Российский университет дружбы народов Медицинский факультет Кафедра биологической

Российский университет дружбы народов Медицинский факультет Кафедра биологической химии Лекция Классификация липидов и их биологические функции. Строение и функции биологических мембран. Транспорт липидов. канд. биол. наук. Лобаева Татьяна Александровна 1

Терминология Что понимают под термином «липиды» ? В широком смысле, под липидами понимают группу природных соединений, нерастворимых в воде, но легко растворимых в таких органических растворителях, как углеводороды, хлороформ, бензол, эфиры и спирты. Этому условию удовлетворяют разнообразные по строению химические соединения: l жирные кислоты и их производные l каротиноиды l терпены l стероиды l желчные кислоты 2

Основоположники химии липидов l l В 1811 г французский химик Луи Никола Воклен принёс в лабораторию образец прогорклого жира и предложил своему ученику Мишелю Эжену Шеврёлю (1786 -1889) сделать его анализ. Шеврёль первым выяснил строение жиров и процесс их омыления, а также получил многие жирные кислоты в чистом виде. С тех пор Шеврёль считается основоположником химии липидов. 3

Классификация липидов на основе их структурных особенностей Липиды Простые липиды Производные изопрена (терпеноиды) Сложные липиды Производные циклопентанпергидрофенантрена (стероиды) 4

Простые липиды (однокомпонентные) 1) 2) 3) 4) Высшие жирные кислоты R-COOH (ВЖК) Высшие жирные спирты R-CH 2 OH (ВЖС) Высшие жирные альдегиды R-C(O)H (ВЖА) Эйкозаноиды (производные арахидоновой кислоты) 5

l В некоторых случаях липиды можно рассматривать как жирные кислоты и их производные, связанные биосинтетически или функционально. 6

Сложные липиды (двух- и трёхкомпонентные) Сложные липиды Глицеролипидыпроизводные глицерина Сфинголипидыпроизводные сфингенина (сфингозина) Их коньюгаты с другими соединениями Гликолипиды Фосфолипиды 7

Глицерин Сфингенин (сфингозин) l или упрощённая форма записи: 8

План строения сложных липидов Гидрофобный хвост Соединительное звено Гидрофильная голова ВЖК ВЖС ВЖА Глицерин или Сфингенин (сфингозин) Фосфат Сульфат Углевод Аминокислота Пептиды Нуклеотиды 9

Изопреноиды и стероиды Изопреноиды (Витамины А, Е, К, Убихинон) l Стероиды (холестерин, стероидные гормоны, витамин D) l Следует ли относить эти вещества к липидам остаётся спорным, но это мнение оправдано тем, что изопреноиды и стероиды обычно связаны с мембранами и содержатся вместе с фосфолипидами и нейтральными липидами в экстрактах, получаемых с использованием органических растворителей. 10

изопрен 11

Биологические функции липидов q q q Структурная (Ряд липидов принимает участие в образовании клеточных мембран) Энергетическая (Резервная) Теплоизолирующая Механическая защита скелета и внутренних органов Запас воды (Горб у верблюда) Специализированные функции А) Биоэффекторная (Стероидные гормоны, эйкозаноиды и некоторые метаболиты фосфолипидов выполняют сигнальные функции вторичных посредников) Б) Функция «якоря» (Отдельные липиды удерживают на мембране белки и другие соединения) В) Транспортная (Липопротеины сыворотки крови и транспорт через мембраны) Г) Функция зрительного восприятия. (Светочувствительный каротиноид ретиналь) 12

Простые липиды (жирные кислоты) l l l Жирные кислоты (ЖК) - карбоновые кислоты с углеводородной цепью не менее 4 атомов углерода. Высшие жирные кислоты (ВЖК) включают от 12 до 24 атомов углерода, могут быть насыщенными и ненасыщенными и способны содержать различное число функциональных групп-заместителей. Так например, ВЖК, имеющая 16 атомов углерода имеет нижеследующую химическую формулу: C 15 H 31 COOH Нумерация атомов углерода в ЖК начинается с наиболее окисленной группы (карбоксильной группы С-1). Для этих целей используются также буквы греческого алфавита (α = С-2, β = С-3, ω = последний С-атом). ω γ β α СH 3 - (CH 2)11 -CH 2 -CH 2 -COOH Систематическое название - гексадекановая кислота, но чаще используется тривиальное название – пальмитиновая. 13

l l Многие жирные кислоты имеют одну или несколько двойных связей. Для обозначения жирных кислот также применяют сокращенные названия, где первая цифра означает число углеродных атомов, вторая цифра указывает число двойных связей, а последующие — положение этих связей (после знака Δ). Например: CH 3 -(CH 2)3 -(CH 2 -CH=CH)4 -(СH 2)3 -COOH Название кислоты систематическое тривиальное 5 -цис-8 -цис, 11 -цис, 14 -цисэйкозатетраеновая арахидоновая Краткая форма записи 20: 4 Δ 5, 8, 11, 14 14

