Липоиды. Биологическое значение

ФГОУ  ВПО 

«Омский государственный аграрный университет имени П.А.Столыпина» 
 
 
 

Реферат по дисциплине органическая химия 

Липоиды. Биологическое значение 
 
 
 
 

     Выполнила:

       студентка 22 группы ФПТ

   Нагорная М.С. 

   Проверила:

   Зятнина Е.М. 

Омск 2012 г. 

     Содержание 

1. Введение
2. Простые липиды жиры.
3. Физико-химические свойства жиров, аналитическая характеристика
4. Сложные липиды. Классификация липоидов в организме человека
1. Фосфолипиды
2. Гликолипиды
3. Стероиды
5. Животные жиры и растительные масла
6. Применение и биологическое значение
7. Вывод
8. Список литературы

      Введение

      В настоящее время заметно возрос интерес к липидам со стороны  всех направлений медико-биологической  науки. Прежде всего - это связано  с теми функциями, которые липиды выполняют в организме растений, животных и человека. Исследования трёх последних десятилетий показали, что липиды не только источник и форма хранения информации. Сложные липиды и их природные комплексы являются основой строения биологических мембран и в составе ее осуществляют важнейшие жизненные процессы. Установлено также, что серьезные поражения нервной системы, расстройства сердечно-сосудистой системы тесно связаны с нарушением обмена липидов

      К липидам относятся жиры и жироподобные вещества (липоиды) растительного и животного происхождения. Обычно их разделяют на две группы: простые липиды - жиры и сложные липиды, к которым относятся фосфатиды, цереброзиды и фосфосфингозиды. В биохимии к липидам часто относят и свободные длинноцепочечные кислоты жиров, стерины, воски и некоторые другие, растворимые в неполярных растворителях органические соединения.

      В последние годы выявлена крайне важная роль сложных липидов в функционировании клеточных мембран. Все клеточные мембраны, помимо белка и полисахаридов, содержат от 20 до 75% полярных и нейтральных липидов (фосфолипиды, сфинголипиды, гликосфингозиды, холестерин и жирные кислоты). Липиды образуют бимолекулярный слой толщиной около 5 нм с полярными группами по обе стороны слоя, в которой вкраплены белковые субчастицы и структурированная вода. Этот слой регулирует обмен веществ в клетках, определяя проницаемость мембран для ионов, неэлектролитов и воды.

     Липиды (от греч. lípos — жир), жироподобные вещества, входящие в состав всех живых клеток и играющие важную роль в жизненных процессах. Будучи одним из основных компонентов биологических мембран, Липиды влияют на проницаемость клеток и активность многих ферментов, участвуют в передаче нервного импульса, в мышечном сокращении, создании межклеточных контактов, в иммунохимических процессах. Другие функции липидов — образование энергетического резерва и создание защитных водоотталкивающих и термоизоляционных покровов у животных и растений, а также защита различных органов от механических воздействий. 

       Большинство липидов — производные  высших жирных кислот, спиртов  или альдегидов. В зависимости от химического состава липиды подразделяют на несколько классов (см. таблицу). 
 
 
 

     Химические  и физические свойства Л. определяются наличием в их молекулах как полярных группировок ( —COOH, —OH, —NH₂ и др.), так и неполярных углеводородных цепей. Благодаря такому строению большинство Л. является поверхностно-активными веществами, умеренно растворимыми в неполярных растворителях (петролейном эфире, бензоле и др.) и очень мало растворимыми в воде.

       Жиры или липиды – это группа разнообразных по строению веществ, обладающих одинаковыми физико-химическими свойствами: они не растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (бензол, толуол, бензин, гексан и др.) 

      Простые липиды жиры

     Жиры, органические соединения, полные сложные эфиры глицерина (триглицериды) и одноосновных жирных кислот; входят в класс липидов. Наряду с углеводами и белками жиры — один из главных компонентов клеток животных, растений и микроорганизмов. Строение жиров отвечает общей формуле:   

      CH₂-O-CO-R’ 

      I 

      CH-О-CO-R’’ 

       I 

      CH₂-O-CO-R’’’, 

       где R’, R’’ и R’’’ — радикалы жирных кислот. Все известные природные Ж. содержат в своём составе три различных кислотных радикала, имеющих неразветвлённую структуру и, как правило, чётное число атомов углерода.

     Из  насыщенных жирных кислот в молекуле жира чаще всего встречаются стеариновая и пальмитиновая кислоты, ненасыщенные жирные кислоты представлены в основном олеиновой, линолевой и линоленовой кислотами. Физико-химические и химические свойства жиров в значительной мере определяются соотношением входящих в их состав насыщенных и ненасыщенных жирных кислот.

     Молекула  жира состоит из остатка спирта - глицерина  и  трех остатков жирных кислот, соединенных сложноэфирной связью. Жирные кислоты, входящие в состав жиров, делятся на предельные, или насыщенные, (не имеют двойных связей)  и  непредельные, или ненасыщенные, (содержат одну или несколько двойных связей). Наиболее часто в состав природных жиров входят жирные кислоты, содержащие 16 или 18 атомов углерода (насыщенные: пальмитиновая, стеариновая; ненасыщенные: олеиновая, линолевая). Жиры разного происхождения отличаются набором жирных кислот, входящих в их состав. Жиры нерастворимы в воде. Однако, в присутствии особых веществ – эмульгаторов – жиры при смешивании с водой образуют устойчивую смесь – эмульсию. Пример эмульсии – молоко, а пример эмульгатора – мыла – натриевые соли жирных кислот. В организме человека в роли эмульгаторов выступают желчные кислоты и некоторые белки. 

