Основы биохимии липидов в организме человека

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Основы биохимии липидов в организме человека»

МИНСК, 2008

Липиды – общее название для всех известных жиров и жироподобных веществ с различной структурой, но общими свойствами (нерастворимость в воде, экстракция неорганическими растворителями). Липид (греч. жирный).

В организме человека 10-20 % жиров от массы тела. Липиды бывают:

Протоплазматические – входят в состав всех структур клеток, органов и тканей и практически остаются на одном уровне в течение всей жизни. Они составляют 25% всего жира в организме.

Резервные липиды – запасаются в организме, и их количество меняется в зависимости от возраста, пола, условий питания, видов деятельности.

Функции липидов в организме :

1 – пластическая функция : они участвуют в построении мембран клеток всех органов и тканей и образовании многих биологически важных соединений (гормоны, жирорастворимые витамины).

2 – энергетическая функция : липиды обеспечивают 25-30 % энергетических потребностей организма. Распад 1 г жира – 9,3 ккал.

3 – жиры являются запасными питательными веществами , их депо – подкожная клетчатка, околопочечная капсула.

4 – защитная функция липидов: они участвуют в терморегуляции, защищают кожу от высыхания, органы – от сотрясений.

5- выполняют функцию защитных оболочек , предохраняющих от инфекции или излишней потери или накопления воды.

6 - обеспечивают всасывание жирорастворимых витаминов

Классификация липидов:

1 – простые или нейтральные жиры (эфиры жирных кислот и спиртов).Нейтральные жиры находятся в организме либо в форме протоплазматического жира, являющегося структурным компонентом клеток, либо в форме запасного, резервного жира.

2 – сложные жиры , представляют собой эфиры трехатомного спирта глицерина, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Среди сложных жиров выделяют: фосфолипиды, гликолипиды, сфигномиелины. Сфинголипиды находятся в мембранах животных и растительных клеток.

3 – производные липидов . К ним относятся все соединения, которые нельзя четко отнести к простым или сложным липидам, например, стероиды, каротиноиды и витамины липидной природы.

4- воска – например, ланолин, смесь эфиров холестерина.

Воска – это сложные эфиры образуемые насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами и спиртами.

В нейтральных жирах обнаруживаются :

Жирные кислоты.

Жирные кислоты получили свое название от способа их выделения из жиров. Это карбоновые кислоты с длинной алифатической цепью.

Природные жирные кислоты весьма разнообразны. Большинство жирных кислот представляют собой монокарбоновые кислоты, содержащие линейные углеводные цепи с четным числом атомов . Содержание ненасыщенных жирных кислот выше, чем насыщенных. Ненасыщенные жирные кислоты имеют более низкую температуру плавления.

Свойства жирных кислот.

Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты сильно различаются по своей структурной конфигурации. В насыщенных жирных кислотах углеводородный хвост в принципе может принимать множество конформаций вследствие полной свободы вращения вокруг концевой ординарной связи.

В ненасыщенных кислотах наблюдается иная картина: невозможность вращения вокруг двойной связи обеспечивает жесткий изгиб углеводородной цепи.

Природные жирные кислоты, как насыщенные так и ненасыщенные не поглощают свет ни в видимой, ни в УФ области. Спектрофотометрически определяются только после изомеризации (230-260 нм). Ненасыщенные определяются методом количественного титрования. Анализ сложных смесей жирных кислот осуществляется методом газожидкостной хроматографии.

Насыщенные –пальмитиновая, стеариновая, липоцериновая кислоты

Ненасыщенные : арахидоновая, олеиновая, линолевая, линоленовая.

Растительные жиры состоят в основном из ненасыщенных жирных кислот.

Липиды являются обязательной составной частью сбалансированного пищевого рациона человека. Соотношение белков, липидов и углеводов должно быть 1:1:4.

