Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 6 ЛИПИДЫ. ВЫСШИЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Содержание лекции 6.1. Липиды- биологически активные природные соединения. Определение понятия «Липиды». 6.2. Классификация липидов по строению, физико-химическим свойствам, биологическим функциям; 6.3. Характеристика отдельных представителей липидов: химические и физико-химические свойства, биологическое значение. 6.3.1. Жирные кислоты: насыщенные и ненасыщенные. Номенклатура, строение, изомерия. Незаменимые, заменимые. Витамин F. Химические свойства. Биологическая роль 6.3.2. Триглицериды. Номенклатура, строение природных ТГ, состав, биологическая роль. Реакция гидролиза в щелочной среде (омыление); 6.3.3. Фосфолипиды: глицерофосфолипиды (лецитин, кефалин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозитолдифосфат), сфингомиелины. Фосфатидовая кислота. Строение и биологическая роль. 6.3.4.Холестерин, эфиры холестерина. Строение. Биологическое значение. Роль в патогенезе различных заболеваний; 6. 4. Принципы создания липотропных лекарственных препаратов.. 6.5 . Строение и химический состав мембран клеток Исходный уровень знаний для усвоения темы: Физические и химические свойства многоатомного спирта глицерина, карбоновых кислот, реакции нуклеофильного замещения -этерификации и гидролиза, пространственная геометрическая изомерия алкенов, пространственное строение циклогексановых структур, биологические функции мембран. Ключевые слова к теме: Амфифильный, гидрофильный, гидрофобный, витамин F, воск, высшая ( жирная) карбоновая кислота, кефалин, лецитин, липопротеин, липофильный, мембрана, омыление, триглицерид, фосфатидовая кислота, фосфолипид, холестерин ( свободный, этерифицированный). 6.1. Определение « липиды» Липиды- разнородный по химическому составу класс природных соединений, которые характеризуются общим физико-химическим свойством- высокой гидрофобностью и низкой гидрофильностью. Гидрофобность означает неспособность к растворению в воде ( применяют также равноценный термин липофильность) Классификация липидов имеет свои особенности: в отличие от других классов, где используется признак сходства строения и состава ( гомологические ряды) или тип функциональной группы, в основу классификации липидов положено физико-химическое свойство при условии, что эти вещества имеют природное происхождение или являются их аналогами или производными. Чтобы данное положение стало понятно, приведем пример: бензол или алканы обладают выраженными гидрофобными свойствами, но они не относится к классу липидов.
ЛИПИДЫ подразделяют на - простые( ТГ, воска) - сложные( фосфолипиды, сфинголипиды, липопротеины (ЛП), гликолипиды) - стероиды( и их производные) - изопреноиды( витамин А, каротин, ликопин , терпены) - группа прочих ( диацилглицерины,. высшие карбоновые кислоты и т.д.) Встречающийся в литературе принцип разделения липидов на две группы « омыляемые и неомыляемые» неудобен с точки зрения принятой в биоорганической химии классификации, т.к. распределяет соединения одного класса в разные группы ( например, холестерин- неомыляемый, а эфиры холестерина- омыляемые) и используется в биохимии только в том случае, когда речь идет о переваривании или гидролизе отдельных представителей липидов Понятно, что омыляемые липиды подвергаются щелочному или кислотному гидролизу, а неомыляемые- не подвергаются. 6.3. Основные представители липидов 6.3.1. Природные высшие карбоновые кислоты Встречаются в составе почти всех представителей липидов( воска, триглицериды, ффосфолипиды, эфиры холестерина и т.