Классификация и структура липидов

В последние десятилетия были достигнуты значительные успехи в изучении химии и биохимии липидов. Однако до настоящего времени отсутствуют строгая классификация липидов и критерии принадлежности к данному классу биологически активных природных соединений. Так, к липидам пытаются отнести все вещества гидрофобного характера, включая не только производные высших жирных кислот, спиртов и альдегидов, но и терпены, стероиды, жирорастворимые витамины, пигменты и другие группы липофильных соединений клетки. Часто классификацию липидов осуществляют также на основе их растворимости, что, впрочем, совершенно не отражает их строения.

Отсутствие единой классификации липидов, по-видимому, в первую очередь обусловлено крайним разнообразием их структурных компонентов. В состав липидов входят высшие жирные кислоты, спирты, в том числе высшие жирные спирты, альдегиды, различные полиолы, углеводы, азотистые основания, аминодиолы, холестерол, аминокислоты, фосфорная и фосфоновая кислоты и другие соединения, между которыми могут образовываться разнообразные связи (сложноэфирная, простая эфирная, гликозидная, амидная, фосфодиэфирная, фосфоноэфирная и другие). Если учесть, что эти компоненты могут иметь различную длину цепочки атомов углерода, различную степень ненасыщенности, различные функциональные группы и различную конфигурацию двойных связей, то станет понятным чрезвычайное разнообразие структуры липидов.

К липидам целесообразно относить природные биологически активные производные высших жирных кислот, спиртов и альдегидов. Как правило, при классификации липидов в последнее время пользуются именно таким определением. На основании указанного подхода, используемого при классификации данных соединений, липиды принято подразделять на простые или нейтральные липиды, сложные липиды (представленные, главным образом, фосфолипидами), сфинголипиды, а также стерины и стериды (стеролы и их эфиры с жирными кислотами).

Простые или нейтральные липиды

Простые или нейтральные липиды, в свою очередь, подразделяют на жиры (триацилглицеролы) и воска. Триацилглицеролы представляют собой сложные эфиры трех молекул высших жирных кислот с трехатомным спиртом глицеролом. В зависимости от насыщенности или ненасыщенности жирных кислот, входящих в состав триацилглицеролов, их делят на собственно жиры и масла, соответственно. Триацилглицеролы являются основным компонентом жировых депо растительных и животных клеток. Важно отметить, что триацилглицеролы – это неполярные, гидрофобные соединения, не содержащие заряженных или сильно полярных групп и, поэтому, не растворимы в воде.

Воска – это тожесложные эфиры, образуемые длинноцепочечными насыщенными или ненасыщенными жирными кислотами (с числом атомов углерода от 14 до 36) и длинноцепочечными одноатомными спиртами (с числом атомов от 16 до 22). У позвоночных животных воска, секретируемые кожными железами, выполняют функцию защитного покрытия, которое смазывает, смачивает кожу и предохраняет ее от действия воды. У птиц, особенно водоплавающих, воска копчиковой железы придают перьевому покрытию водоотталкивающие свойства. Воска вырабатываются и используются в очень больших количествах морскими организмами, особенно планктонными, у которых они служат основной формой накопления высококалорийного клеточного топлива. Именно поэтому воска играют важную роль в морских пищевых цепях в качестве основного источника липидов.

Сложные или полярные липиды (фосфолипиды)

Существует несколько классов сложных мембранных липидов. Они отличаются от триацилглицеролов тем, что наряду с углеводородными цепями содержат одну или несколько сильно полярных группировок. На этом основании их часто называют полярными липидами. Фосфолипиды служат основными структурными элементами мембран. Как видно из их названия, липиды этой группы содержат фосфор в виде остатка фосфорной кислоты. Роль основного фосфолипидного компонента играют фосфоглицериды, в состав которых входят два остатка жирных кислот, этерифицирующих первую и вторую гидроксильные группы глицерола. Третья гидроксильная группа глицерола образует сложноэфирную связь с фосфорной кислотой. Кроме того, с остатком фосфорной кислоты сложноэфирной связью связано азотистое основание, представленное холином, серином или этаноламином или шестиатомным циклическим спиртом инозитолом, что дает возможность различать несколько классов фосфолипидов (см. лабораторную работу №11). На основании приведенного выше описания фосфолипиды следует отнести к группе липидов, которые имеют общее название глицерофосфолипидов или фосфоглицеридов.

