Эта статья — о липидах как о химических веществах. О жирах как компонентах пищи см. Жиры (диетология).
ЛИПИДЫ
– это разнородная группа природных
соединений, полностью или почти полностью
нерастворимых в воде, но растворимых в
органических растворителях и друг в
друге, дающих при гидролизе высокомолекулярные
жирные кислоты.
В
живом организме липиды выполняют
разнообразные 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.
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.
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).
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.
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.
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.
2) Запасная (энергетическая)
Запасные
липиды (в основном жиры) являются
энергетическим резервом организма и
участвуют в обменных процессах. В
растениях они накапливаются главным
образом в плодах и семенах, у животных
и рыб — в подкожных жировых тканях и
тканях, окружающих внутренние органы,
а также печени, мозговой и нервной
тканях. Содержание их зависит от
многих факторов (вида, возраста, питания
и т. д.) и в отдельных случаях составляет
95—97% всех выделяемых липидов.
Калорийность
углеводов и белков: ~ 4 ккал/грамм.
Калорийность
жира: ~ 9 ккал/грамм.
Преимуществом
жира как энергетического резерва, в
отличие от углеводов, является
гидрофобность – он не связан с водой.
Это обеспечивает компактность жировых
запасов – они хранятся в безводной форме,
занимая малый объем. В среднем, у человека
запас чистых триацилглицеринов составляет
примерно 13 кг. Этих запасов могло бы
хватить на 40 дней голодания в условиях
умеренной физической нагрузки. Для
сравнения: общие запасы гликогена в
организме – примерно 400 гр.; при голодании
этого количества не хватает даже на
одни сутки.
Классификация липидов, как и других соединений биологической природы, — весьма спорный и проблематичный процесс. Предлагаемая ниже классификация хоть и широко распространена в липидологии, но является далеко не единственной. Она основывается, прежде всего, на структурных и биосинтетических особенностях разных групп липидов.
Простые липиды — липиды, включающие в свою структуру углерод (С), водород (H), кислород (O) и иногда азот (N).
Примеры жирных кислот: миристиновая (насыщенная жирная кислота) и миристолеиновая (мононенасыщенная кислота) имеют по 14 атомов углерода
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).
Общее строение фосфолипидовЗаместители R1 и R² — остатки жирных кислот, X зависит от типа фосфолипида.
1) Структурная
Структурные
липиды образуют сложные комплексы с
белками и углеводами, из которых построены
мембраны клетки и клеточных структур,
участвуют в разнообразных процессах,
протекающих в клетке.
Метаболизм жиров в организме.
Нейтральные
жиры
являются важнейшим источником энергии.
За счет окисления образуется 50%
всей энергии необходимой организму.
Нейтральные
жиры, составляющие основную массу
животной пищи и липидов организма
(10—20% массы тела), являются источником
эндогенной воды. Физиологическое
депонирование нейтральных жиров
выполняют липоциты,
накапливая их в подкожной жировой
клетчатке, сальнике, жировых капсулах
различных органов – увеличиваясь в
объеме. Считают, что количество жировых
клеток закладывается в детском возрасте
и в дальнейшем может лишь увеличиваться
в размерах. Жиры, депонированные в
подкожной клетчатке, предохраняют
организм от потерь тепла, а окружающие
внутренние органы – от механических
повреждений. Жир может депонироваться
в печени и мышцах. Количество жира
отложенного в депо зависит от характера
питания, особенностей конституции,
пола, возраста, вида деятельности, образа
жизни и т.д.
Фосфо-
и гликолипиды
входят
в состав всех клеток (клеточные липиды),
особенно нервных. Этот вид жиров –
непременный
компонент биологических мембран.
Фосфолипиды синтезируются в печени и
в кишечной стенке, однако только
гепатоциты способны выделять их в кровь.
Поэтому печень является единственным
органом, определяющим уровень фосфолипидов
крови.
