Липи́ды (от др.-греч. λίπος — жир) — разнообразная по строению группа биоорганических веществ, с общим свойством — растворимостью в неполярных растворителях . Липиды по способности к гидролизу делятся на две большие группы: омыляемые (сложные эфиры спиртов и жирной кислоты: триглицериды, фосфолипиды и т. д.) и неомыляемые липиды ( холестерин , витамины А, Е, Д, К). Липиды при комнатной температуре (+20 °C) могут находиться в твёрдом (жиры) или жидком (масла) состоянии. В основном, жирами являются липиды животного (теплокровные) происхождения (исключение, например триглицериды какао и ореха кокоса ). Маслами являются липиды растений, холоднокровных животных (например, рыбы). Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот , сложных — из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Содержатся во всех живых клетках .

Будучи одним из основных компонентов биологических мембран, липиды влияют на проницаемость стенок клеток и активность многих ферментов , участвуют в передаче нервного импульса , в мышечном сокращении, создании межклеточных контактов, в иммунохимических процессах .

Также липиды образуют энергетический резерв организма, участвуют в создании водоотталкивающих и теплоизоляционных покровов, защищают различные органы от механических воздействий и др . К липидам относят также некоторые жирорастворимые вещества, в молекулы которых не входят жирные кислоты, например, терпены , стерины . Многие липиды являются продуктами питания, используются в промышленности и медицине .

Согласно нестрогому физико-химическому определению, липид — гидрофобное органическое вещество, растворимое в органических растворителях; согласно строгому биохимическому определению, это гидрофобная или амфифильная молекула, полученная путём конденсации ацетильных и пропильных групп (в виде ацил-CoА) с возможностью последующей этерификации с различными спиртами ^{[ источник не указан 864 дня ]} .

Границы определения

Используемое ранее определение липидов, как группы органических соединений, хорошо растворимых в неполярных органических растворителях ( бензол , хлороформ ) и практически нерастворимых в воде, является слишком расплывчатым. Во-первых, такое определение вместо чёткой характеристики класса химических соединений говорит лишь о физических свойствах. Во-вторых, в настоящее время известно достаточное количество соединений, нерастворимых в неполярных растворителях или же, наоборот, хорошо растворимых в воде, которые, тем не менее, относят к липидам.

В современной органической химии определение термина «липиды» основано на биосинтетическом родстве данных соединений — к липидам относят жирные кислоты и их производные .

В то же время, в биохимии и других разделах биологии к липидам по-прежнему принято относить и гидрофобные или амфифильные вещества другой химической природы . Это определение позволяет включать сюда холестерин , который вряд ли можно считать производным жирной кислоты.

Описание

Липиды — один из важнейших классов сложных молекул , присутствующих в клетках и тканях животных . Липиды выполняют самые разнообразные функции: снабжают энергией клеточные процессы, формируют клеточные мембраны , участвуют в межклеточной и внутриклеточной сигнализации. Липиды служат предшественниками стероидных гормонов , жёлчных кислот , простагландинов и . В крови содержатся отдельные компоненты липидов ( жирные кислоты — насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные), триглицериды , холестерин , эфиры холестерина и фосфолипиды . Все эти вещества не растворимы в воде, поэтому в организме имеется сложная система транспорта липидов. Свободные (неэтерифицированные) жирные кислоты переносятся кровью в виде комплексов с альбумином . Триглицериды, холестерин и фосфолипиды транспортируются в форме водорастворимых липопротеидов . Некоторые липиды используются для создания наночастиц , например, липосом . Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет их многие привлекательные качества. Они нетоксичны, биодеградируемы, при определённых условиях могут поглощаться клетками, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Липосомы предназначены для целевой доставки в клетки препаратов фотодинамической или генной терапии, а также компонентов другого назначения, например, косметического .

Классификация липидов

Классификация липидов, как и других соединений биологической природы, — весьма спорный и проблематичный процесс. Предлагаемая ниже классификация хоть и широко распространена в , но является далеко не единственной. Она основывается, прежде всего, на структурных и биосинтетических особенностях разных групп липидов.

Простые липиды

Простые липиды — липиды, включающие в свою структуру углерод (С), водород (H), кислород (O) и иногда азот (N).

• Жирные кислоты — алифатические одноосновные карбоновые кислоты с открытой цепью, содержащиеся в этерифицированной форме в жирах, маслах и восках растительного и животного происхождения.
• Жирные альдегиды — высокомолекулярные альдегиды , с числом атомов углерода в молекуле выше 12.
• Жирные спирты — высокомолекулярные спирты , содержащие 1—3 гидроксильные группы .
• Предельные углеводороды с длинной алифатической цепочкой.
• Сфингозин — 2-амино-4-октадецен-1,3-диол — высший алифатический аминоспирт с ненасыщенной углеводородной цепью (C18).
• Воски — сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов.
• Триглицериды (жиры), а также моно- и диглицериды — эфиры спирта глицерина и жирных кислот.

