Общая характеристика и биологические функции липидов

Введение

Биологическая химия занимает важное место в системе высшего профессионального образования, являясь одной из фундаментальных межпредметных дисциплин, формирующих научно-теоретическую и экспериментальную подготовку учителя химии и биологии.

В результате изучения основных классов соединений, входящих в состав живой материи (белков, углеводов, липидов и др.), особенностей различных метаболических процессов, протекающих в живых организмах, и их регуляции происходит становление научного мировоззрения будущих специалистов, понимание ими взаимосвязи и взаимообусловленности путей жизнедеятельности живых организмов.

Тема «Липиды и их метаболизм» является одной из основополагающих при изучении целого ряда дисциплин «Органическая химия», «Биологическая химия», «Биохимия и основы биорегуляции организмов», «Основы биохимии», поскольку данные соединения играют важную роль в строении и функционировании организмов (являются структурными компонентами клетки, служат основным энергетическим топливом большинства живых организмов и др.).

Несмотря на то, что вопросы, касающиеся химии липидов и их обмена, достаточно полно рассмотрены в научной литературе, материал по теме рассматривается фрагментарно при изучении той или иной химический дисциплины.

Данное учебное пособие состоит из двух глав «Химия липидов» и «Метаболизм липидов» и ориентировано на системное изучение особенностей строения, биологической роли различных групп липидов в жизнедеятельности живых организмов, глубокое рассмотрение вопросов их метаболизма. С целью осуществления самоконтроля и коррекции знаний предлагаются вопросы и задания по каждой теме.

В первой главе «Химия липидов» представлен материал, касающийся общей характеристики и классификации липидов, строения и свойств наиболее важных групп данного класса и их отдельных представителей, организации и функционирования биологических мембран.

Во второй главе «Метаболизм липидов» рассмотрены основные процессы метаболизма разных групп липидов, механизмы их регуляции, интеграции и наиболее распространенные нарушения липидного обмена.

Глава I. ХИМИЯ ЛИПИДОВ

" То обстоятельство, что наибольшее коли­чество

и наибольшее разнообразие липидов содержится

в самой организованной ткани, а именно,

в нервной ткани, само со­бой говорит о большом

значении их для стоящего на высокой ступени

развития жи­вого организма."

Ф. Б. Штрауб

Общая характеристика и биологические функции липидов

Еще совсем недавно биохимия липидов считалась неинтересной и без­надежно запутанной областью. Однако с усовершенствованием и разработ­кой новых методов анализа и разделения липидов (в первую очередь – хроматографии) открылись возможности для их более глубоких исследова­ний.

В повседневной жизни, встречая слово жир, мы тотчас представляем себе жиры, которые обычно употребляем - сливочное масло, маргарин, под­солнечное масло, сало и другие пищевые жиры. Это только немногие при­меры того класса соединений, который биохимики называют липидами.

Часто объединяют понятия " липиды" и " жиры", но это не так. Понятие «липиды» - понятие наиболее широкое. Название одной из групп липидов, а именно жиров, взято для обозначения класса в целом. В липидах, полученных из раз­личных организмов, находят также свободные жирные кислоты, обычно они составляют относительно небольшую часть неомыляемой фракции нейтральных липидов (3%).

Липидам дают довольно расплывчатое определение. Принято говорить, что это нерастворимые в воде и в полярных раствори­телях органические вещества, которые можно извлечь из клеток органи­ческими растворителями - эфиром, хлороформом, бензолом. Определить эту группу соединений более строгим способом не представляется возможным из-за их очень большого химического разнообразия, однако можно сказать, что настоящие липиды – это сложные эфиры многоатомных или специфичес­ки построенных спиртов с высшими жирными кислотами. Кроме названных соединений в состав липидов могут вхо­дить остатки фосфорной кислоты, азотсодержащие соединения, углеводы и другие соединения. Таким образом, липиды - сборная группа органических соединений и поэто­му не имеют единой химической характеристики.

Липиды - природные соединения, обладающие гидрофобными свойствами, они наряду с белками и углеводами составляют основную массу органического вещества живых клеток и тканей, присутствуют в животных, расти­тельных и бактериальных клетках. В организме высших животных и чело­века их содержание в различных органах и тканях неодинаково. Наиболее богата липидами нервная ткань, в которой содержание липидов составляет до 50% сухого веса, основные из них фосфолипиды и сфингомиелины (30%), холестерол (10%), ганглиозиды и цереброзиды (7%). В пе­чени общее количество липидов в норме не превышает 10-13%, в жировой ткани жиры составляют до 75% сухого веса. Данные соединения, являясь струк­турным компонентом мембранных липопротеинов, составляют не менее 30% общей сухой массы мембран.

