Состав и свойства жирных кислот

В липидах высших организмов двойная связь мононенасыщенных жирных кислот находится в основном между 9-м и 10-м углеродными атомами. В жирных кислотах, содержащих две или более двойных связей, эти связи несопряженные (− СН=СН− СН2− СН=СН−). Двойные связи почти всех природных ненасыщенных жирных кислот имеют цис-конфигурацию. Среди насыщенных жирных кислот у высших организмов чаще встречаются пальмитиновая (С16: 0) и стеариновая (С18: 0) кислоты, а среди ненасыщенных – олеиновая (С18: 1), линолевая (С18: 2), линоленовая (С18: 3), арахидоновая (С20: 4) кислоты.

Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты различаются по конфигурации. В насыщенных жирных кислотах углеводородная цепь может принимать множество конформаций вследствие полной свободы вращения вокруг каждой С− С-связи. Однако самой вероятной является энергетически более выгодная вытянутая конформация.

В ненасыщенных жирных кислотах невозможность вращения вокруг цис-двойной связи обуславливает жесткий изгиб углеводородной цепи под углом ~30°. В случае транс-двойной связи конформация углеводородной цепи мало отличается от таковой насыщенных жирных кислот.

В полиненасыщенных жирных кислотах цис-конфигурация двойных связей придает углеводородной цепи изогнутый и укороченный вид. Это имеет существенное значение при формировании биомембран клетки.

Биосинтез жирных кислот. Биосинтез жирных кислот катализируется синтазой жирных кислот. Эта ферментная система локализована в цитоплазме и нуждается в качестве затравки в ацетил-КоА. В циклической реакции одна молекула удлиняется семикратно на С₂-звена. В качестве конечного продукта реакции образуется анион С₁₆-кислоты, пальмитат. Фактический субстрат реакции удлинения цепи малонил-КоА на каждой стадии конденсации отщепляет карбоксильную группу в виде СО₂. Восстановителем в синтезе жирных кислот является НАДФН + Н⁺. В результате на синтез одной молекулы пальмитата расходуется одна молекула ацетил-КоА, 7 молекул малонил-КоА и 14 молекул НАДФН + Н⁺; при этом образуются 7 молекул СО₂, 6 молекул H₂O, 8 молекул КоА и 14 молекул НАДФ⁺.

Основным компонентом различных масел и жиров являются сложные эфиры глицерина и жирных кислот – ацилглицерины. Это важнейший класс запасных липидов у растений и большинства животных. Если одна или две ОН-группы глицерина этерифицированы жирными кислотами, такие соединения называются моноацил - и диацилглицеринами соответственно. Если все три ОН-группы глицерина этерифицированы жирными кислотами, такое соединение называется триацилглицерином. Они составляют основную массу природных неполярных липидов и различаются природой и расположением жирнокислотных остатков. Если во всех 3-х положениях находятся остатки одной и той же жирной кислоты – это простые триацилглицерины. В случае присутствия в молекуле 2-х или 3-х разных остатков жирных кислот, речь идет о смешанных триацилглицеринах. Большинство природных липидов представляют собой сложные смеси простых и смешанных триацилглицеринов. Твердые при обычной температуре и содержащиеся в животных тканях триацилглицерины называются жирами, а жидкие триацилглицерины растительного происхождения – маслами.

Свойства триацилглицеринов определяются свойствами входящих в их состав жирных кислот, так как второй структурный элемент – глицерин– одинаков для всех триацилглицеринов. Температура плавления триацилглицеринов повышается с увеличением числа и длины цепи остатков насыщенных жирных кислот.

При щелочном или кислотном гидролизе молекулы триацилглицеринов расщепляются по сложноэфирным связям до глицерина и свободных жирных кислот. В результате щелочного гидролиза или омыления образуются глицерин и соли высших жирных кислот – мыла. Аналогично идет гидролиз триацилглицеринов под действием фермента липазы. Так же, как и свободные жирные кислоты, но в меньшей степени триацилглицерины окисляются кислородом воздуха (особенно при повышенных температурах) с образованием перекисных соединений, оксикислот и продуктов полимеризации.

Если к С1 и С3-атомам глицерина присоединяются остатки двух разных жирных кислот, второй углеродный атом глицерина становится асимметрическим. Природные триацилглицерины, содержащие асимметрический атом углерода, соответствуют L -конфигурации. При описании пространственного строения триацилглицеринов масел и жиров принято считать, что первый углеродный атом глицерина находится на верху цепи и обозначается sn -1.

Теоретически каждая из трех ОН-групп глицерина может быть этерифицирована любой жирной кислотой, и количество различных триацилглицеринов должно быть огромным. Однако в природе синтезируется относительно небольшое число триацилглицеринов, а из каждой пары возможных оптических изомеров – только один. Причем ненасыщенные жирные кислоты присоединяются преимущественно к ОН-группе глицерина в sn -2-положении.

Значительная часть ненасыщенных жирных кислот (в маслах) находится в крайних положениях (sn -1 и sn -3) и легко поддается окислению.

Стерины (стероидные спирты) – это производные циклопентанпергидро-фенантрена, метилированного в 10-м и 13-м положениях. Все стерины содержат b-ОН-группу у третьего углеродного атома и одну или несколько двойных связей в кольце В. Они присутствуют во многих мембранах растений, животных и микроорганизмов, выполняя структурную функцию, а также являясь предшественниками витаминов и гормонов, компонентами желчных кислот и др. Наиболее распространенным стерином мембран животных клеток является холестерин (рис. 31).