Сфинголипиды

Следующий важнейший класс мембранных липидов – сфинголипидов – также характеризуется наличием полярной «головки» и двух неполярных хвостов. Основу структуры сфинголипидов составляет не глицерол, а аминоспирт сфингозин (в некоторых случаях его производные) имеющий длинную углеводородную цепь с одной двойной связью. В сфинголипидах сфингозин связывается с жирной кислотой амидной связью, образуя при этом церамид (N-ацилсфингозин). В целом, сфингозин служит предшественником ряда длинноцепочечных аминоспиртов, присутствующих в различных сфинголипидах. Например, у млекопитающих наиболее часто встречаются сфингозин или не имеющий двойной связи дигидросфингозин. В сфинголипидах полярная «головка» присоединяется к первичной спиртовой группе сфингозина. Выделяют три подкласса сфинголипидов: сфингомиелины, цереброзиды и ганглиозиды.

Наиболее распространенными и просто устроенными сфинголипидами являются сфингомиелины, у которых первичная спиртовая группа сфингозина этерифицирована фосфорилхолином. Тот факт, что сфингомиелины содержат остаток фосфорной кислоты, отчасти дает основание относить эти соединения к фосфолипидам. На Рис. 10.1 показаны пространственные модели фосфоглицерида и сфингомиелина.

Рисунок 10.1 – Пространственные модели фосфоглицерида (А) и сфингомиелина (В)

Цереброзиды и ганглиозиды часто называют гликолипидами. Как следует из этого названия, гликолипиды (цереброзиды и ганглиозиды) – это липиды, содержащие углеводную часть. Аминогруппа сфингозина, как и в сфингомиелинах, ацилирована жирной кислотой. Отличие гликолипидов от сфингомиелина заключается в природе компонента, присоединенного к первичному гидроксилу сфингозинового скелета. В гликолипидах в этом положении находится один или несколько остатков моносахаридов. Простейшими гликолипидами являются цереброзиды, содержащие только один остаток моносахарида (чаще всего глюкозу или галактозу). В более сложных гликолипидах – ганглиозидах присутствует разветвленная цепочка из нескольких (вплоть до семи) остатков моносахаридов. На Рис. 10.2 приведено строение ганглиозида G_M1 и более просто устроенных ганглиозидов G_M2 и G_M3.

Рисунок 10.2 – Строение ганглиозида G_М1 и более простых ганглиозидов G_M2 и G_M3. Сокращения: Gal – галактоза; GalNAc – N-ацетилгалактозамин; Glc – глюкоза; NeuAc – N-ацетилнейраминовая кислота. Справа показано упрощенное изображение ганглиозида G_М1. Над линиями, обозначающими связи между моносахаридами, указан тип этих связей, например b1,4

Стероиды

Стероиды – сложные жирорастворимые соединения, молекулы которых состоят из четырех конденсированных колец представляющих собой базовое ядро, называемое циклопентанпергидрофенантреном. Подавляющее большинство стероидных соединений является производными циклопентанпергидрофенантрена, метилированного по 10-ому и 13-ому положениям базового ядра (Рис. 10.3).

Рисунок 10.3 – Структура циклопентанпергидрофенантренового ядра стероидов. Показано общепринятое обозначение колец и нумерация углеродных атомов стероидов

Важную группу среди них составляют стероиды, несущие в положении С₃ гидроксильную группу и отличающиеся только содержанием атомов углерода в боковой цепи, присоединяющейся к атому С₁₇ в кольце D. Это так называемые стеролы или стероидные спирты. Данную группу стероидов подразделяют на:

1. стерины, или собственно стеролы, имеющие боковую цепь, состоящую из 8 атомов углерода. К ним относится, например, холестерин (холестерол);

2. стериды, представляющие собой сложные эфиры стеринов и высших жирных кислот;

3. желчные кислоты и их соли, обладающие мощным эмульгирующим действием на жиры и, соответственно, принимающие непосредственное участие в процессах переваривания липидов;

4. половые гормоны – стероиды-регуляторы, не имеющие боковой цепи;

5. и, наконец, кортикостероиды, содержащие боковую цепь из двух атомов углерода.

Основная масса стеринов в организме человека представлена холестерином – одноатомным циклическим спиртом, содержащим 27 атомов углерода и способным образовывать с жирными кислотами сложные жиры (холестериды). Холестерин (Рис. 10.4) содержится в желчи, в плазме крови (3.9-6.5 ммоль/л), входит в состав клеточных мембран, определяя их вязкость, является компонентом липопротеинов.

Рисунок 10.4 – Структура холестерола