Липиды составляют 10-20% от массы тела человеческого организма. В среднем в телевзрослого человека их содержится 10-12 кг, из них 2-3 кг приходится на структурные липиды, входящие в состав биологических мембран (так называемый протоплазматический жир), а остальное - на резервные (запасные) липиды, около 98% которых сосредоточены в жировой ткани.

Данный класс соединений является составной частью пищевого рациона человека. Принято считать, что при сбалансированном питании соотношение белков, липидов, углеводов в пищевом рационе составляет 1: 1: 4. В среднем в организм взрослого человека с пищей ежесуточно должно поступать около 80 г жиров растительного и животного происхождения. В пожилом возрасте, а также при малойфизической нагрузке, потребность в жирахснижается, в условиях холодного климата и при тяжелой физической работе - увеличивается.

Основную массу липидов в организме составляют жиры - три-ацилглицеролы, служащие формой депонирования энергии. Они располагаются преимущественно в подкожной жировой ткани и выполняют также функции теплоизоляционной и механической защиты. Значение их как пищевого продукта весьма многообразно. Прежде всего, жиры в питании имеют большое энергетическое значение. Высо­кая калорийность по сравнению с белками и углеводами придает им особую пищевую ценность при расходовании организмом больших ко­личеств энергии. Известно, что 1 г жиров при окислении в организме дает 38, 9 кДж, тогда как 1 г белка или углеводов 17, 2 кДж.

Следует помнить, что жиры являютсярастворителями витаминов А, Д, Е, К, Q и др., в связи с чем обеспеченность организма этими витаминами в значи­тельной степени зависит от поступления жиров в составе пищи. Кроме того, с ними вводятся некоторые полиненасыщенные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая идругие), которые относятся к катего­рии незаменимых жирныхкислот, т.к. ткани человека и животных поте­ряли способность синтезировать их. Эти кислоты условно объединены в группу под названием витамин F. Наконец, с жирами организм полу­чает комплекс биологически активных веществ, таких как фосфолипиды, стеролы и другие, играющие важную роль в обмене веществ.

Фосфолипиды - большая группа липидов, получившая своё на­звание из-за остатка фосфорной кислоты, придающего им свой­ства амфифильности. Благодаря этому свойству фосфолипиды фор­мируют бислойную структуру мембран, в которую погружены белки. Клетки или отделы клеток, окружённые мембранами, отличаются по составу и набору молекул от окружающей среды, поэтому хи­мические процессы в клетке разделены и ориентированы в про­странстве, что необходимо для регуляций метаболизма.

Стероиды, представленные в животном мире холестеролом и его производными, выполняют разнообразные функции. Холестерол - важный компонент мембран и регулятор свойств гидрофобного слоя. Производные холестерола (желчные кислоты) необходимы для пе­реваривания жиров. Стероидные гормоны, синтезируемые из хо­лестерола, участвуют в регуляции энергетического, водно-солево­го обменов, половых функций. Кроме стероидных гормонов, многие производные липидов выполняют регуляторные функции и дей­ствуют, как и гормоны, в очень низких концентрациях.

Резюмируя все вышесказанное, следует подчеркнуть, что липиды выполняют следующие основные функции:

· Структурная. Фосфолипиды вместе с белками образуют биологические мембраны (клеточные мембраны содержат 40% липидов и 60% белков). В состав мембран входят также стеролы. От свойств и структуры мемб­ранных липидов зависит активность мембраносвязанных ферментов, осо­бенности протекания процессов окислительного фосфорилирования.

· Энергетическая. При окислении жиров высвобождается большое количество 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 растений обеспечивает развитие зародыша и проростка до их перехода к самостоятельному питанию.

· Защитная и теплоизоляционная. Накапливаясь в подкожной клетчатке и вокруг некоторых органов (почек, кишечника), жировой слой защищает организм животных и его отдельные органы 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. Воск покрывает кожу, шерсть, перья, делает их более эластичными и предохраняет от влаги. Восковой налет имеют листья и плоды многих растений.

· Регуляторная. Многие гормоны являются производными холестерола, например половые (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин) и кортикостероиды (альдостерон). 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. Полипреноловые коферменты - переносчики, обладающие регуляторной активностью, участ­вуют в создании межклеточных контактов.

· Источник образования метаболической воды. Окисление 100 г жира дает 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 в этих целях. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и другие животные, впадающие в спячку, получают в результате окисления жира.

· Оказывают сущест­венное влияние на функционирование нервной системы. Комплексы липидов с углеводами – гликолипиды - будучи важнейшими компонентами нервных тканей, участвуют в пере­даче нервного импульса. В миелиновых оболочках аксонов нервных клеток липиды являются изоляторами при проведении нервных импульсов.