Бурый
жир
представлен
особой жировой тканью, располагающейся
у новорожденных и грудных детей в области
шеи и верхней части спины (его количество
в организме 1—2% от общей массы тела). В
небольшом количестве (0,1—0,2% от общей
массы тела) бурый жир имеется и у взрослого
человека. Особенностью состава бурого
жира является огромное количество
митохондрий с красновато-бурыми
пигментами в
которых
происходят
интенсивные процессы окисления, не
сопряженные с образованием АТФ. Важнейшую
роль в механизмах этого явления
играет белок термогенин, составляющий
10—15% общего белка митохондрий бурого
жира. Продукция тепла бурым жиром (на
единицу массы его ткани) в 20 и более раз
превышает таковую обычной жировой
ткани.
У
новорожденных низкая функциональная
активность организма и незрелость
центральных и периферических механизмов
терморегуляции не обеспечивают
достаточную теплопродукцию, поэтому
функцию дополнительного специфического
генератора тепла выполняет бурый жир.
У взрослых же необходимость в дополнительном
источнике тепла отпадает, так как
теплопродукция обеспечивается иными,
более совершенными, механизмами.
Следует
отметить, что бурый жир является также
источником эндогенной воды.
Высшие
жирные кислоты
являются
основным продуктом гидролиза липидов
в кишечнике. Всасывание их в кровь
происходит в виде мицелярных комплексов,
состоящих из жирных и желчных кислот,
фосфолипидов и холестерола.
Для
нормальной жизнедеятельности необходимо
присутствие в пище незаменимых жирных
кислот, которые не синтезируются в
организме. К таким кислотам относятся
олеиновая, линолевая, линоленовая и
арахидоновая. Суточная
потребность
в
них составляет 10—12 г. Линолевая и
линоленовая кислоты содержатся в
основном в растительных жирах, арахидоновая
–
только
в животных. Дефицит незаменимых жирных
кислот в пище приводит к замедлению
роста и развития организма, снижению
репродуктивной функции и различным
поражениям кожи. Полиненасыщенные
жирные кислоты необходимы для построения
и сохранения липопротеидных клеточных
мембран, для синтеза простагландинов
и половых гормонов.
Жиры
могут образовываться в организме из
углеводов и белков при их избыточном
поступлении извне. Значительное
количество жиров человек получает с
колбасами – от 20—40%,
салом – 90% , сливочным маслом – 72—82%
, сырами – 15—50%,
сметаной – 20—30%.
В среднем человеку
требуется 70—125
г жира в сутки,
из которого 70% животного, а 30% растительного.
Лишний жир откладывается в организме
в определенных частях тела в виде
жирового депо.
Холестерол
относится
к классу стеринов, включающему также
стероидные гормоны, витамин D
и желчные кислоты. Холестерол, поступает
в организм с пищей и
синтезируется
в самом организме. При этом значительная
его часть синтезируется в печени, где
происходит и его расщепление на желчные
кислоты, выделяемых в составе желчи в
кишечник. Транспорт
холестерола
в крови осуществляется в составе
липопротеидов высокой, низкой и очень
низкой плотности.
Повышение
фракции липопротеидов низкой плотности
несет опасность развития атеросклероза
вследствие их накопления в сосудистой
стенке. Липопротеиды высокой плотности,
напротив, способствуют удалению
холестерола из клеток,
Суммарное количество
жиров в организме человека составляет
10—20%
массы тела. Увеличение массы тела на
20—25%
считается предельно допустимой
физиологической границей. Более чем у
30% населения экономически развитых
стран масса тела превышает нормальные
показатели.
Соседние файлы в папке Занятия
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.
2 Классификация липидов
Общепринятой
классификации липидов не существует.
Наиболее
целесообразно классифицировать липиды
в зависимости от их химической
природы, биологических функций, а также
по отношению к некоторым реагентам,
например, к щелочам.
По
химическому составу липиды обычно делят
на две группы: простые и сложные.
Простые
липиды
– сложные эфиры жирных кислот и спиртов.
