7.3: Ліпіди

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

Опишіть хімічний склад ліпідів
Опишіть унікальні характеристики і різноманітні структури ліпідів
Порівняйте і контрастуйте триацилгліцериди (тригліцериди) і фосфоліпіди
Опишіть, як фосфоліпіди використовуються для побудови біологічних мембран

Хоча вони складаються переважно з вуглецю та водню, молекули ліпідів також можуть містити кисень, азот, сірку та фосфор. Ліпіди служать численним і різноманітним цілям в будові і функціях організмів. Вони можуть бути джерелом поживних речовин, формою для зберігання вуглецю, молекул накопичення енергії або структурними компонентами мембран і гормонів. Ліпіди складають широкий клас багатьох хімічно відмінних сполук, найбільш поширені з яких розглядаються в цьому розділі.

Жирні кислоти та триацилгліцериди

Жирні кислоти - це ліпіди, які містять довголанцюгові вуглеводні, закінчені функціональною групою карбонових кислот. Через довгої вуглеводневої ланцюга жирні кислоти бувають гідрофобними («бояться води») або неполярними. Жирні кислоти з вуглеводневими ланцюгами, які містять тільки поодинокі зв'язки, називаються насиченими жирними кислотами, оскільки вони мають найбільшу кількість атомів водню, можливо, і тому «насичені» воднем. Жирні кислоти з вуглеводневими ланцюгами, що містять хоча б одну подвійну зв'язок, називаються ненасиченими жирними кислотами, оскільки в них менше атомів водню. Насичені жирні кислоти мають пряму, гнучку вуглецеву кістку, тоді як ненасичені жирні кислоти мають «перегини» у своєму вуглецевому скелеті, оскільки кожна подвійна зв'язок викликає жорсткий вигин вуглецевого скелета. Ці відмінності в насиченій та ненасиченій структурі жирних кислот призводять до різних властивостей відповідних ліпідів, в які включені жирні кислоти. Наприклад, ліпіди, що містять насичені жирні кислоти, є твердими речовинами кімнатної температури, тоді як ліпіди, що містять ненасичені жирні кислоти, - це рідини.

Триацилгліцерин, або тригліцерид, утворюється, коли три жирні кислоти хімічно пов'язані з молекулою гліцерину (рис. $\PageIndex{1}$ ). Тригліцериди є основними компонентами жирової тканини (жирових відкладень) і є основними складовими шкірного сала (шкірних масел). Вони відіграють важливу метаболічну роль, виступаючи ефективними молекулами накопичення енергії, здатними забезпечити більш ніж подвоєну калорійність як вуглеводів, так і білків.

Діаграма, що показує тригліцерид, складається з гліцерину і трьох жирних кислот. Гліцерин - це вуглецевий ланцюг 3 з OH на кожному вуглеці. H на кожному OH виділено. Жирні кислоти - це довгі вуглецеві ланцюги з С, який має OH і подвійний зв'язаний O на кінці. OH цього C виділено. Показані три жирні кислоти. Кожна жирна кислота зв'язується з однією з O з груп OH на кожному вуглецю на гліцерині. В результаті виходить тригліцерид (або нейтральний жир) і 3 молекули води. — Малюнок $\PageIndex{1}$ : Тригліцериди складаються з молекули гліцерину, приєднаної до трьох жирних кислот реакцією синтезу зневоднення.

Вправа $\PageIndex{1}$

Поясніть, чому жирні кислоти з вуглеводневими ланцюгами, які містять тільки поодинокі зв'язки, називаються насиченими жирними

Фосфоліпіди та біологічні мембрани

Тригліцериди класифікуються як прості ліпіди, оскільки вони утворюються всього з двох видів сполук: гліцерину і жирних кислот. На відміну від цього, складні ліпіди містять хоча б один додатковий компонент, наприклад, фосфатну групу (фосфоліпіди) або вуглеводний фрагмент (гліколіпіди). $\PageIndex{2}$ На малюнку зображений типовий фосфоліпід, що складається з двох жирних кислот, пов'язаних з гліцерином (дигліцеридом). Два вуглецевих ланцюга жирних кислот можуть бути як насиченими, так і ненасиченими, або однією з них. Замість іншої молекули жирної кислоти (що стосується тригліцеридів) третю позицію зв'язування на молекулі гліцерину займає модифікована фосфатна група.