Значение жиров весьма многообразно. Высокая калорийность придает им особую ценность. Жиры являются растворителями витаминов А,Д,Е и др. С жирами в организм вводятся некоторые ненасыщенные кислоты, которые относят к незаменимым жирным кислотам (линолевая, линоленовая, арахидоновая), которые не синтезируются у человека и животных. С жирами в организм поступает комплекс биологически активных веществ: фосфолипиды, стерины.

Триацилглицеролы – основная их функция – запасание липидов. Они находятся в цитозоле в виде мелкодисперсных эмульгированных маслянистых капелек.

Сложные жиры :

Фосфолипиды – основные компоненты мембран клеток и субклеточных органелл, составляют большую часть тканей мозга, нервов, печени, сердца, принимают участие в биосинтезе белка, активации протромбина, транспорта липидов и жирорастворимых витаминов в крови и лимфе. Состоят из глицерина и двух молекул жирных кислот, одна из которых насыщенная. а другая – ненасыщенная + азотистое основание.

Липопротеиды .

Полярные липиды ассоциируют с некоторыми специфическими белками, образуя липопротеиды, из которых наиболее известны транспортные липопротеиды, присутствующие в плазме крови млекопитающих.

В таких сложных липидах взаимодействие между липидами и белковыми компонентами осуществляются без участия ковалентных связей.

Липопротеиды содержат обычно как полярные, так и нейтральные липиды, а также холестерин и его эфиры. Они служат той формой, в которой липиды транспортируются из тонкого кишечника в печень и из печени в жировую ткань, а также в другие ткани.

В плазме крови было обнаружено несколько классов липопротеидов, их классификация основана на различиях в их плотности. Липопротеиды с разным соотношением липида и белка могут быть разделены в ультрацентрифуге.

Самыми легкими липопротеидами являются хиломикроны: крупные структуры, содержащие около 80% триацилглицеринов, 7% фосфоглицеридов, 8% холестерина и его эфиров и 2% белка.

Бетта-липопротеиды плазмы крови содержат 80-90% липидов, а альфа-липопротеиды – 40-70%.

Точная структура липопротеидов пока неизвестна, но имеются основания считать, что белковая цепь располагается на внешней поверхности, где она образует тонкую гидрофильную оболочку вокруг мицеллярной липидной структуры. В жирах или триглицеридах запасается большая часть энергии, выделяющаяся в результате химических реакций.

Наряду с неполярными существуют полярные липиды. Они составляют главные компоненты клеточных мембран. В мембранах локализованы многочисленные ферменты и тарнспортные системы. Многие свойства клеточных мембран обусловлены наличием в них полярных липидов.

Мембранные липиды:

Мембранные липиды наряду с углеводородными цепями содержат одну или несколько сильно полярных “голов”. В небольшом количестве в мембранах присутствуют фосфолипиды. Основной их компонент – фосфоглицериды- содержат 2 остатка жирных кислот, этерифицирующих первую и вторую гидроксильные группы глицерола. Третья гидроксильная группа образует сложно-эфирную связь с фосфорной кислотой. Гидролизуется при нагревании с кислотами и щелочами, а также ферментативным путем – под действием фосфолипаз.

Сфинголипиды – второй класс мембранных липидов, они имеют полярную голову и два неполярных хвоста, но не содержат глицерола.

Делятся на 3 подкласса: сфингомиелины, цереброзиды и ганглеозиды.

Сфингомиелины содержатся в миелиновых оболочках нервных клеток определенного типа. Церброзиды –в мембранах клеток мозга. Ганглеозиды – важные компоненты расположенных на поверхности клеточных мембран специфических рецепторных участков. Они находятся в тех специфических участках нервных окончаний где происходит связывание молекул нейромедиатора в процессе химической передачи импульса от одной нервной клетки к другой.

Внешние или плазматические мембраны многих клеток, а также мембраны ряда внутриклеточных органелл, например, митохондрий и хлоропластов изучены. Во всех мембранах имеются полярные липиды.

