Лекция №37-38 липиды загальні відомості, будова, класифікація хімічні властивості
1. Общие сведения. Липиды (от греч. lipos - жир), жироподобные вещества, входящие в состав всех живых клеток. Определение понятия липидов неоднозначно. Иногда к липидам относят любые природные вещества, извлекаемые из организмов, тканей или клеток такими неполярными органическими растворителями, как хлороформ, диэтиловый эфир или бензол. В некоторых случаях липиды рассматривают как производные жирных кислот и родственных им соединений или как любые природные амфифильные вещества (их молекулы содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группировки). Ни одно из этих определений не является исчерпывающим.
2. Исторический очерк. Некоторые липиды (жиры животные, растительные масла) используют с древнейших времен как продукты питания, для приготовления лекарств и косметических препаратов, лакокрасочных материалов, а также для освещения. С нач. 18 в. липиды стали использовать для мыловарения, а в 20 в. - для приготовления моющих средств, эмульгаторов, детергентов, пластификаторов и технологических смазок. Первый элементный анализ липидов выполнен в нач. 19 в. А. Лавуазье, а первые исследования по выяснению химического строения липидов принадлежат К. Шееле и М. Шеврёлю. Впервые синтезы триглицеридов осуществили М. Бертло в 1854 и Ш. Вюрц в 1859. Фосфолипиды выделены М. Гобли в 1847, а затем получены в более чистом виде Ф. А. Хоппе-Зейлером в 1877. К этому времени уже было установлено строение ряда важнейших жирных кислот.
Дальнейшую историю изучения липидов можно разделить на три периода, различающиеся по методическому уровню исследований. На первом этапе (1880-1950) липиды исследовали традиционными методами органической химии, второй этап (1950-1970) характеризуется широким применением методов хроматографии, а последний (70-80-е гг.XX ст.) - использованием таких физико-химических методов, как масс-спектрометрия, оптическая спектроскопия и радиоспектроскопия, флуоресцентный анализ и другие.
3. Классификация липидов. В соответствии с химическим строением различают три основных группы липидов: 1) жирные кислоты и продукты их ферментативного окисления, 2) глицеролипиды (содержат в молекуле остаток глицерина), 3) липиды, не содержащие в молекуле остаток глицерина (за исключением соединений, входящих в первую группу). В первую группу входят наряду с жирными кислотами простагландины и др. гидроксикислоты; во вторую - моно-, ди- и триглицериды и их алкил- и 1-алкенил (плазмалогены)замещенные аналоги, а также гликозилдиглицериды и большинство фосфолипидов; в третью группу входят сфинголипиды, стерины и воски. По другой классификации (она приведена на схеме), липиды подразделяют на нейтральные липиды, фосфолипиды и гликолипиды.
В организмах встречаются также многочисленные типы минорных липидов - фосфатидилглицерин, липопептиды, липополисахариды, диольные липиды и другие. В липидных экстрактах часто присутствуют продукты частичного гидролиза липидов - лизофосфолипиды и своб. жирные кислоты, а также продукты автоокисления и ферментативного окисления последних, в том числе разнообразные продукты превращения арахидоновой кислоты - так называемые эйкозаноиды (простагландины, лепкотриены и другие).
4. Структура. Наиболее распространенные типы липидов - глицеролипиды и производные сфингозина СН3(СН2)12СН=CHCH(OH)CH(NH2)CH2OH.
В нейтральных глицеролипидах гидроксильные группы глицерина замещены остатками жирных кислот, алифатических спиртов или альдегидов. В полярных глицеролипидах две гидроксильные группы глицерина замещены чаще всего жирными кислотами, а третья связана либо с остатком ортофосфорной кислоты (свободной или этерифицированной холимом, этаноламином, серином, глицерином или миоинозитом), либо с остатками сахаров, как у гликозиллиглицеридов.
Положение заместителей в молекуле глицерина обозначают по так называемой системе стереоспецифической нумерации: если в фишеровской проекции вторичная гидроксигруппа глицеринового остатка находится слева, то углеродным атомам, расположенным выше и ниже этой группы, присваивают соответственно номера 1 и 3, снабдив их индексом sn (напр., sn-1-ацил-3-глицерофосфохолин, смотри формулу). Наряду с диацилглицерофосфолипидами распространены глицсрофосфолипиды, содержащие в положении sn-1-алкильные или 1-алкенильные заместители. В водных средах липиды образуют бислойные, гексагональные или мицеллярные структуры. В бислоях насыщенные углеводородные цепи липидов, как правило, находятся в зигзагообразной конформации и расположены параллельно друг другу.
Ось sn-1-ацильной цепи совпадает с осью глицеринового остатка, тогда как sn-2-цепь на начальном СО—СН2-участке отходит от глицеринового остатка под прямым углом и, резко изгибаясь у a-углеродного атома, становится далее параллельной sn-1-цепи. Ненасыщенные углеводородные цепи липидов содержат одну или несколько этиленовых связей, которые, как правило, имеют цис-конфигурацию. При наличии двойных связей зигзагообразная конформация нарушается. В молекулах цвиттерионных фосфолипидов (например, фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина) полярная группировка ("головка") расположена перпендикулярно осям ацильных цепей, а в молекулах отрицательно заряженных фосфолипидов (например, фосфатидилсерина) полярные головки направлены параллельно оси ацильных цепей. У фосфосфинголипидов оси ацильных цепей и сфингозинового остатка также расположены параллельно друг другу. В случае сфингомиелина амидная группа, соединяющая эти остатки, расположена перпендикулярно к ним, а жирно-кислотная цепь изгибается у a-углеродного атома, подобно sn-2-цепи фосфоглицеридов. Иную пространственную структуру имеют гликосфинголипиды. У цереброзидов параллельное расположение алифатических цепей обеспечивается в результате изгибов цепи сфингозина при первом и шестом атомах С, а кольцо остатка моносахарида ориентировано почти перпендикулярно к углеводородным цепям. У гликосфинголипидов с олигосахаридной цепью последняя ориентирована преимущественно по направлению осей углеводородных цепей.