Сложные липиды

Сложные липиды — липиды, включающие в свою структуру помимо углерода (С), водорода (H) и кислорода (О) другие химические элементы. Чаще всего: фосфор (Р), серу (S), азот (N).

• Полярные
  • Фосфолипиды — сложные эфиры многоатомных спиртов и высших жирных кислот, содержащие остаток фосфорной кислоты и соединённую с ней добавочную группу атомов различной химической природы.
  • Гликолипиды — сложные липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами.
  • Сфинголипиды — класс липидов, относящихся к производным алифатических аминоспиртов.

• Нейтральные
  • Церамиды
  • Эфиры стеринов — холестериды.
  • N-ацетилэтаноламиды

• Оксилипиды липоксигеназного пути
• Оксилипиды циклооксигеназного пути

Строение

Молекулы простых липидов состоят из спирта, жирных кислот, сложных — из спирта, высокомолекулярных жирных кислот, возможны остатки фосфорной кислоты, углеводов, азотистых оснований и др. Строение липидов зависит в первую очередь от пути их биосинтеза .

Биологические функции

Энергетическая (резервная) функция

Многие жиры используются организмом как источник энергии. При полном окислении 1 г жира выделяется около 9 ккал энергии, это примерно вдвое больше, чем при окислении 1 г углеводов (4,1 ккал). Жировые отложения используются в качестве запасных источников питательных веществ, прежде всего животными, которые вынуждены носить свои запасы на себе. Растения чаще запасают углеводы, однако в семенах многих растений высоко содержание жиров (растительные масла получают из семян подсолнечника , кукурузы , рапса , льна и других масличных растений ).

Почти все живые организмы запасают энергию в форме жиров. Существуют две основные причины, по которым именно эти вещества лучше всего подходят для выполнения такой функции. Во-первых, жиры содержат остатки жирных кислот, уровень окисления которых очень низкий (почти такой же как у углеводородов нефти). Поэтому полное окисление жиров до воды и углекислого газа позволяет получить более чем в два раза больше энергии, чем окисление той же массы углеводов. Во-вторых, жиры — гидрофобные соединения, поэтому организм, запасая энергию в такой форме, не должен нести дополнительную воду необходимую для гидратации, как в случае с полисахаридами, на 1 г которых приходится 2 г воды. Однако триглицериды — это «более медленный» источник энергии, чем углеводы.

Жиры запасаются в форме капель в цитоплазме клетки. У позвоночных имеются специализированные клетки — адипоциты , почти полностью заполненные большой каплей жира. Также богатыми на триглицериды являются семена многих растений. Мобилизация жиров в адипоцитах и клетках прорастающих семян происходит благодаря липазам — ферментам, которые расщепляют их на глицерин и жирные кислоты.

У людей наибольшее количество жировой ткани находится под кожей (так называемая подкожная клетчатка ), особенно в районе живота и молочных желез. Человеку с лёгким ожирением (15—20 кг триглицеридов) таких запасов может хватить для обеспечения себя энергией в течение месяца, в то время как всего запасённого гликогена хватит менее чем на сутки .

Функция теплоизоляции

Жир — хороший теплоизолятор, поэтому у многих теплокровных животных он откладывается в подкожной жировой ткани, уменьшая потери тепла. Особенно толстый подкожный жировой слой характерен для водных млекопитающих (китов, моржей и др.). Но в то же время у животных, обитающих в условиях жаркого климата (верблюды, тушканчики) жировые запасы откладываются на изолированных участках тела (в горбах у верблюда, в хвосте у жирнохвостых тушканчиков) в качестве резервных запасов воды, так как вода — один из продуктов окисления жиров.

Структурная функция

Фосфолипиды составляют основу билипидного слоя клеточных мембран, холестерин — регулятор текучести мембран. У архей в состав мембран входят производные изопреноидных углеводородов. Воск образует кутикулу на поверхности надземных органов (листьев и молодых побегов) растений. Воск также производят многие насекомые (так, пчёлы строят из него соты , а червецы и щитовки образуют защитные чехлы).