Липидная часть мембраны представляет собой смесь полярных липидов. Природные мембраны характеризуются малой толщиной (6-9нм) и эластичностью. Через мембраны легко проходит вода, но они практически не проницаемы для зараженных ионов типа натрия, хлора или водорода и для полярных, но не зараженных молекул сахаров. Полярные молекулы проникают с помощью специфических переносчиков транспортной системы.

Фосфоглицериды, сфинголипиды, гликолипиды и воска часто называют омыляемыми липидами , поскольку при их нагревании образуются мыла (в результате отщепления жирных кислот). В клетках также содержатся в меньшем количестве неомыляемые липиды, они не гидролизуются с освобождением жирных кислот.

Известны 2 типа неомыляемых липидов:

Стероиды и терпены

Стероиды – желчные кислоты, половые гормрны, гормоны надпочечников.

Стероиды широко распространены в природе. К этим соединениям относятся многочисленные вещества гормрнальной природы, а также холестерин, желчные кислоты и др.

Стерины – холестерин Холестерин играет роль промежуточного продукта в синтезе многих других соединений. Холестерином богаты плазматические мембраны многих животных клеток, в значительно меньшем количестве он содержится в мембранах митохондрий и в эндоплазматической сети.

У растений – фитостерины.

Терпены – обнаружены в растениях, многие из них придают растениям свойственный им аромат и служат главными компонентами “душистых масел”.

Жирорастворимые витамины.

Витамины – это жизненноважные вещества, присутствующие в организме в следовых количествах и необходимые для выполнения нормальных клеточных функций. К числу жирорастворимых витаминов принадлежат витамины А, Е, К,Д, молекулярные основы их действия точно неизвестны.

Витамины относят к липидам, поскольку они нерастворимы в воде и экстрагируются органическими растворителями. Жирорастворимые витамины имеют изопреноидную структуру (А,Е,К) , витамин Д – производное стероида, хотя стероиды тоже происходят от изопреноидных предшественников. Витамин А содержится только в животных тканях. Он существует в 2 химических формах А-1 и А-2 (витамеры) – ретинол 1 и ретинол 2, и представляет собой спирт содержащее ациклическое кольцо, к которому присоединена боковая цепь, состоящая из 2 изопреновых единиц.

В растениях содержатся каротиноидные пигменты. Альфа-, бетта- и гамма- каротины, при их окислительном распаде в животных тканях образуется вит А. Недостаток витамина А приводит к нарушению роста и развитию “куриной слепоты”, нарушается нормальная функция палочек сетчатки.

Витамин Е представлен целой группой витамеров, присутствующих в растительных маслах и называемых токоферолами. Эти соединения имеют гидроксилсодержащую систему ароматических колец и изопреноидную боковую цепь. Недостаток приводит к атрофии и слабости мышц, стерильности. Предполагают, что эти вещества препятствуют разрушающему действию молекулярного кислорода, их иногда называют антиоксидантами.

Витамин К – К 1 и К 2, нафтохиноны с длинными боковыми изопреноидными цепями различной длины. Недостаточность проявляется в нарушении процесса свертываемости крови из-за утраты организмом способности синтезировать протромбин.

Витамин Д – производное стероидов. Наиболее важен витамин Д 2 – кальциферол и Д 3. Недостаток витамина Д приводит у человека к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена, проявляющегося в изменении структуры костей и зубов. Витамин Д способствует всасыванию ионов Са в тонком кишечнике, благодаря стимуляции синтеза белка, участвующего в переносе этих ионов.

Простогландины.

Эти вещества обнаружены практически во всех органах и тканях человека и животных, своей высокой активностью, широким спектром действия сравнимы с эффектом гормонов.

Простогландины – циклические полиненасыщенные жирные кислоты с относительной молекулярной массой 300-400. Они содержат только углерод, кислород и водород.

Биосинтез простогландинов осуществляется в микросомах клетки. Ненасыщенные жирные кислоты являются предшественниками простогландинов. Они синтезируются по мере физиологической надобности. Их роль – наиболее активные биогенные вещества. Они понижают желудочную секрецию, влияют на гладкую мускулатуру, сердечно-сосудистую систему.