l Из двух возможных цис- и трансконфигурации двойной связи в природных липидах присутствует лишь цис-форма, что обеспечивает разрыхление мембран 15

l l l ЖК присутствуют во всех живых организмах в виде сложных эфиров (например, с глицерином и холестерином) и служат структурными элементами жиров и мембранных липидов. Свободные жирные кислоты (СЖК) присутствуют в организме в небольших количествах, например в крови. В организме животных содержатся главным образом жирные кислоты с длинной и неразветвленной цепью из 16 и 18 углеродных атомов, а именно пальмитиновая и стеариновая. К наиболее распространенным ненасыщенным кислотам относятся олеиновая и линолевая. l Все длинноцепочечные природные жирные кислоты состоят из четного числа углеродных атомов, что обусловлено биосинтезом этих соединений из C 2 -предшественников. 16

Семейство насыщенных жирных кислот Формула кислоты Тривиальное название Краткая форма записи CH 3 -(CH 2)12 -COOH миристиновая 14: 0 CH 3 -(CH 2)14 -COOH пальмитиновая 16: 0 CH 3 -(CH 2)16 -COOH стеариновая 18: 0 17

Семейство мононенасыщенных (моноеновых) жирных кислот Формула кислоты Тривиальное название Краткая форма записи CH 3 -(CH 2)5 -CH=CH-(CH 2)7 COOH пальмитолеиновая 16: 1 Δ 9 CH 3 -(CH 2)7 -CH=CH-(CH 2)7 COOH олеиновая 18: 1 Δ 9 CH 3 -(CH 2)7 -CH=CH-(CH 2)9 COOH гадоленовая 20: 1 Δ 11 18

Семейство полиненасыщенных (полиеновых) жирных кислот Формула кислоты Тривиальное название Краткая форма записи ω-6 CH 3 -(CH 2)4 -CH=CH-СH 2 -CH=CH(CH 2)7 COOH линолевая * (семейство ω-6 ) 18: 2 Δ 9, 12 ω-3 CH 3 -CH 2 -CH=CH-СH 2 CH=CH-(CH 2)7 COOH альфа-линоленовая * (семейство ω-3 ) 18: 3 Δ 9, 12, 15 ω-6 CH 3 -(CH 2)3 -(CH 2 -CH=CH)4 -(СH 2)3 -COOH арахидоновая (семейство ω-6 ) 20: 4 Δ 5, 8, 11, 14 * Жирные кислоты, не синтезирующиеся в организме (незаменимые) 19

Незаменимые ЖК l l l К незаменимым жирным кислотам (витамин F) относятся те из них, которые не синтезируются в организме и должны поступать с пищей. Речь идет о полиненасыщенных кислотах, в частности линолевой (18: 2; 9, 12) и линоленовой (18: 3; 9, 12, 15). Линолевая и линоленовая кислоты, имеющие более короткую углеродную цепь, могут образовывать арахидоновую за счет наращивания цепи, и, следовательно, являются ее заменителями. Арахидоновая кислота является условно незаменимой жирной кислотой. 20

Глицеролипиды (ацилглицеролы) l l Ацилглицеролы - сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот. Соединения с одним остатком жирной кислоты относятся к группе моноацилглицеролов (МАГ), с двумя остатками ВЖК – диацилглицеролы (ДАГ), с тремя – триацилглицеролы (ТАГ). Так как молекулы жиров не несут заряда, эту группу веществ называют нейтральными жирами. Углеродные атомы глицерина в молекулах жиров не эквивалентны. 21

МАГ ДАГ Три остатка жирной кислоты могут различаться как по длине цепи, так и по числу двойных связей. Остатки ненасыщенных жирных кислот обычно находятся в положении С-2 глицерина. 22

Фосфолипиды l l Фосфолипиды служат главными компонентами биологических мембран Их общим отличительным признаком является наличие остатка фосфорной кислоты, который образует сложноэфирную связь с концевой гидроксильной группой глицерина. Поэтому фосфолипиды в нейтральной области р. Н содержат отрицательный заряд. 23

Фосфатидные кислоты l l Наиболее простая форма фосфолипидов фосфатидные (фосфатидовые) кислоты, являются фосфомоноэфирами диацилглицерина. Фосфатидные кислоты — важнейшие предшественники в биосинтезе жиров и фосфолипидов. 24

Производные фосфатидной кислоты l l l Х= -Н - фосфатидная кислота Х= -СH 2 -CH 2 -(СН 3)3 N+ фосфатидилхолины Х= -СН 2 -NH 2 фосфатидилэтаноламины Х= -СН 2 -СН(NH 2)COOH фосфатидилсерины Х= -СН 2 -СН(ОН)-СН 2 -ОН фосфатидилглицерины Х= циклический спирт инозитол (инозит) фосфатидилинозиты 25

Фосфатидилхолины (лецитины) — широко распространенные фосфолипиды клеточных мембран. Дифосфатидилглицерины (кардиолипины) — фосфолипиды внутренних мембран митохондрий. 26

