§ 7. ЛІПІДИ: ВЛАСТИВОСТІ ТА БІОЛОГІЧНА РОЛЬ

Пригадайте! Що таке гідрофобні й гідрофільні сполуки?

Новини науки

У сучасній біології успішно розвиваються такі галузі науки, як геноміка й протеоміка. Вони вивчають, відповідно, генний і білковий склад різних типів клітин. Останнім часом суттєво зріс науковий інтерес до ліпідів: їх почали досліджувати не лише біохіміки, а й фізіологи, вірусологи, фармакологи, імунологи. Це стало причиною того, що виник новий розділ біохімії – ліпідоміка, що вивчає ліпідний склад клітин, і на дослідження у цьому напрямі виділяються величезні кошти. Яке ж біологічне значення ліпідів, що входять до набору основних «молекул життя»?

Які властивості ліпідів визначають їхнє значення?

Ліпіди – це дуже різноманітна за хімічним складом група органічних речовин живого. Молекули ліпідів можуть містити залишки спиртів, жирних кислот, сульфатної кислоти, вуглеводів, білків та ін. Властивості багатьох ліпідів значною мірою визначаються жирними кислотами. Жирні кислоти – це група малих молекул, що за хімічною природою є одноосновними карбоновими кислотами. Загальна формулою жирних кислот – СН₃(СН₂)_nСООН. Їхні молекули мають дві різні частини: довгий карбоновий ланцюг і карбоксильну групу (іл. 11). Гідрофобний ланцюг жирних кислот малоактивний, з водою не взаємодіє, і тому вся їхня хімічна активність зумовлена гідрофільною карбоксильною групою. Завдяки таким особливостям жирні кислоти та їхні похідні у воді утворюють поверхневі плівки, краплини, невеликі кулясті міцели та ін. (іл. 12). Ці комплекси мають величезне значення для організмів, оскільки беруть участь у побудові клітинних мембран, утворюють запасливі включення, забезпечують засвоєння жиророзчинних вітамінів, сприяють травленню жирів тощо. На сьогодні відомо понад 800 природних жирних кислот, проте значного поширення у живій природі набули близько 20. Найбільш відомими є пальмітинова – СН₃(СН₂)₁₄СООН (див. іл. 11), стеаринова – СН₃(СН₂)₁₆СООН, олеїнова – СН₃(СН₂)₇СН=СН (СН₂)₇СООН та ін. Вони можуть бути насиченими (не мають подвійних зв’язків) і ненасиченими (з подвійними зв’язками).

Іл. 11. Пальмітинова кислота: хімічний склад та будова молекули

Іл. 12. Фосфоліпідні утвори: 1 – ліпосома; 2 – міцела; 3 – біліпідний шар

Жирні кислоти беруть участь в хімічних реакціях утворення ліпідів як реагенти і не є мономерами, тому ліпіди – це неполімерні сполуки. Більшість ліпідів (воски, жири) характеризуються нерозчинністю у воді (гідрофобністю) та розчинністю у неполярних розчинниках: естері, ацетоні, хлороформі, бензені та ін. Такі властивості зумовлені відсутністю полярних груп у їхніх молекулах. Інші групи ліпідів (фосфоліпіди, гліколіпіди) проявляють подвійні амфіфільні властивості, тому що містять полярні (гідрофільні головки ортофосфатної кислоти чи спирту) і неполярні (ланцюжок жирної кислоти) групи (іл. 13).

Іл. 13. Будова молекули фосфоліпіду

Усі ліпіди в організмі піддаються гідролізу під дією специфічних ферментів – ліпаз з утворенням жирних кислот.

Отже, ЛІПІДИ (від грец. ліпос – жир) – це різноманітні за хімічним складом органічні сполуки живого, спільною ознакою яких є їхня неполярність, через що вони розчиняються лише в неполярних рідинах.

Як класифікують ліпіди?

Існує декілька класифікацій ліпідів, серед яких можна виокремити класифікації за біологічними функціями (резервні та структурні ліпіди), властивостями (полярні та неполярні ліпіди) і класифікація за структурними особливостями, що є найбільш вживаною. Згідно з нею всі ліпіди поділяються на прості та складні.

