Лекция 28_13  Липиды – Высшие жирные карбоновые кислоты, жиры

Лекция 28_13
 Липиды
Исходный уровень к лекции 28_13
– Высшие жирные карбоновые кислоты, жиры
(школьный курс)
1
Липиды
● Классификация
● Структурные компоненты липидов
– Высшие жирные кислоты
– Спирты
● Простые липиды
○ Воски
○ Триацилглицерины (жиры и масла)
○ Церамиды
● Сложные липиды
○ Фосфолипиды
– Глицерофосфолипиды
○ Сфинголипиды
○ Гликолипиды
● Свойства липидов и их структурных компонентов
○ Гидролиз и переэтерификация (алкоголиз)
○ Реакции присоединения и окисления
● Приложение
2
Классификация
 Липиды (от греч. lipos – жир) представляют собой большую и
весьма разнородную по химическому составу группу веществ,
содержащихся в животных и растительных тканях, растворимых
в малополярных органических растворителях (эфир, бензол,
хлороформ и др.) и нерастворимых в воде.
o
Липиды по способности к гидролизу иногда (исторически)
подразделяют на омыляемые липиды и неомыляемые липиды.
 Липиды ─ производные жирных кислот, входящие в состав
живых клеток, растворимые в малополярных органических
растворителях и нерастворимые в воде.
 Функции липидов:
• структурная (компоненты клеточных мембран);
• защитная (в коже);
• энергетическая (запас и транспорт энергетического "топлива");
• связь между нарушением метаболизма липидов и сердечнососудистыми заболеваниями.
3
«Компонентность» липидов
• простые липиды ─ состоят из двух компонентов;
• сложные липиды ─ состоят из трех и более компонентов;
• «омыляемые» липиды ─ однокомпонентны.
Липиды
Сложные
Простые
Спирты
Высшие жирные
карбоновые
кислоты
два компонента

Спирты
Высшие жирные
карбоновые
кислоты
Другие
вещества
три и более компонента
Вместе с липидами в липидную фракцию при выделении
липидов попадают низкомолекулярные биорегуляторы
─ терпены, стероидные гормоны, жирорастворимые витамины,
простаноиды, некоторые коферменты.
4
Структурные компоненты липидов
два обязательных компонента ─ спирты и жирные кислоты
Спирты
Высшие одноатомные спирты
CH3
(CH2)14 CH2OH
CH3
(CH2)28 CH2OH
Многоатомные спирты
OH OH
HO CH2 CH CH2 OH
OH
H
HO
H H
OH H
H
OH
H
OH
o Встречаются также двухатомные спирты этиленгликоль HOCH2CH2OH
и пропандиол-1,2 HOCH2CH(OH)CH3.
5
Аминоспирты
HO CH2 CH2 N(CH3)3
HO CH2 CH2 NH2
HO CH2
NH2
CH COOH
Сфингозин
1
NH2
2
3
4
5
CH2OH
18
HOCH2 CH CH CH CH(CH2)14CH3
OH
H
NH2
H
OH
(CH2)12CH3
6
Высшие жирные кислоты (ВЖК)
 Основные особенности строения ВЖК:
• монокарбоновые;
• неразветвленная углеродная цепь;
• четное число атомов С;
• насыщенные и ненасыщенные;
• ненасыщенные с all-цис-конфигурацией двойных связей;
• двойные связи, если их несколько, отделены друг от друга
группой СН2.
цис-конфигурация
H
CH2
H H
C C
CH2
H
C C
CH2
сокращенная запись транс-конфигурация
 Число атомов С в природных кислотах 4–22, но чаще 16 и 18.
7
Насыщенные ВЖК *
1
16
CH3
(CH2)14 COOH
1
16
СООН
СН3
1
18
CH3
COOH
o Пальмитиновая и стеариновая кислоты ─
o Пальмитиновая кислота ─
* Основные ВЖК липидов приведены в Приложении.
8
Ненасыщенные ВЖК
16
CH3
18
CH3
10
10
1
9
COOH
9
1
COOH
9
13 12
18
10
9
CH3
18
CH3
16 15
13 12
10
9
1
COOH
1
COOH
o Линолевая и линоленовая кислоты ─
o Линетол ─
10
Арахидоновая кислота ─ основной предшественник простагландинов
20
CH3
15 14
12 11
9
8
6
5
1
COOH
11
транс-Изомеры высших жирных кислот (транс-ВЖК)
Обнаружена связь между употреблением транс-ВЖК и увеличением
риска сердечно-сосудистых заболеваний.