Малюнок фосфоліпідного у вигляді великого кола з 2-ма прямокутниками, що виступають знизу. Коло позначено гідрофільною головкою і містить гліцерин (який містить 3 вуглецю). До одного з цих вуглеців приєднаний фосфат (який є фосфором, прикріпленим до 4 атомів кисню). Прямокутники внизу - це довгі вуглецеві ланцюги, позначені як гідрофобні хвости. Одна з ланцюгів являє собою пряму зигзагоподібну лінію і маркується насиченою жирною кислотою. Інший має подвійний зв'язок, який створює вигин в лінії; це позначена ненасичена жирна кислота. — Малюнок $\PageIndex{2}$ : На цій ілюстрації показаний фосфоліпід з двома різними жирними кислотами, однією насиченою і однією ненасиченою, зв'язаний з молекулою гліцерину. Ненасичена жирна кислота має незначний перегин у своїй структурі завдяки подвійному зв'язку.

Молекулярна структура ліпідів призводить до унікальної поведінки у водних середовищах. $\PageIndex{1}$ На малюнку зображена структура тригліцериду. Оскільки всі три замінники на хребті гліцерину є довгими вуглеводневими ланцюгами, ці сполуки неполярні і не суттєво притягуються до молекул полярної води - вони гідрофобні. І навпаки, фосфоліпіди, такі як показано на малюнку, $\PageIndex{2}$ мають негативно заряджену фосфатну групу. Оскільки фосфат заряджений, він здатний до сильного тяжіння до молекул води і, таким чином, є гідрофільним, або «люблячим воду». Гідрофільну частину фосфоліпідного часто називають полярною «головою», а довгі вуглеводневі ланцюги - неполярними «хвостами». Молекула, що представляє гідрофобну частину та гідрофільний фрагмент, як кажуть, є амфіпатичною. Зверніть увагу на позначення «R» в межах гідрофільної головки, зображеної на малюнку $\PageIndex{2}$ , що вказує на те, що полярна група голови може бути складнішою, ніж простий фосфатний фрагмент. Гліколіпіди - це приклади, в яких вуглеводи пов'язані з головними групами ліпідів.

Амфіпатична природа фосфоліпідів дозволяє їм формувати унікальні функціональні структури у водних середовищах. Як уже згадувалося, полярні головки цих молекул сильно притягуються до молекул води, а неполярні хвости - ні. Через значної довжини ці хвости, по суті, сильно притягуються один до одного. В результаті утворюються енергетично стійкі великомасштабні збірки молекул фосфоліпідів, в яких гідрофобні хвости збираються всередині замкнутих областей, захищених від контакту з водою полярними головками (рис. $\PageIndex{3}$ ). Найпростішими з цих структур є міцели, сферичні вузли, що містять гідрофобну внутрішню частину фосфоліпідних хвостів і зовнішню поверхню полярних груп голови. Більші і більш складні структури створюються з ліпідно-бішарових листів, або одиничних мембран, які представляють собою великі, двовимірні збірки фосфоліпідів, зібраних хвостом до хвоста. Клітинні мембрани майже всіх організмів виготовляються з ліпідно-бішарових листів, як і мембрани багатьох внутрішньоклітинних компонентів. Ці листи також можуть утворювати ліпідно-бішарові сфери, які є структурною основою бульбашок і ліпосом, субклітинних компонентів, які відіграють певну роль у численних фізіологічних функціях.