д.) и во многом определяют их физико-хические свойства Природные высшие карбоновые кислоты разделяют на две группы: насыщенные и ненасыщенные. Особенности строения высших карбоновых кислот организма человека : содержат в преобладающем своем большинстве четное число атомов углерода больше 12( наиболее распространены С-16, С-18, С-20). « Четность» числа атомов связана с их происхождением: высшие карбоновые кислоты в организме человека синтезируются соединением активных форм уксусной кислоты ацетилКоА (АцКоА), в составе которых два атома углерода . Процесс синтеза invivo изучается в курсе биохимии. Наиболее распространенными насыщенными кислотами организма человека являются пальмитиновая кислота С15 Н 31 СООН и стеариновая кислота С17 Н 35 СООН ( stear – греч- сало ). Это твердые жирные на ощупь кристаллические вещества, плавятся при температуре 50 -600 , по внешнему виду напоминают растертый парафин Ненасыщенные кислоты с биологических позиций разделяют на две группы – -заменимые( мононенасыщенные -олеиновая, пальмитолеиновая), которые синтезируются в организме человека - полиненасыщенные незаменимые, которые в организме человека не синтезируются и должны обязательно поступать с продуктами питания. . К ним относятся линолевая, линоленовая, арахидоновая, их совместно называют витамин F ( fat – жир). Кислота С17 Н 33 СООН содержит одну двойную связь между 9,10 атомами углерода и существует в виде 2 изомеров: цис-изомер носит название олеиновая кислота, транс-изомер –элаидиновая кислота. 10 9 СН3 -(СН2 )7 - СН==СН- ( СН2 )7 -СООН Н Н Н ( СН2 ) 7 СООН >С=С< >С=С< СН3 (СН2) 7 ( СН2 ) 7 СООН СН3 (СН2) 7 Н цис, олеиновая транс, элаидиновая жидкая твердая Формула линолевой кислоты С17 Н 31 СООН. Содержит две двойные связи цис-строения между атомами 9,10 и 12,13. Принято обозначение: указывают общее число атомов углерода в молекуле кислоты, количество двойных связей, места положения двойных связей. Например, линолевая - 18 : 2: 9, 12. Линоленовая кислота С17 Н 29 СООН - 18 : 3: 9, 12, 15 Арахидоновая кислота С19 Н 31 СООН - 20 : 4: 5, 8, 11, 14 В рецептуре биодобавок принято для обозначения ненасыщенных кислот указывать расположение последней двойной связи от конца молекулы : линолевая кислота обозначается как ω -6 ( омега-6 ), линоленовая как ω -3. Природные ненасыщенные высшие карбоновые кислоты имеют цис - строение Все незаменимые кислоты – полиненасыщенные, жидкие при комнатной температуре, напоминают по внешнему виду густое растительное масло. Имеется отличие физических свойств транс - и цис- ненасыщенных кислот (соответственно твердые и жидкие). Условием перехода менее устойчивой цис-формы в более устойчивый транс-изомер является действие свободных радикалов: кислорода, оксида азота NO, ультрафиолетового или ионизирующего излучения. Изомеризация ненасыщенных кислот носит название элаидинизация ( по элаидиновой кислоте, которая образуется из природной олеиновой). Превращение цис-ненасыщенных кислот в транс-форму в биологических условиях является для клетки патологическим процессом: изменяется агрегатное состояние, что влечет за собой изменение свойств соединений и структур, в составе которых есть ненасыщенные кислоты, например, триглицериды, фосфолипиды и мембраны клеток. Углеводородные остатки (их часто называют «хвосты») насыщенных и ненасыщенных высших кислот имеют различное пространственное строение и расположение. «Хвосты» насыщенных кислот вытянуты в длину , валентные углы связей равны 1090 28’, вокруг них возможно свободное вращение. У ненасыщенных кислот в местах расположения двойных связей валентные углы равны 1200, свободное вращение отсутствует. Возникают переломы цепи «кинки», цепь укорачивается и изменяет пространственное направление. ( kink – англ- перекручивание, петля). Химические свойства высших карбоновых кислот, которые имеют важное значение в биохимических процессах:: - образование растворимых солей ( мыла) , - образование сложных эфиров и тиоэфиров. - реакции дегидрирования.
С17Н35СООН + NаОН = С17Н35СООNа + Н2 О ( соль стеарат натрия) Соли карбоновых кислот образуются в просвете 12-перстной кишки при гидролизе триглицеридов в процессе переваривания. Растворимые натриевые и калиевые соли обладают поверхностно- активным действием ( относятся к ПАВ- поверхностно- активным веществам) . В кишечнике они способствуют эмульгированию жиров, но при действии на мембраны клеток вызывают снижение поверхностного натяжения и разрушение, «размывание», мембран( являются детергентами). Соли кальция и магния не растворимы в воде, их образование в процессе пищеварения препятствует всасыванию нужных организму ионов кальция и магния. NB! Поэтому лекарственные препараты, содержащие эти элементы. не рекомендуют принимать во время или вскоре после еды, если в ней содержались в большом количестве пищевые липиды.