18
CH3
10
12
9
1
COOH
11
11
18
CH3
1
COOH
12
o Вакценовая кислота
12
Собственная номенклатура ненасыщенных ВЖК
• концевой атом С, независимо от длины цепи, обозначается
ω (омега);
• отсчет положения двойной связи проводится от группы СН3.

CH3
3
6
9
COOH
линоленовая кислота 18:3 ω-3
 Три семейства ВЖК:
• ω-3 (омега-3) ВЖК (льняное масло, рыбий жир);
• ω-6 (омега-6) ВЖК (подсолнечное, кукурузное масла);
• ω-9 (омега-9) ВЖК (оливковое масло).
o
Для нормальной жизнедеятельности важен баланс между тремя
семействами ВЖК.
13
Простые липиды
Воски
 Воски ─ сложные эфиры высших жирных кислоты и высших
одноатомных спиртов.

Защитная смазка на коже человека и животных, предохранение
растений от высыхания; применение в фармации и парфюмерии для изготовления кремов и мазей.
Цетин
O
СH3(CН2)14С OCH2(CH2)14CH3
Пальмовый воск
O
СH3(CН2)24С OCH2(CH2)28CH3
14
Триацилглицерины
─ наиболее распространенная группа липидов
 Триацилглицерины (жиры и масла) ─ сложные эфиры
глицерина и высших жирных кислот.

Структурный компонент клеток, запасное вещество «жировое депо».
Общая структура триацилглицеринов
О
СН2 О С R
О
СН
О С R'
О
СН2 О С R''
15
Примеры нейтральных
триацилглицеринов
СН2O C(O)C17H33
СН2O C(O)C15H31
СНO C(O)C17H33
СНO C(O)C17H35
СН2O C(O)C17H33
СН2O C(O)C17H35
 Твердые триацилглицерины ─
жидкие ─
природные жиры и масла ─
16
Церамиды
– производные спирта сфингозина, N-ацилированные высшими
жирными карбоновыми кислотами

