его века, после появления методов хроматографии, липидная химия сумела перейти к идентификации и выяснению строения многочисленных липидных веществ. В частности, в 1960- 1964 гг. в лабораториях Р. Куна и Э. Кленка была полностью установлена структура четырех основных ганглиозидов мозга GMI, Gpu, Gnn, GT|b (открыты ганглиозиды были еше в конце 30-х годов Э. Кленком при изучении мозга больных сфинголипидозами). Новейший период химии липидов связан с исследованием биологических мембран.

Общие принципы построения липидных молекул

По химическому строению липиды весьма разнообразны. В их состав могут входить спирты, жирные кислоты, азотистые основания, фосфорная кислота, углеводы и т. п: нередко к классу липидов относят терпены, стерины и т. п.

Однако, несмотря на это структурное многообразие, липиды биологических мембран построены по единому принципу. В состав липидных молекул входят, с одной стороны, длинные углеводородные остатки, отличающиеся низким сродством к воде, т. е. гидрофобные (липофильные) радикалы, а с другой — более компактные гидрофильные группы, получившие название полярных головок. Подобные амфифильные (обладающие двойным сродством) молекулы проявляют значительную тенденцию к агрегации. При этом липофильные участки молекул, стремясь попасть в гидрофобную фазу, образуют сплошные неполярные области, а полярные группы формируют границу раздела между гидрофобной фазой и водой. Структура образующихся липидных агрегатов сильно зависит от природы входящих в их состав компонентов.

В качестве определяющего признака для первичной классификации липидов часто используется природа связующего звена, соединяющего между собой гидрофильный и гидрофобный участки

515

Общие принципы построения липидных молекул

Шеврель |Chevreul] Мишель Эжен

(1786—1689), французский мимик-органик, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1865). Окончил Коллеж де Франс (1806), с 1830 г.—профессор Музея естественной истории. Основные работы посвящены химии жиров. Выделил стеариновую, пальмитиновую и олеиновую кислоты, а также холестерин. Обнаружил в жирам глицерин (1813), открытый ранее К. Шееле.

Гидрофильная полярная головка

Соединительное звено

Гидроф Снье хвость

516

Липиды

Гидрофильная полярная головка

о.

о—сн

' ч

СНа

Н.С,

н,с

сн

н,с.

н с

н,с.

молекулы. Таким звеном обычно являются многоатомные алифатические спирты, содержащие две или три гидроксильные группы.

Липиды, построенные на основе глицерина. Более половины липидов, встречающихся в природе, относится к классу глицероли-пидов или пи еридов, все они являются производными трехатомного спирта — глицерина (1 2 3 пропантриола)

СН,—ОН

I

СН—он

I

СНг—ОН

Глицерин

I

В пниеролипидах гидрофобную часть молекулы образуют высшие жирные кислоты, соединенные сложноэфирными связями с двумя гидроксильными группами глицерина. В полярных глицеро-липидах третья гидроксильная группа связана с гидрофильной головкой (рис. 261, 262).

Н2СЧ

Рис. 261. Общая структура полярных липидов на основе глицерина

Рис. 262. Структуры некоторых глицеро-липидов.

Трмйцн л г лмцер и i

Положения при первом и третьем атомах углерода в замешенных глицеринах неидентичны, поскольку при введении даже одного заместителя в группу — СН2ОН центральный атом углерода становится асимметрическим, а вся молекула приобретает хиральиость (рис. 2оЗ) Конфигурация заместителей при асимметрическом атоме (D или L, R или S) определяется на основании прииадлеж

517

Общие принципы построения липидных молекул

СН.ОН

CHl-OR СНоОН I I

-с—он = но~с— Н

I I

CHLOH tHjOR

Рис. 263. Энантиомеркые формы м о замещенных глицеринов.

ности к ряду глицеринового альдегида. Положения заместителей , в молекуле глицерина при первом, втором или третьем атоме углерода различаются согласно системе стереоспецифическои нумерации (stereospecific numbering, обозначается символом sn): если в фише-ровской проекции гидроксильная группа при атоме С-2 расположена слева, то углеродному атому, находящемуся над атомом С-2, присваивается номер I, а нижнему атому— номер 3 (рис. 264).

Наряду с глицеролипидами в клетках обнаружены также так называемые диольные липиды, в которых роль спиртового компонента выполняют этиленгликоль, пропандиолы-1.2 и -1,3, бутандиолы и т. п. (Л. Д. Бергельсон).