Определяют их методами абсорбционной спектрофотометрии, газо-жидкостной хроматографии, флюоресцентного анализа), а также радиоиммунологическими методами.

Соли желчных кислот.

Детергентные эффекты желчи обусловлены солями желчных кислот. Стероидная часть молекулы желчных кислот имеет характерные для липидов гидрофобные свойства, а окисленные боковые цепи гидрофильны. Такая двоякая растворимость, характерная для детергентов и мыл обозначается термином амфипатичность:

Гидрофобный конец молекулы легко смешивается с липидами

Гидрофильный конец не смешивается легко с липидами, но облегчает контакт с водной фазой.

Благодаря этому образуется эмульсия липидов в воде, состоящая из мельчайших капелек жира.

Образование эмульсий облегчает их взаимодействие в качестве субстратов с липазами.

Другой тип – образование мицелл. При этом гидрофильные части взаимодействуют с водной средой, выступая наружу. Гидрофильные части остаются взаимосвязанными во внутренней сфере мицеллы. Однако в мицелле нет обширной внутренней липидной фазы, поскольку толщина ее соответствует размеру одной молекулы. Мицеллы на несколько порядков меньше, чем частицы эмульсии.

Эмульгирование важно потому, что способствует увеличению поверхности контакта при воздействии липазы на мышцы, однако частицы эмульсии слишком велики для того, чтобы пройти через клеточную мембрану. Мицеллы легко всасываются клетками эпителия тонкого кишечника.

Структура этих мицелл такова, что их гидрофобное ядро (жирные кислоты, глицериды и т.д.) оказываются окруженными снаружи гидрофильной оболочкой из жирных кислот и фосфатидов.

В составе мицелл высшие жирные кислоты и моноглицериды переносятся с места гидролиза жиров к всасывающей поверхности клеточного эпителия. Относительно механизма всасывания мицелл не единого мнения:

1.Возможно, в результате мицеллярной диффузии, а возможно и пиноцитоза, мицеллы целой частицей проникают в эпителиальные клетки ворсинок. Здесь происходит распад жировых мицелл, при этом желчные кислоты сразу же поступают в ток крови и через систему воротной вены в печень, откуда вновь секретируются в составе желчи.

2. Допускается возможность перехода в клетки ворсинок только липидного компонента жировых мицелл, а сами желчные кислоты, выполнив свою физиологическую функцию остаются в просвете кишечника. И лишь потом они всасываются в кровь (в подвздошной кишке), попадают в печень, а затем выделяются с желчью.

Ресинтезированные в эпителиальных клетках кишечника триглицериды и фосфолипиды, а также поступивший в эти клетки холестерин, соединяются с небольшим количеством белка и образуют относительно стабильные комплексные частицы – хиломикроны. Они большие по размерам и не могут проникать в кровеносные капилляры и диффундируют в лимфатическую систему кишечника, а из нее в грудной лимфатический проток и далее в кровяное русло, т.е. с их помощью осуществляется транспорт эндогенных триглицеридов, холестерина и частично фосфолипидов из кишечника в кровь.

Внутриклеточный гидролиз липидов .

Источником жирных кислот, которые подвергаются окислению в тканях высших животных служит либо внеклеточная жидкость, либо эндогенные внутриклеточные липиды. В мышечной ткани, в том числе и в сердечной мышце, жирные кислоты подвергаются непосредственному окислению. Главный источник эндогенных жирных кислот – резервный жир, содержащийся в цитоплазме. Жирные кислоты сначала гидролизуются при помощи специфических внутриклеточных ферментов липаз до глицерина и свободных жирных кислот, а последние подвергаются активации и окислении. Другой источник жирных кислот – фосфоглицериды мембран. Постоянно происходит метаболическое обновление фосфоглицеридов, в процессе которого образуются свободные жирные кислоты.

Расщепление жиров.