В незначительных количествах присутствуют в животных и растительных тканях; чаще входят в состав сложных липидов сфинголипидов;
используются при приготовлении кремов и мазей.
Общая структура церамидов
O
1
HOCH2
NH C R
18
5
3
4
CH CH CH CH(CH2)14CH3
OH
2
17
Сложные липиды
– липиды, при гидролизе которых, помимо высших
жирных кислот и спиртов, образуются и другие соединения
(H3PO4, углеводы)
С л о ж ны е л и п и д ы
Фосфолипиды
Глицерофосфолипиды
Сфинголипиды
Сфингомиелины
Гликолипиды
Цереброзиды
Ганглиозиды
 Сложные липиды состоят из трех и более «компонентов».
18
Фосфолипиды
– липиды, в состав которых входит остаток фосфорной кислоты
ФОСФОЛИПИДЫ
Глицерофосфолипиды
Некоторые
сфингомиелины
Фосфатиды
Фосфатидилсерины
Фосфатидилхолины
Фосфатидилэтаноламины
Нейтральные
Плазмалогены
Фосфатидилглицерины
Фосфатидилинозиты
Кислые
Нейтральные
19
Глицерофосфолипиды
1
CH2OH
HO
2
3
H
CH2
CH2OH
C O
O
O P OH
CH2
OH
O
O P OH
OH
Фосфатидовые кислоты
– производные L-глицеро-3-фосфата, этерифицированные
жирными кислотами по спиртовым гидроксильным группам
R2
O
C O
O
CH2O C R1
H
CH2
O
O P OH
OH
20
Фосфатиды
–
Фосфатиды, содержащие спирты
O
R' C O
CH2
H
CH2
O
O C R
O
R' C O
O
O P OCH2CHCH2OH
OH
OH
CH2
H
CH2
O
O C R
OH OH
OH
O
O P
OH
OH
O
OH
21
Фосфатиды, содержащие аминоспирты
O
O
R' C O
O
CH2 O C R
H
O
CH2 O P
O
H3N
O
R' C O
O
CH2
CH
COOH
O
CH2 O C R
H
H 3N
R' C O
O
CH2 O P
O
CH2
O
CH2 O C R
H
O
O
CH2 O P
O
O
CH2
(CH3)3N
CH2
CH2
* о происхождении этих названий см. Приложение
22
Биосинтез коламинкефалинов и лецитинов
из серинкефалинов в организме
Серинкефалины
CO2
Коламинкефалины
3 SAM
Лецитины
23
Схема строения биологической мембраны
1—
3—
5—
7—
2—
4—
6—
24
Плазмалогены
– глицерофосфолипиды, содержащие остаток ненасыщенного
спирта, связанный простой эфирной связью с атомом С-1
глицеро-3-фосфата
CH2 O CH CH(CH2)nCH3
O
R' C O
H
O
CH2 O P OCH2CH2NH3
O
 Плазмалогены ─ альдегидогенные липиды (до 10% липидов ЦНС).
25
Сфинголипиды
–
Общая структура сфингомиелинов
CH2 O O
P OCH2
CH2
CH3 N O
CH CH3
O
NH C R
CH CH CH CH(CH2)14CH3
OH
3
 Сфингомиелины впервые были обнаружены в нервных тканях.
26
Гликолипиды
– липиды, в состав которых входят углеводные остатки
D-глюкозы или D-галактозы и остаток сфингозина,
N-ацилированного высшей жирной карбоновой кислотой
Цереброзиды
– гликолипиды, в состав которых входит остатки моносахарида и
церамида
Общая структура глюкоцереброзидов
CH2OH
O
OH
O
NH C R
OCH2 CH CH CH CH(CH2)14CH3
OH
OH
OH
аналогично построены церамидоолигосахариды — церамиддисахариды
(например, лактозилцерамид, обладающий иммунологической активностью),
церамидтрисахариды и т.д.
 Цереброзиды входят в состав оболочек нервных клеток.
27
Ганглиозиды
– аналоги цереброзидов, в состав которых вместо
моносахаридного остатка входит остаток сложного дисахарида,
включающего фрагмент N-ацетилнейраминовой кислоты
1
Общая структура ганглиозидов
2
CH2OH
C O
3
O
OCH2
NH C R
CH CH CH CH(CH2)14CH3
OH
 Ганглиозиды впервые были выделены
из серого вещества головного мозга.
CH2
4
O H
OH
CH3CNH
HO
H
H
5
6
7
8
9
H
H
OH
OH
CH2OH
28
Свойства липидов
и их структурных компонентов
 Бифильность липидов
─ присутствие одновременно полярных (гидрофильных) и
неполярных (гидрофобных) группировок.
полярная часть
O
O C
CH2 O O
P OCH2CHCH2OC
CH2
N O
O
CH3
CH CH3
CH3
неполярные "хвосты"
3
+
29
CH3
Липидный бислой
(мембрана клетки)
+
-
+
+
+
+
-
+
-
30
 Кислотные свойства
RCOOH — слабые электролиты
RCOOH
RCOO
+
H
 рКа (RCOOH)  4.8; в водных растворах при рН < рКа преобладает
неионизированная форма; при рН > рКа , т.е. в физиологических
условиях, — ионизированаая форма (RCOO–);
 RCOOM (мыла) — частично гидролизованы в воде (ПАВ).
цис-транс-Изомеризация
— при нагревании под действием инициаторов радикальных реакций
CH3(CH2)7
(CH2)7COOH
C C
H
H
HNO3, t°
CH3(CH2)7
H
C C
H
(CH2)7COOH
31
Гидролиз
• Первая стадия утилизации и метаболизма пищевых жиров в организме,
получение ценных промышленных продуктов (мыл).
Примеры реакций гидролиза
C15H31
O
C
OC16H33
Н2О, H
•
СН2O C(O)C15H31
СНO C(O)C17H33
+
3 NaOH
СН2O C(O)C17H35
 Число омыления ─ масса KOH (в мг), необходимая для нейтрализации
свободных и связанных в виде производных жирных кислот, содержащихся в 1 г образца.
32
Гидролиз фосфатидов, плазмалогенов и гликолипидов
СН2O C(O)C17H35
5 NaOH
СНO C(O)C17H33
O
СН2O P OCH2CH2N(CH3)3
O
СН2O CH CH R1
Н2О, H
2
СНO C(O) R
O
СН2O P OCH2CH2NH3
O
CH2OH
OH
O
OH
OCH2
CH2OH
C17H35COONa
CHOH + C17H33COONa
CH2OH
HOCH2CH2N(CH3)3
CH2OH
[R1CH CHOH]
CHOH + R2COOH
CH2OH
HOCH2CH2NH3
NH C(O) R
CH CH R'
OH
остаток церамида
H3PO4
Н2О, H
D-галактоза
RCOOH
сфингозин
OH