Липиды, построенные на основе сфингозина. Другая группа широко распространенных липидов мембранного происхождения

СН2ОН г'

НО-С^Н

3сн2он

Рис. 264. Стереоспецифическая нумерация втомов углерода в производных глицерине.

НО—сн'

I

CH—NH

НО—СН2

Церамид [N-не оной л сфи нгоэи н )

построена на основе аминос нрта сфингозина или его аналогов (например, сфинганина) и называется сфинголипидами (рис. 265). Наиболее богаты сфинголипидами нервные ткани и особенно мозг. Во всех сфинголипидах фингозиновые основания связаны амидной связью с жирными кислотами; образующиеся соединения получили название церамидов. Обычно они получаются при расщеплении сфинголилидов или являются промежуточными продуктами их биосинтеза.

Гидрофильная полярная

\

^NH-CH

ХСНОН

СН,

НС.

н,с ^сн сн, н2сч

Н.С усн'

СН. Н,с\ Н.С /CHs

сн, НгС\

JCH,

н<

сн, \

сн3

н2<

сн.

н'с н>с( сн.

Н2С ^ н.с'

" СНг

н,с

сн,

сн2

сн2

СНгОН

I

Н^С—NH.

не

транс

сн I

[СН2),а

I

сн

CHsOH

I

Н—С—NH.. Н—С —он

I

(СН,),,

I

сн.

Ри 265. Общая структура липидов на основе сфингозина.

Сфингозин ([2S. 3d. 4Е]-2—аминоокта-децен-4-диол-1 3)

Сфинганин [ D-эри ро илиГ25 3R]-минооктад к ндиол 1 3)

Отдельные классы липидов

519

Отдельные классы пипидов

Жирные кислоты. Структурное многообразие липидов в основном обусловлено наличием в их составе различных жирных кислот. В настоящее время известно более 200 жирных кислот, отличающихся по степени и характеру разветвления углеродной цепи, числу и положению двойных связей, природе и количеству других функциональных групп и, наконец, по длине углеродной цепи. Жирные кислоты, входящие в состав липидов высших растений и животных, как правило, имеют четное число углеродных атомов, причем преобладающими являются кислоты с 16—20 атомами углерода в молекуле.

К простейшим представителям природных жирных кислот относятся насыщенные кислоты с длинной не разветвленной углеводородной цепью общей формулы

СН-(СНО„СООН.

Основные кислоты этого типа приведены в таблице 22. Среди них особое положение занимает пальмитиновая (Сжо) кислота, являющаяся первичным продуктом, образующимся под действием еинтетазы жирных кислот, и исходным материалом для биосинтеза других кислот группы — стеариновой, лауриновой, миристиновой и т. п.

520 У млекопитающих и ряда бактерий пальмитиновая и стеариновая

~ кислоты служат предшественниками двух широко распространен-

Липиды ных Моноеновых (моионенасыщенных) жирных кислот — пальми-

толеиновой и олеиновой. Практически все природные моноеновые

кислоты являются цис изомерами

Моноеновые кислоты CK,(CH2)mCH=CH(CH2)nCOOH Общая формула

CHatCH.). (CH2)jCOOH

ч /

с=с / ч н н

цис- Форма

В жирах млекопитающих и в липидах растений содержатся заметные количества полиеновых жирных кислот. Все природные полиеновые кислоты являются несопряженными: цис двойные связи

Таблица 22.