Слюна не содержит расщепляющих жиры ферментов. В желудке также не происходит заметного переваривания жиров пищи, но там отмечается частичное разрушение липопротеидных комплексов мембран клеток пищи, что делает жиры более доступными для последующего воздействия на них липазы панкреатического сока.

Расщепление жиров происходит у человека преимущественно в верхних отделах тонкого кишечника, где имеются условия для эмульгирования жиров. Наиболее мощное эмульгирующее действие на жиры оказывают соли желчных кислот, поступающие в двенадцатиперстную кишку с желчью в виде натриевых солей. Желчные кислоты представляют собой конечный продукт обмена холестерина. По своей химической природе желчные кислоты являются производными холановой кислоты. Желчные кислоты присутствуют в желчи в конъюгированной форме. Эти соединения иногда называют парными, т.к. они состоят из двух компонентов = из желчной кислоты и глицина и из желчной кислоты и таурина. Соли желчных кислот уменьшают поверхностное натяжение на поверхности жир – вода. Желчные кислоты выполняют также важную роль в качестве активатора панкреатической липазы, под влиянием которой происходит расщепление жира в кишечнике. Вырабатываемая поджелудочной железой липаза расщепляет триглицериды, находящиеся в эмульгированном состоянии. В расщеплении жиров участвует также кишечная липаза, она катализирует гидролитическое расщепление моноглицеридов и не действует на ди- и три- глицериды. Таким образом, в тонком кишечнике основная часть жира всасывается после расщепления на жирные кислоты и глицерин, которые будучи хорошо растворимыми в воде всасываются в кишечнике, а потом поступают в кровь воротной вены и оттуда в печень.

Жирные кислоты с длинной цепью и моноглицериды всасываются при участии желчи (желчных кислот). Жирные кислоты и моноглицериды образуют устойчивые в водной среде мицеллы. Главным эндогенным источником жирных кислот служит резервный жир. Триглицериды жировых депо выполняют в обмене липидов такую же роль, как гликоген печени в обмене углеводов. В качестве источников энергии могут использоваться только свободные жирные кислоты и триглицериды должны гидролизоваться при помощи липаз до глицерина и свободных жирных кислот. Они могут переходить из жировых депо в плазму крови и использоваться в качестве энергетического материала.

Другой источник жирных кислот – фосфолипиды мембран. В клетках непрерывно происходит метаболическое обновление фосфолипидов в процессе которого образуются свободные жирные кислоты (фосфолипиды).

Окисление жирных кислот в клетках происходит в митохондриях при участии мультиферментного комплекса. Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих этапов:

1 этап – активация жирных кислот и их проникновение из цитоплазмы в митохондрии, при этом происходит образование ацил-КоА. Включает 3 стадии:

а) ферментативная этерификация свободной жирной кислоты цитоплазматическим КоА (за счет энергии АТФ) в наружной мембране митохондрий.

б) перенос остатка жирной кислоты от КоА на молекулу карнитина, при помощи которого осуществляется транспортировка этого остатка через внутреннюю мембрану митохондрий.

в) перенос остатка жирной кислоты от карнитина на внутримитохондриальный КоА.

2 этап – первая стадия дегидрирования:. При окислении жирных кислот, протекает вслед за стадией активации, происходит внутри митохондрий. Ацил-КоА подвергается ферментативному дегидрированию, превращаясь в КоА эфир ненасыщенной кислоты.

3 этап – стадия гидратации: присоединение молекулы воды и образование b- гидрооксил КоА.

4 этап – вторая стадия дегидрирования, образуется b- кетоацил КоА.

5 этап – тиолазная реакция: в ней образуется ацетил КоА, который подвергается окисления в цикле Кребса, и ацил КоА, далее проходящий путь b окисления. Стадия тиолитического расщепления – тиолиз, сильно экзорганическая реакция.

Последовательное окислительное отщепление молекул ацетил КоА от КоА эфиров насыщенных жирных кислот с длинной цепью носит название b окисления.

Баланс энергии: В случае окисления, например пальмитиновой кислоты G составляет 9797 кДж.

ЛИТЕРАТУРА