§3.3. Липиды
Липиды (от греч. lípos – жир) можно определить как органические жироподобные вещества, нерастворимые (или плохо растворимые) в воде. Физические и химические свойства липидов связаны с наличием в молекулах неполярных углеводных цепей и полярных группировок (–СООН, –ОН, –NН2 и др.). Недостаточное содержание в молекулах липидов атомов с поляризующейся электронной оболочкой, таких как О, N, S или Р обуславливает их слабую растворимость. Большинство липидов не являются полимерами, в отличие от полимерной структуры полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот.
Липиды являются самым важным источником энергии среди всех питательных веществ. В процессах обмена веществ жировые капли, содержащиеся в клетках, используются как «топливо». Так в митохондриях окисление липидов до воды и диоксида углерода служит источником образования большого количества АТФ (важнейших молекул, обладающих химической энергией). У позвоночных для хранения жировых капель существуют специализированные клетки, полностью заполненные жиром, – жировые клетки, – называемые адипоцитами. Растения запасают жиры, в основном, в семенах.
Жировые отложения вокруг различных органов служат теплоизолирующим материалом, обладая высокими теплоизолирующими свойствами. Кроме того, как указывалось выше, являясь основным элементом клеточных мембран, липиды изолируют клетку от окружающей среды.
Липиды разделяются на омыляемые и неомыляемые.
3.3.1. Неомыляемые липиды
К неомыляемым липидам (рис. 3–14) относятся 1) предельные углеводороды (см. т.1, с.126) и каротиноиды; 2) спирты: спирты с длинной алифатической цепью (длинноцепочечные спирты) и циклические стероидные спирты (стерины); 3) жирные кислоты (см. также рис. 3–15).
Каротиноиды (от лат. carota – морковь, и греч. éidos – вид) – природные пигменты от желтого до красно-оранжевого цвета. Синтезируются растениями, бактериями водорослями, грибами, кораллами и другими организмами, обуславливая окраску цветов и плодов. Ненасыщенные соединения, представляющие собой цепь из четырех изопреноидных остатков (в штриховых рамках на рис. 3–14; изопрен СН2=С(СН3)СН=СН2), на концах которой расположены циклогексеновые кольца (или алифатические изопреноидные остатки).
Рис. 3–14. Структурные формулы неомыляемых липидов
Стерины (стеролы) – алициклические (от греч. aléiphatos – масло, смола, жир и kýklos – круг, кольцо), то есть циклоалифатические, соединения. Присутствуют практически во всех тканях животных и растений. Основным стерином высших животных является холестерин (жемчужные кристаллы, жирные на ощупь).
Стерины – это природные спирты, относящиеся к стероидам. В основе структуры стероидов лежит кольцевая система А, В, С, D (рис. 3–14). Циклогексановые кольца, как правило, находятся в энергетически выгодной конформации кресла (т.1, с.187).
Жирные кислоты называются так, поскольку некоторые из этих кислот входят в состав жиров. Они содержат кислотную (карбоксильную) группу –СООН (или СОО–) и углеводородную цепь с четырьмя и более атомами углерода. Общая формула жирных кислот имеет вид
R – COOH,
где R – радикал: –С4Н9, … –С17Н35, и т.д. Бóльшая часть жирных кислот содержит четное число атомов углерода (от 14 до 22). Характерное строение жирных кислот показано на рис. 3–14 и 3–15.
Рис. 3–15 . Вверху — строение типичных жирных кислот: стеариновая насыщенная (а) и олеиновая ненасыщенная (б) кислоты. Полярные головки молекул обведены штриховой рамкой
Внизу — шаро-стержневая модель насыщенных и ненасыщенных кислот. Стрелками указаны двойные связи
Молекулы жирных кислот имеют полярную головку и длинный гидрофобный углеводородный хвост. Если молекула жирной кислоты не содержит в углеводородном хвосте двойных связей, то она называется насыщенной (атомами Н), а если содержит – ненасыщенной. Чем длиннее цепь жирной кислоты, чем меньше в ней двойных связей, тем хуже она растворяется в воде.
Ненасыщенные жирные кислоты, благодаря изгибам, имеют менее плотную упаковку и более слабое взаимодействие, поэтому плавятся при значительно более низких температурах, чем насыщенные. Олеиновая кислота (основной компонент оливкового масла) плавится при Тпл = 13,4˚С, а стеариновая – при Тпл = 69,6˚С. При комнатной температуре насыщенные кислоты имеют консистенцию воска, а ненасыщенные – жидкого масла. В растительных маслах содержатся, в основном, ненасыщенные жиры, в животных (сливочное масло, говяжий жир) – насыщенные.
В высших растениях и животных жирные кислоты, в основном, имеют длинную и неразветвленную цепь из 16 и 18 углеродных атомов.