежуточным пероксидам, которые будучи весьма нестабильными, легко распадаются с образованием продуктов альдегидной и кетонной природы, которые далее окисляются с образованием одно- и двухосновных карбоновых кислот – конечных продуктов реакции.

Окисление ненасыщенных ЖК пероксикислотами приводит к образованию эпоксидов:

Ненасыщенные липиды в мягких условиях могут подвергаться окислению раствором перманганата калия с образованием гликолей, а в более жестких условиях - кислот:

В организме человека и животных липиды выполняют также функцию энергетического резерва, включаясь в энергетический обмен в условиях голодания или при недостатке углеводов в пище. Энергетическая ценность липидов в несколько раз превышает таковую углеводов. Высвобождение энергии, заключенной в химических связях липидов с последующим ее трансформированием в энергию макроэргических фосфатных связей молекулы АТФ осуществляется в процессе, получившем название β-окисления ЖК, приводящему к образованию амфиболического интермедиата – ацетил-СоА:

2. Неомыляемые липиды

Неомыляемые липиды не гидролизуются в кислой и щелочной среде. Обычно их подразделяют на 2 больших подкласса: стероиды и терпены. Стероиды присутствуют, главным образом в животных тканях, тогда как терпены присутствуют в основном в тканях растений. Стероиды и терпены построены из одинаковых изопреновых фрагментов и относятся к категории изопреноидов.

2.1 Терпены

К терпенам относят группу соединений, включающую себя как полиизопреновые углеводороды, так и их кислородсодержащие производные – спирты, альдегиды и кетоны. Сами углеводороды называют терпеновыми, а их производные – терпеноидами. Изопреновые единицы в терпенах соединены по принципу «голова к хвосту»:

Общая формула терпеновых углеводородов соответствует выражению – (С₅Н₈)_n. Они могут иметь как циклическое, так и ациклическое строение. Терпены состоящие из 2-х изопреновых единиц называют монотерпенами, 3-х - сесквитерпенами, 4-х – дитерпенами. Примером ациклических терпенов могут служить мирцен, а также родственные ему спирт и альдегид – гераниол и цитраль, выполняющие функции феромонов у рабочих пчел.

Другим примером может служить сквален – интермедиат биосинтеза холестерола.

Среди терпенов, однако, наиболее распространены моно- и бициклические представители. Многие из них либо непосредственно находят применение в медицине, либо служат сырьем для синтеза многих лекарственных средств. По своему строению такие терпены сходны с некоторыми циклическими предельными углеводородами:

Типичными представителями моноциклических терпенов является (±)-лимонен (дипентен), содержащийся в лимонном масле, скипидаре и масле тмина и имеющий скелет ментана, а также ментол, содержащийся в эфирном масле перечной мяты и обладающий антисептическим, болеутоляющим и успокаивающим действием.

Лимонен получают из изопрена в результате реакции диенового синтеза при его нагревании:

При полной гидратации дипентена в кислой среде согласно правилу Марковникова образуется двухатомный спирт терпин, препарат которого в виде гидрата используется в качестве отхаркивающего средства при хроническом бронхите.

Замещенные дипентены, например каннабидиол представляют собой психоактивные вещества и являются действующим началом гашиша (марихуаны):

Ментол входит в состав валидола, а также мазей, применяемых при насморке:

Примерами бициклических терпенов являются α-пинен и камфора.

Камфора издавна применяется в медицине как стимулятор сердечной деятельности. Она способна вступать во взаимодействие с бромом по α-положению относительно карбонильного атома углерода. При этом образуется бромкамфора, которая улучшает деятельность сердца и оказывает успокаивающее действие на ЦНС.

Особую группу терпенов составляют каротиноиды – растительные пигменты. Некоторые из них способны выполнять функции витаминов. Каротиноиды также участвуют в процессе фотосинтеза. Большинство каротиноидов относится к тетратерпенам. Их молекулы содержат значительное количество двойных связей, что придает каротиноидам специфическую окраску. Типичными их представителями являются α-, β- и γ-каротины, предшественники витаминов группы А.

К терпенам относятся и другие жирорастворимые витамины, такие как витамины группы Е (токоферолы), витамины группы К, а также убихиноны, способные к последовательному окислению (восстановлению) и выполняющие роль челночного переносчика восстановительных эквивалентов в элетронтранспортной цепи митохондрий:

К веществам терпеноидной природы относятся также эйкозаноиды (см. лекцию «Жирные кислоты»).

2.2 Стероиды

Стероиды широко распространены в природе и выполняют в организме человека самые разнообразные функции. Стероидная природа характерна для желчных кислот, мужских и женских половых гормонов, гормонов коры надпочечников. Холестерин входит в состав клеточных мембран и определяет такое их важное свойство как микровязкость. В настоящее время известно более 20 000 стероидов.

Стероиды имеют циклическое строение. В основе их структуры лежит структура циклопентанопергидрофенантрена (стерана), состоящего из трех конденсированных циклогексановых колец (А, В, С) и циклопентанового кольца D.

Характерной особенностью биогенных стероидов является наличие кислородсодержащего заместителя при С3, «ангулярных» С18- и С19-метильных групп, а также алифатического заместителя R при С17. Величина этого радикала является одним из критериев классификации стероидов.

Незамещенный стеран содержит 6 ассиметрических атомов углерода и, поэтому, может обладать 2⁶=64 стереоизоерами. С введением заместителей к любым неузловым атомам число стереизомеров еще более увеличивается. Сочленение колец A-B, B-C, C-D может быть как цис-, так и транс-. Однако, в природных стероидах кольца В-С всегда, а кольца C-D почти всегода сочленены в транс-конфигурации, в то время как кольца А-В могут иметь как цис-, так и транс-сочленение. Все циклогексановые кольца находятся в форме кресла.

Положение атомов водорода или заместителей снизу или сверху условной плоскости обозначается соответственно α и β. Стереохимия сочленений колец А-В указывается по ориентации атома водорода в 5-м положении (см. рисунок выше).

Циклический скелет стероидов достаточно жесткий и для него нехарактерны конформационные переходы, меняющие пространственное расположение заместителей.

При обычном написании формул стероидов циклический скелет принято изображать плоским. Заместители и атомы водорода будут при таком изображении располагаться либо над плоскостью рисунка (β-конфигурация), либо под ней (α-конфигурация).

Типичными представителями стероидов являются холестерол (стерины), холевая кислота (желчные кислоты), эстрадиол и тестостерон (половые гормоны), кортикостерон (гормон коры надпочечников глюкокортикоидного ряда).

Холестерол – наиболее распространенный представитель стеринов. Особенностью его структуры является наличие двойной связи между С5 и С6 атомами углерода.

При ее восстановлении образуется копростанол и холестанол. являющиеся стереоизомерами друг друга.

Очищенный холестерин – белое кристаллическое оптически активное вещество. В оргнизме встречается как в свободном состоянии, так и в виде сложного эфира. Из общего количества холистерина только 20% его поступает с пищей. Основная его часть синтезируется в организме de novo.

Ниже приводятся формулы некоторых наиболее важных желчных кислот и стероидных гормонов:

Blog

Химия липидов омыляемые липиды