ROH + С17Н35СООН < ———> С17Н35СОО R + Н2 О Спирт кислота сложный эфир Если спирт относится к высшим и содержит более 16 атомов углерода, то сложный эфир является воском. Многие растения, насекомые( пчелы, осы) , животные( овцы) синтезируют воска. Шерстяной воск животных выделяется в качестве кожного секрета и смазывает шерсть, делая ее водоотталкивающей. Очищенный животный воск овец называется ланолин, широко используется в парфюмерной промышленности. 3. Тиоэфиры Особую биологическую роль играют тиоэфиры: ацил КоА и ацетилКоА. В клетке высшие карбоновые кислоты всегда превращаются в тиоэфиры- активные формы карбоновых кислот. В синтезе триглицеридов, фосфолипидов, эфиров холестерина участвуют активные формы высших кислот - АцилКоА. Образование тиоэфира( с участием катализатора белка-фермента ) происходит в цитоплазме клеток. С17Н35СООН + НSКоА + АТФ ——> С17Н35СОSКоА + Н2 О + АМФ + Н4 Р2О7 ацилкоэнзим А – тиоэфир АМФ- аденозинмонофосфат- нуклеотид( см. лекцию 11 «Нуклеиновые кислоты») 4. Дегидрирование насыщенной кислоты в активной форме с участием фермента. Схема реакции: С17Н35СОSКоА + НАДФН + Н+ + О2 ——> С17Н33СОSКоА + 2 Н2О +НАДФ+ стеариновая кислота олеиновая кислота 18 : 1: 9 В организме человека дегидрируются две кислоты : пальмитиновая и стеариновая. В обоих случаях в молекуле образуется только одна двойная связь, которая располагается всегда между 9,10 атомами углерода. С15Н31СОSКоА + НАДФН + Н+ + О2 ———> С15Н29СОSКоА + 2 Н2О+ НАДФ+ пальмитиновая пальмитолеиновая 16 : 1: 9: пальмитоилКоА пальмитолеилКоА 6.3.2. Триацилглицерины( триглицериды) Триглицериды (ТГ) - сложные эфиры, образованные глицерином и тремя высшими карбоновыми кислотами. Имеют различное биологическое происхождение( растительные, животные) и отличия в физических свойствах- твердые , жидкие и полужидкие, что зависит от содержания в них насыщенных и ненасыщенных высших жирных кислот. ТГ, в составе которых находятся насыщенные кислоты – твердые( их называют жиром), ненасыщенные кислоты – жидкие. Жидкие ТГ называют маслами. Жиры человека – полужидкие, в их составе – насыщенные и ненасыщенные кислоты. ТГ занимают внутреннее пространство клетки жировой ткани- адипоцита- в виде жировой капли. Состав ТГ организма животных и человека зависит от места расположения жировой ткани . Жиры организма человека относятся к оптически активным соединениям и имеют L- конфигурацию,  L- триглицерид( триацилглицерин) – содержит три различных высших жирных кислоты. Номенклатура: В названии триглицерида перечисляют входящие в его состав ацильные остатки жирных кислот в порядке записи в структурной формуле ( положения 1, 2, 3) 1 СН2 – О- СО – С 17 Н35 | С 17 Н33 -CО -О - 2СН | 3 СН2 - О – СО - С 15 Н31 1-стеароил - 2- олео- 3 – пальмитоилглицерин( или 1-стеароил - 2- олео- 3 – пальмитин. От названия глицерин сохраняется ин ) Если в составе ТГ присутствуют три одинаковые кислоты, например, пальмитиновые, то название звучит так: трипальмитин. Триглицериды в организме человека выполняют защитные, запасные и энергетические функции. Усвоение ТГ пищи и использование тканевых ТГ для энергетических целей начинается с их гидролиза под действием ферментов липаз. Реакция проходит в слабощелочной среде. Фактически- это реакция омыления, в процессе гидролиза образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот + 3 NaOH ——> СН2(ОН) –СН(ОН)-СН2(ОН) + R1 - CООNa + R2 СООNa + R3 СООNa глицерин соли жирных кислот 6.3.3. Фосфатиды ( фосфолипиды ) и фосфатидовая кислота L- Фосфатидовая кислота invivo является предшественником в синтезе триглицеридов и фосфолипидов. Ее состав подчиняется определенному порядку, который сохраняется и в фосфолипиде: в положении 1 находится насыщенная кислота, в положении 2 – ненасыщенная.
Фосфолипиды (ФЛ) относятся к сложным липидам и являются главными компонентами мембран клеток, в которых образуют липидные бислои В составе ФЛ присутствуют спирты: аминоэтанол, холин, аминокислоты серин, треонин, многоатомный циклический спирт инозит. В структуре ФЛ выделяют полярную часть ( гидрофильную) и неполярную( гидрофобную). Присутствие двух с противоположными физико-химическими свойствами участков носит название- амфифильность. Остаток фосфорной кислоты всегда ионизирован. ФЛ обладают свойствами ПАВ, хорошо образуют пленочные слои на разделе двух фаз, являются активными эмульгаторами, легко образуют комплексы с белками. Эти комплексы носят название липопротеины(ЛП). Если в составе ФЛ присутствует арахидоновая кислота, то такой фосфолипид , находясь в мембране клетки, принимает участие в образовании внутриклеточных регуляторов : простагландинов, тромбоксанов, которые образуются из арахидоновой кислоты. Фосфолипид, содержащий спирт инозитол – фосфатидилинозитолдифосфат – принимает участие в регуляции обмена кальция между клеткой и внеклеточным пространством. Главные представители ФЛ - кефалин и лецитин. В составе кефалина присутствует спирт аминоэтанол ( другое название коламин) , в составе лецитина- спирт холин. Доля лецитина составляет около 70 %, а доля кефалина около 20% от общего количества фосфолипидов организма. Фосфолипидный состав мембран зависит от вида клеток.  полярная часть, «полярная головка»лецитин  полярная частькефалин Остатки фосфорной кислоты всегда ионизированы( фосфорная кислота в организме самая сильная), а на атоме азота в холине всегда положительный заряд. Образуется биполярный гидрофильный участок ФЛ синтезируются в организме человека.