33
Переэтерификация
– замена одного спиртового или кислотного остатка
в молекуле сложного эфира на другой
• Замена одного спиртового остатка на другой (алкоголиз).
СН2O C(O)C15H31
СНO C(O)C17H33
+ 3 CH3OH
СН2O C(O)C17H35
СН2O C(O)C15H31
СНO C(O)C17H33 +
СН2O C(O)C17H35
CH2OH
CHOH
CH2OH
NaOH
CH2OH
C15H31COOCH3
CHOH + C17H33COOCH3
CH2OH
C17H35COOCH3
СН2OH
СНO C(O)C17H33
СН2O C(O)C17H35
+
СН2O C(O)C15H31
СНOH
СН2OH
34
Реакции присоединения
─ по двойной связи остатков ненасыщенных кислот
(H2, Hal2, HHal, H2O/H+)
Гидрирование
CH2O
O
C
CH3
CH3
CHO C(O)
H2, Ni
CH3
CH2O C
O
O
CH2O C
CHO C(O)
CH2O
C
O
CH3
CH3
CH3
35
О
О
СН2 О С C17H33
О
СН2 О С C17H35
О
СН
О С C17H31 + 6 H2
О
СН2 О С C17H29
Ni
СН
О С C17H35
О
СН2 О С C17H35
 Гидрированные масла – основа мазей и суппозиториев в фармации,
а также маргарина.
 Кислотное число ─ масса KOH (в мг), необходимая для
нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г
анализируемого образца.
36
Галогенирование
O
CH2O C (CH2)7CH CH(CH2)7CH3
O
CHO C C17H35
O
CH2O C C17H35
I2
 Иодное число ─ масса иода (в г), которое может присоединиться к 100 г анализируемого образца.
37
Реакции окисления
Образование эпоксидов
CH3(CH2)7CH
CH(CH2)7COOH
RC(O)OOH
O
CH3(CH2)7C
H
C(CH2)7COOH
H
Образование гликолей и карбоновых кислот
KMnO4, H2O
CH3(CH2)7CH
OH OH
CH3(CH2)7CH CH(CH2)7COOH
CH(CH2)7COOH
KMnO4, H+ CH (CH ) COOH HOOC(CH ) COOH
+
3
2 7
2 7
38
Прогоркание масла
— окисление кислородом воздуха ненасыщенных
триацилглицеринов при их хранении (автоокисление)
L-H
X.
O2
L.
– HX
• инициирование
R
H + X
LH
– L.
LOO.
L-O-O-H
гидропероксид
(реакция типа SR)
HX
+
R
• рост цепи
R
+
RO O
+
O2
R
RO O
H
RO OH
+
R
• обрыв цепи (один из возможных путей)
R
+
RO O
RO OR
39
Пероксидное окисление липидов
О
СН2 О С C17H33
О
СН
О С C17H35
остаток олеиновой кислоты
СН2 О
фрагмент липида клеточной
мембраны
18 17
16 15
14 13 12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
СН3СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН2 СН СН СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН2С
О
О
Х
11
10
9
СН СН СН
40
10
СН3
9
О
8
CH СН
С
CH2
О
Х
10
8
R' CH СН CH R''
R' CH СН CH R''
O2
8
R' CH СН CH R''
+ RH
O2
10
R' CH СН CH R''
O O
O O
-R
+ RH
-R
8
10
R' CH СН CH R''
H O O
R' CH
O
СН CH R''
O
H
41
8
10
R' CH
R' CH СН CH R''
8
9
R' CH2 C
10
O
R' CH СН OH + R''C
10
O
O
H O O
СН CH R''
H
O
R'C
+ R''
CH=CH OH
H
H
O
9
O
8
R'' CH2 C
H
H
[O]
O
СН3
+
C
OH
O
СН3
CH2 C
или
О
O
HO
HO
О
О
O
+
OH
С
C CH2
C
С
О
42
Приложение
(справочный и дополнительный материал)
Таблица 28_1. Основные насыщенные жирные кислоты липидов
Название кислоты
тривиальное
систематическое
Число
атомов
углерода
Формула
Т. пл.,
°С
Масляная
Бутановая
4 CH3(CH2)2COOH
–8
Капроновая
Гексановая
6 CH3(CH2)4COOH
–2
Каприловая
Октановая
8 CH3(CH2)6COOH
16
Каприновая
Декановая
10 CH3(CH2)8COOH
31,5
Лауриновая
Додекановая
12 CH3(CH2)10COOH
44
Миристиновая
Тетрадекановая
14 CH3(CH2)12COOH
54
Пальмитиновая
Гексадекановая
16 CH3(CH2)14COOH
64
Стеариновая
Октадекановая
18 CH3(CH2)16COOH
70
Арахиновая
Эйкозановая
20 CH3(CH2)18COOH
78,5
43
Фосфатидилсерины (серинкефалины)
– фосфатиды, в которых входящий в их состав остаток фосфорной
кислоты этерифицирован серином
o Первоначальный источник выделения: ткани головного мозга (от греч.
kephale — голова); много в мозге млекопитающих и тканях других
органов (сердце, печень, почки).
Фосфатидилхолины (лецитины)
– фосфатиды, в которых входящий в их состав остаток фосфорной
кислоты этерифицирован холином
o Первоначальный источник выделения: желтки яиц (от греч. lekithos
— желток); много в соевых бобах (сырье для их получения).
Фосфатидилэтаноламины (коламинкефалины)
– фосфатиды, в которых входящий в их состав остаток фосфорной
кислоты этерифицирован 2-аминоэтанолом (коламином)
o Первоначальный источник выделения: ткани головного мозга (от греч.
kephale — голова); один из основных компонентов клеток бактерий.
44
-Окисление высших жирных кислот
(в виде производных кофермента А)
O
R CH2 CH2 C
(I)
дегидрирование
ФАД
SCoA
ФАДН2
O
R CH CH C
SCoA
гидратация
Н2О
O
R CH CH2 C
OH
окисление НАД
SKoA
НАДН,
Н
O
R C CH2 C
SCoA
O
H2O
HSСoA
(II)
в новый цикл
-окисления
O
R C CH2 C
OH
O
CO2
HSСoA
O
R C
(III)
SСoA
O
CH3
C
SСoA
в цикл Кребса
R C CH3
O
(IV)
"кетоновые тела"
45
Биосинтез насыщенных жирных кислот и их производных
 Стартовая реакция
CH3
O
C COOH + HS CoA
НАД
НАДН,
пировиноградная кислота
Н
CH3
O
C S CoA + CO2
ацетилкофермент А
o Процесс катализируется мультимедийным комплексом — системой
из трех видов ферментов.
 Два реакционных центра в молекуле ацетилкофермента А
нуклеофильный
центр