Ліпідний двошаровий лист - це коли поперек один одного є 2 ряди фосфоліпідів, що утворюють плоску поверхню. Полярні головки всіх фосфоліпідів знаходяться до зовнішньої сторони аркуша, а неполярні хвости - до внутрішньої сторони. Цей ліпід-бішар також може утворювати сферу. Ліпідно-бішар утворює поверхню сфери; полярні головки знаходяться на зовнішній стороні сфери і вистилають внутрішній простір сфери. Ліпіди також можуть утворювати одношарову сферу, де зовні сфери є полярні голови, а неполярні хвости заповнюють центр сфери. — Малюнок $\PageIndex{3}$ : Фосфоліпіди, як правило, влаштовують себе у водному розчині, утворюючи ліпосоми, міцели або ліпідні двошарові листи. (кредит: модифікація роботи Маріани Руїс Вільярреал)

Вправа $\PageIndex{2}$

Наскільки значна амфіпатична природа фосфоліпідів?

Ізопреноїди і стерини

Ізопреноїди - це розгалужені ліпіди, також іменовані терпеноїдами, які утворюються хімічними модифікаціями молекули ізопрену (рис. $\PageIndex{4}$ ). Ці ліпіди відіграють найрізноманітніші фізіологічні ролі у рослин і тварин, з багатьма технологічними застосуваннями, як фармацевтичні препарати (капсаїцин), пігменти (наприклад, помаранчевий бета-каротин, ксантофіли) та ароматизатори (наприклад, ментол, камфора, лімонен [аромат лимона] та пінен [аромат сосни]). Довголанцюгові ізопреноїди також містяться в гідрофобних маслах і восках. Воски, як правило, водостійкі і тверді при кімнатній температурі, але вони розм'якшуються при нагріванні і розріджують, якщо вони належним чином нагріваються. У людини основне виробництво воску відбувається в сальних залозах волосяних фолікулів шкіри, в результаті чого виділяється матеріал, який називається шкірним салом, який складається в основному з триацилгліцерину, ефірів воску та вуглеводневого сквалену. У мікробіоті на шкірі багато бактерій, які харчуються цими ліпідами. Однією з найвідоміших бактерій, які харчуються ліпідами, є Propionibacterium acnes, яка використовує ліпіди шкіри для генерації коротколанцюгових жирних кислот і бере участь у виробництві акне.

Альфа-пінен - це вуглецеве кільце з доданими вуглецевими проекціями. Камфора - це вуглецеве кільце з доданими вуглецевими виступами і подвійним зв'язаним киснем на одному вуглеці. Ізопрен - це вуглецевий ланцюг 4 з іншим вуглецем, прикріпленим до вуглецю 2. Лімонен - це вуглецеве кільце з вуглецем, прикріпленим до одного кінця, а іншим вуглецем, прикріпленим до іншого кінця; цей вуглець має 2 вуглецю, прикріплені до нього. Ментол - це вуглецеве кільце з вуглецем, прикріпленим до одного кінця, а іншим вуглецем, прикріпленим до іншого кінця; цей вуглець має 2 вуглецю, прикріплені до нього. Ще один вуглецевий куточок має групу OH. Бета-каротин - це два вуглецевих кільця, прикріплені довгим вуглецевим ланцюгом. — Малюнок $\PageIndex{4}$ : П'ятивуглецеві молекули ізопрену хімічно модифіковані різними способами для отримання ізопреноїдів.

Іншим типом ліпідів є стероїди, складні, кільчасті структури, які знаходяться в клітинних мембранах; деякі функціонують як гормони. Найбільш поширеними видами стероїдів є стерини, які є стероїди, що містять OH групи. В основному це гідрофобні молекули, але також мають гідрофільні гідроксильні групи. Найбільш поширеним стерином, що міститься в тканині тварин, є холестерин. Його структура складається з чотирьох кілець з подвійним зв'язком в одному з кілець, і гідроксильної групи в положенні, що визначає стерол. Функція холестерину полягає в зміцненні клітинних мембран у еукаріотів та бактерій без клітинних стінок, таких як Mycoplasma. Прокаріоти, як правило, не виробляють холестерин, хоча бактерії виробляють подібні сполуки, звані гопаноїдами, які також є багатокільцевими структурами, що зміцнюють бактеріальні мембрани (рис. $\PageIndex{5}$ ). Гриби і деякі найпростіші виробляють подібне з'єднання під назвою ергостерол, яке зміцнює клітинні мембрани цих організмів.