Наиболее распространенные природные жирные кислоты

Кодовое обозначение* Структура Систематическое название Тривиальное название

Насыщен вые

с,„. CH,(CHa)10COOH н-Додекановая Лаурвновая

CH,(CHa)iaCOOH в-Тетрадекмновая Миристнновая

Сц:о CHa(CH,)MCOOH в - Гексадекановая Пальмитиновая

с,.=. CH,(CHa)ieCOOH в-Октадекановая Стеариновая

СН^СНД.СООН в Эйкозажшая Арахиновая

CH,(CHa)aeCOOH н Докоэано Бегевовая

Си .о CH,(CHa)aaCOOH в Тетракозано ая Мо иоеио в ы е Лигноцериновая

С|4Ц CH, (CHa),CH= CH(CH,)7COOH цис Тетрадецен 9-овая Мирвстолеиновая

СНя(СНа)рСН = СН(СН1)7СООН цис-Гексадецен-9 ов Пальмит олеиновая

С.вл CH, (CHa), CH = CH (CH,), COOH дос-Октадецея- 9 овая Олеиновая

сн, (сн,), сн=сщсн,), соон цис - Окпдецек-11 -окая Вакценовая

•-lis. CH,(CHa),CH = CH(CHa),COOH транс- Октадецен -11 -овая транс- Вакценовая

*-it:i CH, (СН, )„ СН = СН (СН,), соон цис Октадецен - 6 -овая Петроселнновая

c„„ СН,(СН,),СН = СН(СНа).1СООН цис Докоэен -13 овая Пол ие вов ые Эруковая

СН» (СНа)4(СН = СНСН,), (СН,), соон цис. цис Октадекадиен 9,12-овая Лннолевая

СН,СН, (СН =СНСН,)в(СНа),СООН цис цис, цис Окгадекатрнен 9,12,15 овая Лннолеяовая

c„=. СН, (СН,)4 (СН=СНСНа), (СН,), соон цис, цис, цис Эйкоэатрнен 8,11, 14 овая Днгомо f лзиоленовая

c„=. СН, (СН,)„ (СН = СНСН,)„ (СН,), соон цис, цис, цис, чис-Эйказатетраен-S, 8,11, 14-овая Арахидоновая

*Цнфр л обозначают число атомов углерода и двойных связей в цепи.

в их углеводородных цепях разделены, как правило, одной мети-леновой группой. В результате а молекулах кислот образуются одна или несколько повторяющихся группировок —СН=СН— —СН>—СН=СН—, поэтому они называются кислотами дивинил-метанового ряда. Все они могут быть изображены общей формулой

521

Отдельные классы липидов

CHjfCHaJJCH =<НСН2)п(СНг)кСООН

Рис. 266. Полненовые жирные кислоты.

сн

г"

он

о=с \

СН2

<

CHs

сн2

CHj

НС | цис

нсч

СН

/

НС II Цис

"Ч

СНг

НС II ¦*«

НС\

СНа

нУ

Линолевая (цис, ЦИС-Октвд«иадмвм-9,12-окян)

Линолвновви (цис, цис, цмс-октвдвквтривн-9 12. 15-овм)

Линолевая и линоленовая кислоты (рис. 266) не синтезируются в организме высших животных и человека, а поступают с пищей. В связи с тем, что эти кислоты необходимы для нормального жирового обмена, их часто называют незаменимыми жирными кислотами. Арахидоновая и дигомо-у-линоленовая кислоты являются предшественниками в биосинтезе простагландинов и лейкотриенов.

522 Наряду с насыщенными и ненасыщенными кислотами с прямой

цепью углеродных атомов в природе встречаются жирные кислоты

Липиды с разветвленной цепью. В частности, к ним относится наиболее

широко распространенная природная туберкулостеариновая кислота, впервые выделенная из туберкулезной палочки (рис. 267).

Рис. 267. Разветвленные жирные

ЛОТЫ

,С—ЮН

нхч нхч

сн

н2с

сн2

НХ.

НХ

^СН2

CHj

НХЧ

CHv

НХ.

,СН2

НгСч

СНз

2-Гидрсч

КИСЛОТА.

СН

' НгС.

НХ

сн.

СНг

СН2

СНг

НХ

HjC

- ^СН,

сн

сн2

сн.

н2с:

НгС'

\

СН2

сн

ч

с

СНг

НгС

СН

сн

НгС'

НгС

"\

СНг

ОН

сн

нх'

ХСНг СН

сн

I

Нг<11

I

сн

НгС^

СНг СНг

НгС^

СНг

СН., Ту6еркулостаа| (D-10-мвти локтадакя-новая) кисло а

н.,с

НзС

Лактобацилловая

(цис-11,12-метилеиоитадека- (цис-9 10-матилеи-

новая) кислота октадецвн-9-oie )

С траку лова я

В некоторых бактериях и растениях были найдены жирные кислоты, содержащие циклопропановое кольцо,—в качестве примера можно привести лактобацилловую и стрекуловую кислоты. Биосинтез таких кислот происходит путем переноса метиленовой группы от S-аденозилметнонина на двойную связь моноеновых кислот.