Прості ліпіди є похідними жирних кислот і спиртів. Найвідомішими з них є воски й жири. Воски – це гідрофобні сполуки, в утворенні яких беруть участь жирні кислоти й одноатомні спирти. Їх поділяють на тваринні воски (наприклад, спермацет, ланолін, бджолиний віск, китайський віск) та рослинні воски (наприклад, кутин, суберин). Ці речовини утворюють захисну кутикулу на листках й плодах, вкривають хітинову оболонку комах й павуків, використовуються для побудови сотів бджолами, збільшують плавучість китів та ін. (іл. 14). Жири – це гідрофобні сполуки, в утворенні яких беруть участь жирні кислоти й триатомний спирт гліцерол. За походженням жири поділяють на рослинні (соняшникова, трояндова олії, масло какао) й тваринні (китовий жир, свинячий жир, риб’ячий жир). Вони можуть бути рідкими (містять ненасичені жирні кислоти) й твердими (мають насичені жирні кислоти). Основна функція жирів – енергетична.

Іл. 14. Спермацетовий орган у голові кашалота

Складні ліпіди окрім ліпідної частини містять й інші речовини. У ліпопротеїдів такими сполуками є білки, у фосфоліпідів – залишок ортофосфатної кислоти, у гліколіпідів – вуглеводи. Ці сполуки виконують здебільшого структурну функцію.

До ліпідів відносять й жироподібні сполуки (ліпоїди), що є їхніми попередниками або похідними. Більшість із них здійснюють в організмі регуляторну функцію. Прикладом подібних речовин є стероїди – гідрофобні сполуки, що виявляють високу біологічну активність. До стероїдів належать холестерин, жовчні кислоти. Стероїдну природу мають й статеві гормони та гормони надниркових залоз (кортикостероїди). До жироподібних сполук належать жиророзчинні вітаміни А, D, Е і K.

Отже, класифікувати ліпіди дуже важко через їхню величезну хімічну різноманітність, але найчастіше їх поділяють за хімічним складом на прості й складні ліпіди.

Яка біологічна роль ліпідів?

Функції ліпідів в організмі тісно пов’язані з їхніми властивостями й особливостями будови. До основних функцій, що ілюструють значення ліпідів, належать такі:

• будівельна, або структурна (фосфоліпіди й холестерин беруть участь у побудові біліпідного шару клітинних мембран);

• енергетична (під час розщеплення 1 г жирів вивільняється 38,9 кДж енергії, тобто удвічі більше, ніж під час окиснення білків і вуглеводів);

• запаслива (у рослин відкладаються про запас олії, у тварин – жири; крім того, надлишок вуглеводів й білків може перетворюватися на жири і відкладатися про запас);

• теплоізоляційна (завдяки низькій теплопровідності жири, накопичуючись в підшкірній клітковині, запобігають втратам теплоти);

• водоутворювальна (під час окиснення 1 г жирів утворюється 1,1 г метаболічної води, яка дуже важлива для мешканців пустелі, тварин, які западають у сплячку);

• регуляторна (статеві гормони, кортикостероїдні гормони беруть участь в ендокринній регуляції процесів життєдіяльності організмів);

• захисна (воски захищають органи рослин від втрат води, жири навколо внутрішніх органів в організмі тварин – від механічних упливів, вітамін F чинить антиалергічну й протизапальну дію в організмі людини);

• сигнальна (гліколіпіди в складі мембран здійснюють сприйняття подразнень);

• антиоксидантна (вітаміни А і Е – речовини, що захищають клітини від небезпечних для процесів життєдіяльності вільних радикалів);

• травна (жовчні кислоти, фосфоліпіди, холестерол беруть участь в емульгації жирів та їх усмоктуванні. Окрім того, жири є розчинниками для вітамінів А, D, Е, K, і їх наявність у складі їжі суттєво впливає на засвоєння цих вітамінів організмом).

Отже, біологічні функції ліпідів є такими ж різноманітними, як і самі ліпіди.

Завдання на зіставлення

Установіть відповідність між запропонованими назвами ліпідів і визначеннями та отримайте назву методу вилучення речовин із суміші за допомогою певного розчинника.

Назви ліпідів: 1 – ланолін; 2 – спермацет; 3 – фосфоліпіди; 4 – жирні кислоти; 5 – жовчні кислоти; 6 – тестостерон; 7 – «вітамін F»; 8 – кутин; 9 – вітамін D; 10 – холестерин.

Визначення: А – стероїдний чоловічий статевий гормон; Е – вовняний віск, що одержують при промиванні овечої вовни; І – жиророзчинний вітамін, що регулює обмін Кальцію; К₁ – тваринний віск деяких китоподібних; К₂ – жиророзчинний вітамін як комплекс незамінних жирних кислот; С – складні ліпіди, що є основними компонентами клітинних мембран; Т – основні компоненти молекул ліпідів; Р – стероїдні сполуки, що здійснюють емульгацію жирів у травленні; Ц – рослинний віск, що утворює кутикулу листків; Я – стероїдна сполука, що відкладається в стінці кровоносних судин при атеросклерозі.