К ним относятся жиры,
воски
и стероиды.
Жиры
– эфиры глицерина и высших жирных
кислот.
Воски
– эфиры высших спиртов алифатического
ряда (с длинной углеводной цепью 16-30
атомов С) и высших жирных кислот.
Стероиды
– эфиры полициклических спиртов и
высших жирных кислот.
Сложные
липиды – помимо
жирных кислот и спиртов содержат другие
компоненты различной химической природы.
К ним относятся фосфолипиды
и гликолипиды.
Фосфолипиды
– это сложные липиды, в которых одна из
спиртовых групп связана не с ЖК, а с
фосфорной кислотой (фосфорная кислота
может быть соединена с дополнительным
соединением). В зависимости от того,
какой спирт входит в состав фосфолипидов,
они подразделяются на глицерофосфолипиды
(содержат спирт глицерин) и сфингофосфолипиды
(содержат спирт сфингозин).
Гликолипиды
– это сложные липиды, в которых одна
из спиртовых групп связана не с ЖК, а с
углеводным компонентом. В зависимости
от того, какой углеводный компонент
входит в состав гликолипидов, они
подразделяются на цереброзиды (в качестве
углеводного компонента содержат
какой-либо моносахарид, дисахарид или
небольшой нейтральный гомоолигосахарид)
и ганглиозиды (в качестве углеводного
компонента содержат кислый
гетероолигосахарид).
Иногда
в самостоятельную группу липидов
(минорные
липиды)
выделяют жирорастворимые пигменты,
стерины, жирорастворимые витамины.
Некоторые из этих соединений могут быть
отнесены к группе простых (нейтральных)
липидов, другие — сложных.
По
другой классификации липиды в зависимости
от их отношения к щелочам делят на две
большие группы: омыляемые и неомыляемые.
К группе омыляемых липидов относятся
простые и сложные липиды, которые при
взаимодействии со щелочами гидролизуются
с образованием солей высокомолекулярных
кислот, получивших название «мыла».
К группе неомыляемых липидов относятся
соединения, не подвергающиеся щелочному
гидролизу (стерины, жирорастворимые
витамины, простые эфиры и т. д.).
По
своим функциям в живом организме липиды
делятся на структурные, запасные и
защитные.
Структурные
липиды – главным образом фосфолипиды.
Запасные
липиды – в основном жиры.
Защитные
липиды растений — воски и их производные,
покрывающие поверхность листьев, семян
и плодов, животных – жиры.
Химическое
название жиров – ацилглицерины. Это
сложные эфиры глицерина и высших жирных
кислот. “Ацил-” – это означает
“остаток жирных кислот”.
В
зависимости от количества ацильных
радикалов жиры разделяются на моно-,
ди- и триглицериды. Если в составе
молекулы 1 радикал жирных кислот, то
жир называется МОНОАЦИЛГЛИЦЕРИНОМ.
Если в составе молекулы 2 радикала жирных
кислот, то жир называется ДИАЦИЛГЛИЦЕРИНОМ.
В организме человека и животных
преобладают ТРИАЦИЛГЛИЦЕРИНЫ (содержат
три радикала жирных кислот).
Три
гидроксила глицерина могут быть
этерифицированы либо только одной
кислотой, например пальмитиновой или
олеиновой, либо двумя или тремя различными
кислотами:
Природные
жиры содержат главным образом смешанные
триглице-риды, включающие остатки
различных кислот.
Так
как спирт во всех природных жирах один
и тот же — глицерин, наблюдаемые между
жирами различия обусловлены
исключительно составом
жирных кислот.
В
жирах обнаружено свыше четырехсот
карбоновых кислот различного строения.
Однако большинство из них присутствует
лишь в незначительном количестве.
Кислоты,
содержащиеся в природных жирах, являются
монокарбоновыми, построены из
неразветвленных углеродных цепей,
содержащих четное число углеродных
атомов. Кислоты, содержащие нечетное
число атомов углерода, имеющие
разветвленную углеродную цепочку или
содержащие циклические фрагменты,
присутствуют в незначительных количествах.