Рис. 31. Структура холестерина

Это слабоамфифильная молекула, содержащая жесткое гидрофобное полициклическое ядро и полярную головку, представленную ОН-группой. Холестерин входит в состав мембран (стабилизирует их текучесть) и является предшественником для синтеза стероидных гормонов, желчных кислот, витамина D₃. В клетках растений, водорослей, мицелиальных грибов и дрожжей образуется множество родственных холестерину соединений – эргостерол, b-ситостерол, стигмастерол и др.

Полярные липиды. К ним относятся фосфо- и гликолипиды, которые формируют биомембраны клетки. Среди них выделяют фосфоглицеро-, фосфосфинго-, гликоглицеро- и гликосфинголипиды. Разнообразие представителей этих классов огромно и в любой мембране может содержаться до 100 разных типов липидных молекул, что, очевидно, связано с разнообразием их функций. Однако основной функцией липидов в биомембранах служит структурная – липиды формируют бислой, в котором находятся белковые молекулы.

Фосфоглицеролипиды. Они преобладают в количественном отношении в большинстве биомембран. Наиболее распространены следующие фосфоглицеролипиды: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, дифосфатидилглицерол (кардиолипин). Основу молекул фосфоглицеролипидов составляет 3-атомный спирт глицерин. Две его ОН-группы этерифицированы двумя остатками жирных кислот, а 3-я – остатком фосфорной кислоты. Образованная в результате молекула представляет собой основной предшественник всех фосфоглицеролипидов – фосфатидную кислоту, или фосфатидат. В результате реакции этерификации фосфатной группы фосфатидата ОН-группой одного из спиртов (холина, этаноламина) или аминокислоты (серина) образуются соответствующие фосфоглицеролипиды.

Жирные кислоты в составе фосфоглицеролипидов почти всегда содержат четное число углеродных атомов (14− 24). Среди них наиболее распространены пальмитиновая (С16: 0), пальмитолеиновая (С16: 1, Δ 9), стеариновая (С18: 0), олеиновая (С18: 1, Δ 9), линолевая (С18: 2, Δ 9, 12), линоленовая (С18: 3, Δ 9, 12, 15), арахиновая (С20: 0), арахидоновая (С20: 4, Δ 5, 8, 11, 14) кислоты.

Фосфоглицеролипиды выполняют в мембранах структурную функцию. Фосфатидилхолин служит основным компонентом мембран животных клеток, фосфатидилэтаноламин встречается в мембранах бактерий. Это сильноамфифильные молекулы, так как содержат в структуре две неравнозначные по свойствам группировки: полярную гидрофильную головку (остаток фосфорной кислоты с присоединенным к нему аминоспиртом или аминокислотой) и неполярный гидрофобный хвост (остатки жирных кислот).

Фосфосфинголипиды. Это также сильно амфифильные молекулы. Они образованы на основе аминоспирта сфингозина, имеющего длинную негидролизуемую ненасыщенную углеводородную цепь. Первичным сфинголипидом, из которого образуются все классы неглицероловых липидов, является церамид, формирующийся в результате присоединения жирной (чаще мононенасыщенной) кислоты к центральной аминогруппе сфингозина с образованием амидной связи.

Фосфосфинголипиды представляют собой церамиды, у которых оставшаяся ОН-группа этерифицирована фосфатным производным – фосфорилхолином, фосфорилэтаноламином, фосфорилинозитолом, фосфорилглицеролом. Церамид, этерифицированный фосфорилхолином, называется сфингомиелином. Он преобладает в мембранах животных клеток, выполняя там в основном структурную функцию.

Фосфосфинголипиды служат основными структурными компонентами мембран клеток нервной ткани, формируя миелиновые оболочки нейронов.

Гликоглицеролипиды. Представляют собой полярные липиды, построенные на основе глицерина, у которого ОН-группа у третьего атома углерода участвует в образовании гликозидной связи с каким-либо углеводом. Роль углеводных единиц чаще выполняют остатки галактозы или 6-сульфо-6-дезокси-a- D -глюкопиранозил, при этом образуются соответственно моногалактозилдиацилглицерин и сульфолипид. Гидроксильные группы двух остальных атомов углерода глицерина в гликоглицеролипидах так же, как в фосфоглицеролипидах, этерифицированы жирными кислотами. Гликоглицеролипиды выполняют в основном рецепторную функцию. На долю моногалактозилдиацилглицерина приходится до половины всех липидов тилакоидных мембран хлоропластов.

Гликосфинголипиды. Построены на основе церамида, к концевой ОН-группе которого с помощью гликозидной связи присоединяются моно- либо олигосахариды. Те гликосфинголипиды, у которых углеводная часть представлена моносахаридами, называются цереброзидами. Сфинголипиды, у которых углеводная часть представлена коротким кислотным, как правило, разветвленным олигосахаридом, называются ганглиозидами. Кислотность этого класса гликолипидов обусловлена присутствием в них в качестве ветвей углеводной цепи моносахарида нейраминовой кислоты или ее N-ацетилпроизводного.

Гликосфинголипиды являются компонентами мембран клеток нервной ткани, участвуют в регуляции клеточного метаболизма (в регуляции роста клеток), выполняют сигнальные функции, воспринимая и передавая сигналы, т. е. являются молекулами-медиаторами. Гликосфинголипиды мембран эритроцитов несут антигены группы крови. Цереброзиды присутствуют в высоких концентрациях в мозге и нервных тканях млекопитающих.