Холестерин зроблений з 3 шестикутників, прикріплених по їх краях. Третій шестикутник має п'ятикутник, прикріплений уздовж ребра. П'ятикутник має прикріплену до нього вуглецевий ланцюг. Хопена виготовляється з 4 шестигранників, прикріплених по їх краях. Останній шестикутник має п'ятикутник. П'ятикутник має коротку вуглецеву ланцюг. — Малюнок $\PageIndex{5}$ : Холестерин і хопен (хопаноїдна сполука) - молекули, які підсилюють структуру клітинних мембран у еукаріотів і прокаріотів відповідно.

Посилання на навчання: Ліпосоми

У цьому відео представлена додаткова інформація про фосфоліпіди і ліпосоми.

Вправа $\PageIndex{3}$

Як використовуються ізопреноїди в техніці?

Клінічна спрямованість: Частина 2

Зволожуючий крем, призначений лікарем Пенні, був актуальним кортикостероїдним кремом, що містить гідрокортизон. Гідрокортизон - синтетична форма кортизолу, кортикостероїдного гормону, що виробляється в надниркових залозах, з холестерину. При нанесенні безпосередньо на шкіру він може зменшити запалення і тимчасово зняти незначні подразнення шкіри, свербіж та висипання за рахунок зменшення секреції гістаміну, сполуки, що виробляється клітинами імунної системи у відповідь на присутність патогенів або інших чужорідних речовин. Оскільки гістамін запускає запальну реакцію організму, здатність гідрокортизону зменшувати місцеве вироблення гістаміну в шкірі ефективно пригнічує імунну систему та допомагає обмежити запалення та супутні симптоми, такі як свербіж (свербіж) та висипання.

Вправа $\PageIndex{4}$

Чи лікує кортикостероїдний крем причину висипу Пенні або просто симптоми?

Ключові поняття та резюме

Ліпіди складаються в основному з вуглецю та водню, але вони також можуть містити кисень, азот, сірку та фосфор. Вони забезпечують поживні речовини для організмів, накопичують вуглець та енергію, відіграють структурну роль у мембранах та функціонують як гормони, фармацевтичні препарати, ароматизатори та пігменти.
Жирні кислоти - це довголанцюгові вуглеводні з функціональною групою карбонових кислот. Їх відносно довгі неполярні вуглеводневі ланцюги роблять їх гідрофобними. Жирні кислоти без подвійних зв'язків насичені; ті, що мають подвійні зв'язки, ненасичені.
Жирні кислоти хімічно зв'язуються з гліцерином, утворюючи структурно незамінні ліпіди, такі як тригліцериди та фосфоліпіди. Тригліцериди містять три жирні кислоти, пов'язані з гліцерином, утворюючи гідрофобну молекулу. Фосфоліпіди містять як гідрофобні вуглеводневі ланцюги, так і полярні головні групи, що робить їх амфіпатичними і здатними утворювати однозначно функціональні великомасштабні структури.
Біологічні мембрани - це великомасштабні структури на основі фосфоліпідних бішарів, які забезпечують гідрофільні зовнішні та внутрішні поверхні, придатні для водних середовищ, розділені інтервенційним гідрофобним шаром. Ці бішари є структурною основою для клітинних мембран у більшості організмів, а також субклітинних компонентів, таких як везикули.
Ізопреноїди - це ліпіди, отримані з молекул ізопрену, які мають багато фізіологічних ролей та різноманітних комерційних застосувань.
Віск - це довголанцюговий ізопреноїд, який, як правило, водостійкий; прикладом речовини, що містить віск, є шкірне сало, що виробляється сальними залозами в шкірі. Стероїди - це ліпіди зі складними, кільчастими структурами, які функціонують як структурні компоненти клітинних мембран і як гормони. Стерини - це підклас стероїдів, що містять гідроксильну групу в певному місці на одному з кілець молекули; одним із прикладів є холестерин.
Бактерії виробляють гопаноїди, структурно схожі на холестерин, для зміцнення бактеріальних мембран. Гриби і найпростіші виробляють зміцнюючий засіб під назвою ергостерол.