Исключение составляют изовалериановая
кислота и ряд циклических кислот,
содержащихся в некоторых весьма
редко встречающихся жирах.
Наиболее
распространенные в жирах кислоты
содержат от 12 до 18 атомов углерода,
они часто называются жирными кислотами.
В состав многих жиров входят в небольшом
количестве низкомолекулярные кислоты
(С2—С10).
Кислоты с числом атомов углерода выше
24 присутствуют в восках.
В
состав глицеридов наиболее распространенных
жиров в значительном количестве входят
ненасыщенные кислоты, содержащие 1—3
двойные связи: олеиновая, линолевая и
линоленовая. В жирах животных присутствует
арахидоновая кислота, содержащая четыре
двойные связи, в жирах рыб и морских
животных обнаружены
кислоты
с пятью, шестью и более двойными связями.
Большинство ненасыщенных кислот липидов
имеет цис-конфигурацию, двойные связи
у них изолированы или разделены
метиленовой (—СН2—)
группой.
Из
всех непредельных кислот, содержащихся
в природных жирах, наиболее распространена
олеиновая кислота. В очень многих жирах
олеиновая кислота составляет больше
половины от общей массы кислот, и
лишь в немногих жирах ее содержится
меньше 10%. Две другие непредельные
кислоты — линолевая и линоленовая —
также очень широко распространены,
хотя они присутствуют в значительно
меньшем количестве, чем олеиновая
кислота. В заметных количествах линолевая
и линоленовая кислоты содержатся в
растительных маслах; для животных
организмов они являются незаменимыми
кислотами.
Из
предельных кислот пальмитиновая кислота
почти так же широко распространена, как
и олеиновая. Она присутствует во всех
жирах, причем некоторые содержат ее
15—50% от общего содержания кислот. Широко
распространены стеариновая и
миристиновая кислоты. Стеариновая
кислота содержится в большом количестве
(25% и более) только в запасных жирах
некоторых млекопитающих (например, в
овечьем жире) и в жирах некоторых
тропических растений, например в масле
какао.
Целесообразно
разделять кислоты, содержащиеся в
жирах, на две категории: главные и
второстепенные кислоты. Главными
кислотами жира считаются кислоты,
содержание которых в жире превышает
10%.
Как
правило, жиры не выдерживают перегонки
и разлагаются, даже если их перегоняют
при пониженном давлении.
Температура
плавления, а соответственно и консистенция
жиров зависят от строения кислот,
входящих в их состав. Твердые жиры, т.
е. жиры, плавящиеся при сравнительно
высокой температуре, состоят
преимущественно из глицеридов предельных
кислот (стеариновая, пальмитиновая), а
в маслах, плавящихся при более низкой
температуре и представляющих собой
густые жидкости, содержатся значительные
количества глицеридов непредельных
кислот (олеиновая, линолевая, ли-ноленовая).
Так
как природные жиры представляют собой
сложные смеси смешанных глицеридов,
они плавятся не при определенной
температуре, а в определенном температурном
интервале, причем предварительно они
размягчаются. Для характеристики
жиров применяется, как правило, температура
затвердевания, которая
не совпадает с температурой плавления
— она несколько ниже. Некоторые природные
жиры — твердые вещества; другие же
— жидкости (масла). Температура
затвердевания изменяется в широких
пределах: -27 °С у льняного масла, -18
°С у подсолнечного, 19—24 °С у коровьего
и 30—38 °С у говяжьего сала.
Температура
затвердевания жира обусловлена характером
составляющих его кислот: она тем выше,
чем больше содержание предельных
кислот.