5. Получение липидов. Природные липиды выделяют из животных или микробных источников, комбинируя экстракцию органическими ростворителями с хроматографическими методами очистки. При этом отдельные группы липидов получают в виде смеси однотипных веществ, имеющих одинаковые полярные головки, но различающихся по длине и степени ненасышенности алифатических цепей. Широко распространены полусинтетические методы - переацилирование природных липидов и превращение одних классов липидов в другие.
В первом случае природные липиды, например фосфатидилхолины, подвергают деацилированию или ферментативному гидролизу с помощью фосфолипазы А2, а затем полученный глицерофосфохолин HOCH2CH(OH)CH2OP(O)(O‑)OCH2CH2N+(CH3)3 или лизофосфатидилхолин реацилируют индивидуальными жирными кислотами. При использовании для реацилирования синтетических кислот, несущих флуоресцентные, спиновые, фотореактивные группировки или радиоактивные метки, получают липидные зонды. Для превращения одних групп природных глицерофосфолипидов в другие используют реакцию трансфосфатидилирювания с помощью фосфолипазы D. Этим путем из фосфатидилхолина в присутствии воды, избытка этаноламина, серина или глицерина получают соответственно фосфатидовую кислоту, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин или фосфатидилглицерин. Фосфатидовая кислота, в свою очередь, может быть этерифицирована холином, этаноламином или серином в присутствии различных конденсирующих агентов. По другой схеме осуществляется неполный синтез сфинголипидов. Например, для превращения доступных сфингомиелинов в гликосфинголипиды исходный сфингомиелин гидролизуют в церамид CH3(CH2)12CH=CHCH(OH)CH[NH(О)CR']CH2OH, который превращают в 3-О-бензоильное производное. Последнее затем гликозилируют с помощью соответствующих бромзамещенных ацетилсахаров, после чего защитные бензоильную и ацетильные группы удаляют метанолизом в щелочной среде. Получение индивидуальных фосфолипидов и сфинголипидов обычно осуществляют полным химическим синтезом. Таким же путем получают также простагландины и другие эйкозаноиды.
Биосинтез глицеролипидов и сфинголипидов. Центр. промежут. продукты биосинтеза глицеролипидов - 1,2-диглицериды и фосфатидовые к-ты. Последние образуются гл. обр. двумя путями: ацилированием sn-глицеро-3-фосфата с участием ацилкофермента А и ферментативным ацилированием дигидроксиацетонфосфата с послед. восстановлением его коферментом никотинамидадениндинуклеотидом (НАДН) с образованием лизофосфатидовой к-ты, к-рая далее ацилируется до фосфатидовой к-ты. Гидролиз последней под влиянием фосфатазы приводит к 1,2-диглицеридам, реагирующими с ацилкоферментом А с образованием триглицеридов или с АТФ с образованием фосфатидовой к-ты. Диглицериды вступают во взаимод. с цитидинтрифосфатом, цитидиндифосфохолином или цитидиндифосфоэтаноламином, образуя соотв. фосфатидовую к-ту, фосфатидилхолин или фосфатидилэтаноламин, напр.:
Фосфатидилэтаноламин, в свою очередь, может превращ. в фосфатидилхолин путем метилирования S-аденозилметионином или реагировать с серином, образуя в результате переэтерификации фосфатидилсерин. У бактерий осуществляется др. путь биосинтеза фосфатидилсерина и фосфатидилэтаноламина; фосфатидовая кислота, взаимодействуя с цитидинтрифосфатом, образует цитидиндифосфодиацилглицерин, к-рый реагирует с серином, образуя фосфатидилсерин. Его декарбоксилирование приводит к фосфатидилэтаноламину, а р-ция с глицерофосфатом - к фосфатидилглицерину Последний вновь может взаимод. с цитидиндифосфодиацилглицерином, превращаясь в дифосфатидилглицерин. В биосинтезе сфинголипидов ключевое соед. - церамид, образующийся в результате N-ацилирования сфингозина ацилкоферментом А. Р-ция церамида с цитидиндифосфохолином приводит к сфингомиелину, а его взаимод. с производными уридина (уридиндифосфоглюкозой или уридиндифосфогалактозой) - к цереброзидам. Возможен и др. путь биосинтеза цереброзидов, основанный на р-ции производных уридина со сфингозиновыми основаниями с образованием психозина (галактозид сфингозина) и его последующем N-ацилировании ацилкоферментами А. Из цереброзидов путем последоват. присоединения остатков моносахаридов и сиаловой к-ты под влиянием соответствующих гликозилтрансфераз образуются гликосфинголипиды с более длинными сахарными цепями.