Все живые клетки окружены плазматическими мембранами, основным структурным элементом которых является двойной слой липидов ( липидный бислой ). На 1 мкм² биологической мембраны находится около миллиона молекул липидов . Все липиды, входящие в состав мембран, имеют амфифильные свойства: они состоят из гидрофильной и гидрофобной частей. В водной среде такие молекулы спонтанно образуют мицеллы и бислои в результате гидрофобных взаимодействий, в таких структурах полярные головы молекул обращены наружу к водной фазе, а неполярные хвосты — внутрь, такое же размещение липидов характерно для естественных мембран. Наличие гидрофобного слоя очень важно для выполнения мембранами их функций, поскольку он непроницаем для ионов и полярных соединений .

Основными структурными липидами, которые входят в состав мембран животных клеток, являются глицерофосфолипиды, в основном фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин, а также холестерол, что увеличивает их непроницаемость. Отдельные ткани могут быть выборочно обогащены другими классами мембранных липидов, например нервная ткань содержит большое количество сфингофосфолипидов, в частности сфингомиелина , а также сфингогликолипидов. В мембранах растительных клеток холестерол отсутствует, однако встречается другой стероид — эргостерол. Мембраны тилакоидов содержат большое количество галактолипидов, а также сульфолипиды.

Регуляторная

• Витамины -липиды ( A , D , E , K )
• Гормональная ( стероиды , эйкозаноиды , простагландины и прочие.)
• Кофакторы ( долихол )
• Сигнальные молекулы ( диглицериды , жасмоновая кислота )

Некоторые липиды играют активную роль в регулировании жизнедеятельности отдельных клеток и организма в целом. В частности, к липидам относятся стероидные гормоны , секретируемые половыми железами и корой надпочечников. Эти вещества переносятся кровью по всему организму и влияют на его функционирование.

Среди липидов есть также и вторичные посредники — вещества, участвующие в передаче сигнала от гормонов или других биологически активных веществ внутри клетки. В частности фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат (ФИ (4,5) Ф ₂ ) задействован в сигнализировании при участии G-белков , фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат инициирует образование супрамолекулярных комплексов сигнальных белков в ответ на действие определённых внеклеточных факторов, сфинголипиды, а такие как сфингомиелин и церамид , могут регулировать активность протеинкиназы и стимулировать апоптоз .

Производные арахидоновой кислоты — эйкозаноиды — являются примером паракринных регуляторов липидной природы. В зависимости от особенностей строения эти вещества делятся на три основные группы: простагландины , тромбоксаны и лейкотриены . Они участвуют в регуляции широкого спектра физиологических функций, в частности эйкозаноиды необходимы для работы половой системы, для индукции и прохождения воспалительного процесса (в том числе обеспечение таких его аспектов как боль и повышенная температура), для свёртывания крови, регуляции кровяного давления, также они могут быть задействованы в аллергических реакциях .

Защитная (амортизационная)

Толстый слой жира защищает внутренние органы многих животных от повреждений при ударах (например, сивучи при массе до тонны могут прыгать в воду со скал высотой 20—25 м ^{[ источник не указан 4161 день ]} ).

Увеличения плавучести

Самые разные организмы — от диатомовых водорослей до акул — используют резервные запасы жира как средство снижения среднего удельного веса тела и, таким образом, увеличения плавучести. Это позволяет снизить расходы энергии на удержание в толще воды.

Липиды в диете человека

Среди липидов в диете человека преобладают триглицериды (нейтральные жиры), они являются богатым источником энергии, а также необходимы для всасывания жирорастворимых витаминов. Насыщенными жирными кислотами богата пища животного происхождения: мясо, молочные продукты, а также некоторые тропические растения, такие как орехи кокосовой пальмы . Ненасыщенные жирные кислоты попадают в организм человека в результате употребления орехов, семян, оливкового и других растительных масел. Основными источниками холестерина в рационе является мясо и органы животных, яичные желтки, молочные продукты и рыба. Однако около 85 % процентов холестерина в крови синтезируется в печени .

Организация American Heart Association рекомендует употреблять липиды в количестве не более 30 % от общего рациона, сократить содержание насыщенных жирных кислот в рационе до 10 % от всех жиров и не принимать более 300 мг (количество, содержащееся в одном желтке) холестерина в сутки. Целью этих рекомендаций является ограничение уровня холестерина и триглицеридов в крови до 20 мг/л .

Суточная потребность взрослого человека в липидах — 70—145 граммов.

Незаменимые жирные кислоты

Печень играет ключевую роль в метаболизме жирных кислот, однако некоторые из них она синтезировать неспособна. Эти жирные кислоты называются незаменимыми и к ним в частности относятся ω-3- ( линоленовая ) и ω-6- ( линолевая ) полиненасыщенные жирные кислоты, они содержатся в основном в растительных жирах. Линоленовая кислота является предшественником для синтеза двух других ω-3-кислот: эйкозапентаеновой (EPA) и докозагексаеновой (DHA) . Эти вещества необходимы для работы головного мозга, и положительно влияют на когнитивные и поведенческие функции .