H
–
CH2

O
–
электрофильный
центр
C
S CoA
o За счет этих двух центров обеспечивается процесс сшивки двух
ацетильных фрагментов.
46
 Синтез ацетоацетилкофермента А
CH3

O
–
O
–
C
S CoA
+ H CH2
ацетилкофермент А
CH3
C
S CoA
ацетилкофермент А
CH3
O
C
OH
O
C CH2 C
S CoA
S CoA
промежуточный полутиоацеталь
O
CH2
+
C
HS CoA
S CoA
ацетоацетилкофермент А
кофермент А
 Реакция ацетоацетилкофермента А с ацетилкоферментом А
с образованием шестиуглеродного фрагмента с той же
коферментной группой на конце молекулы.
наращивание углеродной цепи на два атома углерода
47
 Другой путь синтеза ацетоацетилкофермента А
(более энергетически выгодный)

H
–
CH2
O
C
O
C
CH3
S CoA
O
CH2
CO2

–
H CH C
HOOC
O
+
S CoA
O
CH3
C
S CoA
HS
CoA
CH3
O
C
C
S CoA
CO2
CH C
HOOC
O
S CoA
малонилкофермент А
 «Как оказалось, Природа очень хорошо изучила органическую химию»
(В.В. Племенков, Введение в химию природных соединений, 2001)
Биосинтез сфингозина
COOH
CH3(CH2)14COOH + CH—CH2OH
NH2
Пальмитиновая
кислота
L-Серин
2 [H]; – 2 [H]
– CO2
NH2
4
5
3
HOCH2–CH–CH–CH=CH–(CH2)12CH3
OH транс
D
1
2
Сфингозин
48
Биосинтез насыщенных жирных кислот
•
Образование малонил-КоА
O
CH3C
+ HCO3 + АТФ
SKoA
Mn2+
O
HOOCCH2C
SKoA
+ АДФ + Фн
Малонил-КоА
Ацетил-КоА
• Получение пальмитиновой кислоты
O
CH3C
O
SKoA
+ 7 HOOCCH2C
+ 14 НАДФН + 14 Н
SKoA
СН3(СН2)14СООН + 7 СО2 + 8 НSКоА + 14 НАДФ + 6 Н2О
Пальмитиновая
кислота
суммарное уравнение
•
Атомы С ацетил-КоА превращаются в С-16 и С-15 пальмитиновой кислоты.
•
Другие 7 двухуглеродных фрагментов поставляются малонил-КоА, причем
его третий атом С, входящий в СООН-группу, удаляется в виде СО2.
49