Наконец, в природных лилидах встречаются и гндроксикислоты, входящие как правило, в состаа липидов бактериальных клеток. Их представителями являются 2(3) гидроксила ьмитиновая 2(3)-гидроксистеариновая и 2-гидроксилигноцериновая (цереброновая) кислоты.

Соли высших кислот, называемые мылами, находят широкое практическое применение. Их моющее действие заключается в эмульгировании жиров и масел и суспендировании мельчайших твердых частичек грязи. Лучше всего удаляют загрязнения растворимые в воде мыла (обычно натриевые и калиеаые соли высших жирных кислот), которые составляют основу туалетного, хозяйственного и технического мыла. Мыла применяются также для стаби-

лизации эмульсий, синтетических латексов, пен, в качестве присадок, 523 структурирующих добавок и т. п.

Фосфолипиды. Фосфолипиды являются главными компонентами Отдельные классы липидов

биологических мембран. По своему строению они представляют собой эфиры фосфорной кислоты и даух многоатомных спиртов — глицерина и сфингозина.

В глицерофосфолипидах (или фосфоглицеридах) остаток фосфорной кислоты замещает одну из первичных гидроксильных групп глицерина. Общим структурным фрагментом всех фо фоглицеридов является глицерофосфат, содержащий один асимметрический атом углерода. Поэтому он может быть D-глицеро-.-фосфатом или L-глицеро-З-фосфатом. Изомер глицерофосфорной кислоты, присутствующий в природных фосфоглицеридах, относится к L-ряду и называется sп-глицеро-3-фосфорной кислотой.

Две оставшиеся гидроксильные группы в глицерофосфате обычно замещены углеводородными радикалами, связанными с глицерином сложноэфирной или простой эфирной связью

НО—С—Н

СНг—О—

кп-Глицеро-З-фосфорная кислота СН2—О—R

R—О—С—Н

I

СНа—О--О—X

Г л ицврофос фол и п ид 1.1

Диацильные глицерофосфолипиды

?

СН..—О—С—R

R—С—О—С—Н I

Фосфатидил-

Алнилацильные глицерофосфолипиды

О I

СНг—О—R

R—С—О—С—Н I

СНг—О—

Наиболее распространены в природе диацильные грормы гли церофосфолипидов (R остатки жирных кислот). Онн являются обязательными компонентами большинства мембран животных, растительных и бактериальных клеток. Фосфолипиды алкильного типа (R—остатки высших спиртов) обнаружены также в составе разнообразных органов и тканей животных организмов, в том числе в различных видах моллюсков, морской улитке, осьминоге и т. д. Относительно высокое содержание алкоксифосфолипидов характерно для ряда опухолей. Глицерофосфолипиды, имеющие алкен 1 иль ноэфирную группировку и являющиеся производными высших жирных альдегидов, часто называемые плазмалогена ми (рис. 268), обнаружены в тканях и органах всех животных, независимо от уровня их организации. В достаточно высокой концентрации плаз маю гены присутствуют также в организме человека, где они составляют около 22% от общего количества фосфолипидов. Особенно велико содержание плазмалогенов в нервной ткани, головном мозге (белое вещество, мозговая оболочка), сердечной мышце, надпочечниках и сперме. В меньшей степени плазмалогены представлены в микроорганизмах и растениях.

Плаэманил-Плазма логены О СН—О — CH=CHR

. " 1 R—С—О—С—Н

сн—о— о х

R и R —углеводородные радии ели X Н, остатки холина. этеноламина, серина, инозита и др

Рис. 268. Родовые термины для обозначения замещенных различным образом гл н це рофос фо ли п идо в.

524 Помимо фосфолипидов с двумя углеводородными цепями, во

многих природных объектах в небольших количествах содержатся

Липиды также производные глицерофосфата, имеющие всего лишь один

гидрофобный остаток. Они образуются в клетке под действием эндогенных фосфолипаз А и А и носят общее название лизофос-фолипиды

О II

сн2—о—с—r i

¦но»-с~ н I

сн—о— —о-

2—Лиэофосфолипиды X н, остатки холинл, этанолвмина^ серина. инозита и др.

не сн,

нс. нгс\

н2С

с-гт2 /

Нгс/ Н..С

Простейший представитель глицерофосфолипидов — фосфати-довая кислота, в которой фосфатная группа этерифицирована только остатком глицерина

О

\

сн2

^о-сн °

°=с Yh2 о ch2-0-c-r

>н° < r^c-o-c-* н.,с,