Ліпіди: властивості та функції

Ліпіди (від грец. ліпосом – жир) – велика група жирів і жироподібних речовин, які містяться в клітинах всіх живих організмів. Більшість з них – неполярні а, отже, гідрофобні.

У яких клітинах (тканинах, органах) рослин і тварин міститься найбільше ліпідів?

У живих організмах вміст ліпідів становить від 5 до 15% сухої маси. У клітинах жирової тканини воно досягає 90%. Високий вміст ліпідів характерно для нервової тканини, підшкірної клітковини, молока ссавців. Багато жирів в насінні і плодах деяких рослин (соняшнику, волоському горіху, маслини, льону, рицини, ріпаку, сої, кукурудзи).

Перелічіть групи ліпідів. Які основні біологічні функції характерні для кожної групи?

Жири – найбільш прості і широко поширені ліпіди. Їх молекули утворюються в результаті приєднання до молекули спирту гліцерину трьох залишків карбонових кислот (найчастіше вищих), які можуть бути однаковими або різними. Фосфоліпіди схожі за структурою до жирів, але в їх молекулі один залишок карбонової кислоти заміщений радикалом, що містить залишок фосфорної кислоти. Фосфоліпіди є основним компонентом клітинних мембран. До ліпідів відносяться також воски, що виконують в організмі рослин і тварин в основному захисну функцію. Ще одну групу ліпідів складають стероїди. Їх молекули не містять залишків карбонових кислот.

• Одна з основних функцій ліпідів – енергетична. При повному окисленні 1 г жирів до вуглекислого газу і води виділяється близько 39 кДж енергії, що набагато більше у порівнянні з повним окисленням такої ж кількості вуглеводів. Крім того, при окисленні 1 г жирів утворюється 1,05-1,1 г води.
• Важливою функцією ліпідів є будівельна (структурна). Фосфоліпіди, холестерин, ліпопротеїни, гліколіпіди – найважливіші компоненти клітинних мембран.
• Захисна функція ліпідів полягає в тому, що вони оберігають внутрішні органи від механічних пошкоджень (наприклад, нирки людини покриті жировим шаром, що захищає їх від травм, струсу при ходьбі та стрибках). Накопичуючись в підшкірній жировій клітковині, жири виконують теплоізоляційну функцію.
• Регуляторна функція. Статеві гормони і кортикостероїди регулюють процеси розвитку і розмноження, обміну речовин. Вітаміни групи D, які є похідними холестерину, відіграють важливу роль в обміні кальцію і фосфору. Жовчні кислоти беруть участь у травленні: вони забезпечують емульгування жирів їжі і всмоктування продуктів їх розщеплення.

Чому при кімнатній температурі одні жири тверді, а інші мають рідку консистенцію? Наведіть приклади твердих і рідких жирів.

Довжина вуглецевих ланцюгів і кількість подвійних зв’язків в залишках карбонових кислот визначають фізичні властивості того чи іншого жиру. Для жирів з короткими і (або) ненасиченими ланцюгами характерна низька температура плавлення. При кімнатній температурі вони мають рідку або мазеподібну консистенцію. І навпаки, жири з довгими і насиченими ланцюгами при кімнатній температурі являють собою тверді речовини.

Виявити подібність і відмінності в структурі і властивостях жирів і фосфоліпідів.

Подібність полягає в тому, що і жири і фосфоліпіди у своєму складі мають молекули гліцерину і залишок карбонової кислоти. Відмінності: у жирів 3 залишки карбонової кислоти, а у фосфоліпідів тільки один.

Багато тварин, що мешкають в умовах холодного клімату, мають товсту підшкірну жирову клітковину. Деякі мешканці степів і пустель також посилено запасають підшкірний жир. Які функції виконують жири в організмі цих тварин?

При окисленні 1 г жирів утворюється 1,05-1,1 г води, тому завдяки запасам жиру деякі тварини можуть тривалий час обходитися без неї. Наприклад, верблюди в пустелі витримують без води 10-12 діб.

Чому при окисленні жирів вивільняється більше енергії, ніж при окисленні такої ж кількості вуглеводів?

У окисленні беруть участь молекули вуглецю і водню. У жирах, у порівнянні з вуглеводами, цих атомів більше, тому при їх окисленні виділяється більше енергії.

Вміст запасних вуглеводів в клітинах рослин може досягати 90% сухої маси. В організмі тварин основні запаси зберігаються у вигляді жирів. Чим це можна пояснити?

При повному окисленні 1 г жирів до вуглекислого газу і води виділяється близько 39 кДж енергії, що набагато більше у порівнянні з повним окисленням такої ж кількості вуглеводів. Оскільки тварини більш рухливі, ніж рослини,їм потрібно більше енергії.