Холестерин С27 Н60 О - жемчужные пластинки, жирные на ощупь, не растворимые в воде – относится к группе химических веществ «стеринов» Стерины( стеролы) – производные циклопентанпергидрофенантрена, содержащие гидроксигруппы( термин «пергидро» означает- полностью гидрированный).Сложная циклическая система образована 4 конденсированными циклами, условно их можно подразделить на 2 структурные части : на цикл фенантрена и циклопентана Стерины распространены в природе, синтезируются растениями( эргостерины, стигмастерины) и животными( холестерин). В организме человека также происходит синтез холестерина. В молекуле холестерина три шестичленных цикла находятся в конформации « кресло». В цикле А в положении 3 находится гидроксигруппа, в цикле В в положениях 5,6 присутствует двойная связь.  Холестеринцикл А цикл В В холестерине пятичленный цикл связан с углеводородным радикалом, содержащем 8 атомов углерода. Если гидроксильная группа не связана с остатком высшей жирной кислоты, такое соединение принято называть свободный холестерин(ХС), если гидроксигруппа этерифицирована, то холестерин этерифицированный.( ХЭ ) ХС присутствует совместно с ФЛ в мембранах клеток, ХЭ входит в состав сложных белков крови липопротеинов (ЛП ) и из них поступает в цитоплазму клеток. В организме человека холестерин превращается в стероидные гормоны, витамин Д и желчные кислоты. С нарушением обмена холестерина связано тяжелое заболевание атеросклероз. Растительные стерины не вызывают развитие атеросклероза. Холестерин дает множество цветных реакций, которые позволяют провести его качественное обнаружение и количественное определение. Чаще всего применяют реакцию Сальковского: образец, содержащий холестерин, обрабатывают хлороформом, добавляют концентрированную серную кислоту. Хлороформный слой окрашивается в красный цвет, а кислотный слой флуоресцирует зеленым цветом. 6. 4. Принципы создания липотропных лекарственных препаратов Наиболее перспективным путем создания липотропных лекарственных препаратов является включение биоактивного вещества в состав липосом. Липосомы представляют собой пузырькообразные частицы, которые состоят из множества замкнутых фосфолипидных бислоев, разделенных водными промежутками. Липосомы бывают моноламеллярные (однослойные) и мультиламеллярные ( многослойные). В процессе приготовления липосом в их внутреннее водное пространство включаются те вещества, которые присутствовали в растворе. В состав липосом можно включать водорастворимые антигены, лекарственные препараты, гормоны, витамины, фрагменты нуклеиновых кислот. Липосомы проходят через липидные слои мембраны и переносят внутрь клетки содержащиеся в них вещества вещества, которые иначе не смогли бы преодолеть барьер мембраны.. 6.5 . Строение и химический состав мембран клеток В 1972г. С. Дж Синджер и Г.Л. Николсон предложили модель молекулярной организации мембраны, которая получила название жидко-мозаичной модели. . Структурной основой является липидный бислой, в котором углеводородные цепи высших карбоновыхнаходятся в жидкокристаллическом состоянии. В этот вязкий слой включены молекулы белков, которые могут достаточно свободно перемещаться в мембране и молекулы свободного неэтерифицированного холестерина.. Белки подразделяют на два типа: периферические и интегральные. Периферические белки достаточно легко отделяются от мембраны и связаны с ней за счет полярного и ионного взаимодействия. Интегральные белки располагаются внутри мембраны, имеют на своей поверхности большие гидрофобные участки, для их выделения необходимо разрушение мембраны. Модель С. Дж Синджера и Г.Л. Николсона не является окончательной( в науке редко бывают «неприкасаемые» истины) , она уточняется и разрабатывается в современных исследованиях. . Жидкокристаллическое состояние мембраны обозначают термином « текучесть». Биологические и физико-химические свойства мембран ухудшаются при появлении транс-изомеров полиненасыщенных кислот, продуктов окисления двойных связей в составе этих кислот, при частичном гидролизе фосфолипидов и белков. В тоже время перечисленные превращения входят в обязательный комплекс изменений , связанных с процессами адаптации к меняющимся условиям среды существования организма. |