Важно также соотношение ω-6/ω-3-жирных кислот в рационе: рекомендуемые пропорции лежат в пределах от 1:1 до 4:1. Однако исследования показывают, что большинство жителей Северной Америки употребляют в 10—30 раз больше ω-6 жирных кислот, чем ω-3. Такое питание связано с риском возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. Зато «средиземноморская диета» считается значительно здоровее, она богата на линоленовую и другие ω-3-кислоты, источником которых являются зелёные растения (например листья салата), рыба, чеснок, целые злаки, свежие овощи и фрукты. Как пищевую добавку, содержащую жирные кислоты ω-3, рекомендуется принимать рыбий жир .

Транс-ненасыщенные жирные кислоты

Большинство природных жиров содержат ненасыщенные жирные кислоты с двойными связями в цис-конфигурации. Если пища, богатая такими жирами, долгое время находится в контакте с воздухом, она горчит. Этот процесс связан с окислительным расщеплением двойных связей, в результате которого образуются перекиси жирных кислот, альдегиды и карбоновые кислоты с меньшей молекулярной массой, часть из которых является летучими веществами.

Для того чтобы увеличить срок хранения и устойчивость к высоким температурам триглицеридов с ненасыщенными жирными кислотами применяют процедуру частичной гидрогенизации . Следствием этого процесса является превращение двойных связей в одинарные, однако побочным эффектом также может быть переход двойных связей из цис- в транс-конфигурацию . Употребление так называемых «транс-жиров» влечёт повышение содержания липопротеинов низкой плотности («плохой» холестерол ) и снижение содержания липопротеинов высокой плотности («хороший» холестерол) в крови, что приводит к увеличению риска возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, в частности коронарной недостаточности . Более того «транс-жиры» способствуют воспалительным процессам.

См. также

• Жирные кислоты
• Жиры
• Воски
• Фосфолипиды
• Поликетиды
• Липолиз
• Нанокапсулирование
• Липидная мембрана на подложке

Примечания

Литература

• // Большая российская энциклопедия. Том 17. — М. , 2010. — С. 550—551.
• Черкасова Л. С., Мережинский М. Ф. Обмен жиров и липидов, Минск, 1961;
• Маркман А. Л. Химия липидов, в. 1—2, Таш., 1963—70;
• Тютюнников Б. Н. Химия жиров, М., 1966;
• Малер Г., Кордес К. Основы биологической химии, пер. с англ., М., 1970.
• Julian N. Kanfer and Sen-itiroh Hakomori. Sphingolipid Biochemistry, vol. 3 of Handbook of Lipid Research (1983)
• Dennis E. Vance and Jean E. Vance (eds.) Biochemistry of Lipids and Membranes (1985).
• Donald M. Small. The Physical Chemistry of Lipids, vol. 4 of Handbook of Lipid Research (1986).
• Robert B. Gennis. Biomembranes: Molecular Structure and Function (1989)
• Gunstone, F. D., John L. Harwood, and Fred B. Padley (eds.) The Lipid Handbook (1994).
• Charles R. Scriver, Arthur L. Beaudet, William S. Sly, and David Valle. The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease (1995).
• Gunstone, F. D. Fatty acids and lipid chemistry. — London: Blackie Academic and Professional, 1996. 252 pp.
• Robert M. Bell, John H. Exton, and Stephen M. Prescott (eds.) Lipid Second Messengers, vol. 8 of Handbook of Lipid Research (1996).
• Christopher K. Mathews, K. E. van Holde, and Kevin G. Ahern. Biochemistry, 3rd ed. (2000).
• Chapter 12 in «Biochemistry» by Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko and Lubert Stryer (2002) W. H. Freeman and Co.
• Alberts, B., et al. (2004) «Essential Cell Biology, 2nd Edition.» Garland Science. ISBN 0-8153-3480-X
• Solomon, Eldra P., et. al. (2005) «Biology, 7th Edition.» Thomson, Brooks/Cole.
• «Advanced Biology — Principles and Applications.» C.J. Clegg and D.G. Mackean. ISBN 0-7195-7670-9
• Georg Löffler, Petro E. Petrides : Biochemie und Pathobiochemie. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-42295-1
• Florian Horn, Isabelle Moc, Nadine Schneider: Biochemie des Menschen. Thieme, Stuttgart 2005, ISBN 3-13-130883-4
• Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Chemie. Thieme, Stuttgart 2003, ISBN 3-13-484308-0
• Fahy E. et al. A comprehensive classification system for lipids// J. Lipid. Res. 2005. V. 46, № 5. P. 839—861.