Жиры
растворяются в эфире, полигалогенопроизводных,
в сероуглероде, в ароматических
углеводородах (бензоле, толуоле) и в
бензине. Твердые жиры трудно растворимы
в петролейном эфире; нерастворимы в
холодном спирте. Жиры нерастворимы
в воде, однако они могут образовывать
эмульсии, которые стабилизируются
в присутствии таких поверхностно-активных
веществ (эмульгаторов), как белки, мыла
и некоторые сульфокислоты, главным
образом в слабощелочной среде. Природной
эмульсией жира, стабилизированной
белками, является молоко.
Жиры
вступают во все химические реакции,
характерные для сложных эфиров, однако
в их химическом поведении имеется
ряд особенностей, связанных со строением
жирных кислот и глицерина.
Среди
химических реакций с участием жиров
выделяют несколько типов превращений.
Соседние файлы в папке органическая химия
4) Важный компонент пищевого сырья
Липиды
являются важным компонентом пищи, во
многом определяя ее пищевую ценность
и вкусовое достоинство. Исключительно
велика роль липидов в разнообразных
процессах пищевой технологии. Порча
зерна и продуктов его переработки при
хранении (прогоркание) в первую очередь
связана с изменением его липидного
комплекса. Липиды, выделенные из ряда
растений и животных, — основное сырье
для получения важнейших пищевых и
технических продуктов (растительного
масла, животных жиров, в том числе
сливочного масла, маргарина, глицерина,
жирных кислот и др.).
Незаменимые жирные кислоты
Суточная потребность взрослого человека в липидах — 70—145 граммов.
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.
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.
3) Защитная
Подкожные
жировые ткани предохраняют животных
от охлаждения, а внутренние органы —
от механических повреждений.
Образование
запасов жира в организме человека и
некоторых животных рассматривается
как приспособление к нерегулярному
питанию и к обитанию в холодной среде.
Особенно большой запас жира у животных,
впадающих в длительную спячку (медведи,
сурки) и приспособленных к обитанию в
условиях холода (моржи, тюлени). У плода
жир практически отсутствует, и появляется
только перед рождением.
Особую
группу по своим функциям в живом организме
составляют защитные липиды растений —
воски и их производные, покрывающие
поверхность листьев, семян и плодов.
Функции липидов
Липиды принимают
участие в выполнении следующий функций:
1.
Структурная
или
пластическая роль липидов состоит
в том, что они входят в состав структурных
компонентов клетки (фосфо- и гликолипиды),
ядра, цитоплазмы, мембраны и в значительной
степени определяют их свойства (в нервной
ткани содержится до 25% , в клеточных
мембранах до 40% жиров).
2. Энергетическая
функция
–
обеспечивает 25—30% всей энергии необходимой
организму (при расщеплении 1г
жира образуется 38,9 кДж.). У
взрослой женщины доля жировой ткани в
организме составляет в среднем 20—25%
массы тела, что почти вдовое больше, чем
у мужчины (соответственно 12— 14%). Следует
полагать, что жир выполняет в женском
организме еще и специфические функции.
В частности, жировая ткань обеспечивает
женщине резерв энергии,
необходимый для вынашивания плода и
грудного вскармливания.
3.
Жиры
являются источником образования
эндогенной воды. При
окислении 100 г жира выделяется 107
мл Н2О.
4. Функция
запасания питательных веществ (жировое
депо).
Жиры являются своего рода «энергетическими
консервами».
5.Защитная. Жиры
защищают
органы от
повреждений
(подушка
около глаз, околопочечная капсула).
6. Выполняют
транспортную функцию –
носители жирорастворимых витаминов.
7.
Терморегуляционная.
Жиры
предохраняют организм от потери тепла.
8. Жиры
являются источником
синтеза стероидных гормонов.
9. Участвуют
в синтезе тромбопластина и миелина
нервной ткани, желчных кислот,
простагландинов и витамина D.
10.
Существуют данные о том, что часть
мужских половых стероидных гормонов в
жировой ткани преобразуется в женские
гормоны, что является основой косвенного
участия жировой ткани в гуморальной
регуляции функций
организма.