Фосфатидилинозитолы l Фосфатидилинозитолы часто содержат остатки арахидоновой кислоты, высвобождаемые благодаря действию в организме фосфолипазы А 2: 27

фосфатидилинозитол-4, 5 дифосфат l Фосфатидилинозитол-4, 5 -дифосфат — важный в функциональном отношении компонент биологических мембран. l При ферментативном расщеплении фосфолипазой С он образует два вторичных мессенджера — диацилглицерол [ДАГ] и инозитол-1, 4, 5 -трифосфат. 28

Сфинголипиды l l Ø Ø Сфинголипиды в большом количестве присутствуют в мембранах клеток нервной ткани и мозге. Функции глицерина в них выполняет аминоспирт сфингенин (сфингозин), состоящий из 18 атомов углерода. Сфингенин образует большую группу липидов, в которых жирная кислота связана через аминогруппу: Церамиды; Сфингомиелины Гликолипиды Цереброзиды 29

Церамиды l l Производные сфингозина, ацилированного по аминогруппе остатками жирных кислот (амидная связь), называются церамидами. Природные церамиды – транс-изомеры. 30

Церамид-1 -фосфохолин l Церамиды являются предшественниками сфинголипидов, в частности сфингомиелина (церамид-1 -фосфохолина), важнейшего представителя группы сфинголипидов. 31

Гликолипиды l l Гликолипиды построены из сфингозина, остатка жирной кислоты и углеводного остатка. Заметим, что в них отсутствует фосфатная группа. Содержатся во всех тканях, главным образом, в наружном липидном слое плазматических мембран нейронов. Названия «цереброзиды» и «ганглиозиды» указывают на ткани, откуда они были впервые выделены. 32

Цереброзиды Наиболее распростанены цереброзиды, имеющие в своём составе гексозы: галактозу (галактоцереброзид) и глюкозу (глюкоцереброзид) 33

Сульфатиды l Производные N-ацилсфингозина с сульфогруппой на углеводных остатках носят название сульфатидов. Около 25 % цереброзидов мозга представляют собой сульфатированные производные (кислые сфинголипиды). 34

Ганглиозиды — представители наиболее сложно построенных гликолипидов. Они представляют большое семейство мембранных липидов, выполняющих, рецепторные функции. l Характерной особенностью ганглиозидов является наличие в стуктуре остатков N-ацетилнейраминовой кислоты (сиаловой кислоты, NANA). l Заметим, что NANA входит в состав и гликопротеинов (иммуноглобулинов). Церамид – Глюкоза – Галактоза - N-ацетилгалактозамин l N-ацетилнейраминовая кислота 35

Эйкозаноиды l l Ø Ø Ø Предшественником эйкозаноидов является арахидоновая кислота Эйкозаноиды - большая группа медиаторов, обладающих широким спектром биологической активности и включает: Простагландины Тромбоксаны Лейкотриены 36

Биомембраны l l l Мембраны животных клеток обладают «текучестью» и состоят из двух слоев липидных молекул толщиной около 6 нм, в которые встроены белки. Некоторые мембраны содержат, кроме того, углеводы, связанные с липидами и белками. Соотношение липиды : белки : углеводы является характерным для клетки или мембраны и существенно варьирует в зависимости от типа клеток или мембран 37

Биомембраны. Структура плазматической мембраны. 38

Мембранные липиды В мембранах содержатся липиды трех классов: Ø фосфолипиды Ø холестерин Ø гликолипиды l Наиболее важная группа липидов - фосфолипиды, включает фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозитол и сфингомиелин l Холестерин присутствует во внутриклеточных мембранах животных клеток (за исключением внутренней мембраны митохондрий) и придаёт им жёсткость. l Гликолипиды входят в состав многих мембран (например, во внешний слой плазматических мембран). Углеводные функциональные группы гликолипидов ориентируются в водную фазу. 39

Мембранные липиды l Липиды мембран представляют собой амфифильные молекулы с полярной гидрофильной головой (голубого цвета) и неполярным липофильным хвостом (желтого цвета). В водной среде они агрегируют за счет гидрофобных взаимодействий и ван-дер-ваальсовых сил. 40

Способы ориентации молекул липидов 41

Транспорт липидов l В водной среде а, значит, и в крови липиды нерастворимы, поэтому для транспорта липидов кровью в организме образуются комплексы – липопротеины, построенные из гидрофобного ядра и гидрофильной оболочки. Гидрофильная оболочка содержит апопротеины и амфифильные липиды (ФЛ и ХС), гидрофобное ядро – ТАГ и эфиры ХС. 42

Транспортные формы липидов Типы липопротеинов Хиломикроны ЛПОНП Диаметр частиц, нм более 120 30 -100 Функции Транспорт экзогенных липидов из кишечника Транспорт синтезируемых липидов из печени Место образова ния Эпителий тонкого кишечника Клетки печени ЛППП ЛПНП ЛПВП 21 -100 7 -15 Промежуточная форма превращения ЛПОНП в ЛПНП Транспорт холестерола в ткани Удаление избытка холестерола Кровь Клетки печени 43