Физико-химические свойства жиров, аналитическая  характеристика 

Физические  свойства жиров

      Как правило, жиры не выдерживают перегонки  и разлагаются, даже если их перегоняют при пониженном давлении.

      Температура плавления, а соответственно и консистенция жиров зависят от строения кислот, входящих в их состав. Твердые жиры, т.е. жиры, плавящиеся при сравнительно высокой температуре, состоят преимущественно из глицеридов предельных кислот (стеариновая, пальмитиновая), а в маслах, плавящихся при более низкой температуре и представляющих собой густые жидкости, содержатся значительные количества глицеридов непредельных жирных кислот (олеиновая, линолевая, линоленовая).

      Так как природные жиры представляют собой сложные смеси смешанных  глицеридов, они плавятся не при определенной температуре, а в определенном температурном интервале, причем предварительно они размягчаются. Для характеристики жиров применяется, как правило, температура затвердевания, которая не совпадает с температурой плавления – она несколько ниже. Некоторые природные жиры – твердые вещества; другие же – жидкости (масла). Температура затвердевания изменяется в широких пределах: -27 ⁰С у льняного масла, -18 ⁰С у подсолнечного, 19-24 ⁰С у коровьего и 30-38 ⁰С у говяжьего сала.

      Температура затвердевания жира обусловлена характером составляющих его кислот: она тем выше, чем больше содержание предельных кислот.

      Жиры  нерастворимы в воде, однако они  могут образовывать эмульсии, которые  стабилизируются в присутствии  таких поверхностно-активных веществ (эмульгаторов), как белки, мыла и некоторые сульфокислоты, главным образом в слабощелочной среде. Природной эмульсий жира, стабилизированной белками, является молоко. 

  Химические свойства  жиров

      Гидролиз. Среди реакций жиров особое значение имеет гидролиз, который можно осуществить как кислотами, так и основаниями (щелочной гидролиз называют омылением):  

      Гидролиз  жиров идет постепенно; например, при  гидролизе тристеарина получается сначала дистеарин, затем моностеарин и, наконец, глицерин и стеариновая кислота.

      Практически гидролиз жиров производят или перегретым паром, или же нагреванием в присутствии серной кислоты или щелочей. Превосходными катализаторами гидролиза жиров являются сульфокислоты, получаемые сульфированием смеси непредельных жирных кислот с ароматическими углеводородами (контакт Петрова). В семенах клещевины находится особый фермент – липаза, ускоряющий гидролиз жиров. Липаза широко применяется в технике для каталитического гидролиза жиров.

      Реакции присоединения. Двойные связи непредельных кислот, входящих в состав жира, могут быть прогидрированы каталитическим путем, они присоединяют бром и йод.

      В связи с тем, что твердых жиров  не хватает для технического использования  и пищевых целей, большое техническое значение приобрело превращение более дешевых жидких жиров в твердые. Это превращение осуществляется путем каталитического гидрирования двойных связей кислот жидких жиров, при этом жидкие ненасыщенные жиры переходят в твердые насыщенные, поэтому процесс называют также отверждением жиров. В качестве сырья применяют жир морских млекопитающих и растительные масла – подсолнечное, хлопковое и др. Гидрирование проводится в жидкой фазе при 160-200 ⁰С и 2-15 атм. в присутствии никелевых катализаторов. Продукты гидрирования известны под различными названиями (салолин, саломас и др.).

      Гидрогенезированные жиры сходны во всех отношениях с природными твердыми жирами. Гидрогенизацией некоторых распространенных растительных масел (масло земляного ореха, хлопковое, соевое) получают пищевые жиры. Так, искусственное масло, или маргарин, представляет собой эмульсию гидрогенизированного растительного жира в молоке; он имеет вид, консистенцию, запах и вкус сливочного масла. Запах и вкус придаются предварительным брожением молока с особыми видами молочных бактерий, вызывающих частичное окисление и синтезирующих диацетил – основное душистое вещество сливочного масла. Иногда прибавляют и синтетический диацетил. Для стабилизации эмульсии в маргарин вводят также природные эмульгаторы, такие, как яичный желток или лецитин, выделенный из желтка или сои. 

Аналитическая характеристика жиров

      Кроме температуры плавления и затвердевания, для характеристики жиров применяются следующие величины: кислотное число, число омыления, йодное число.

      Природные жиры нейтральны. Однако при переработке  или хранении вследствие процессов гидролиза или окисления образуются свободные кислоты, количество которых непостоянно. Кислотное число представляет собой число миллиграммов гидроксида калия, необходимое для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г жира.

      Число омыления равно числу миллиграммов гидроксида калия, расходующихся при  омылении 1 г жира кипячением последнего с избытком гидроксида калия в  спиртовом растворе. Число омыления чистого триолеина равно 192. Высокое число омыления указывает на присутствие кислот с «меньшими молекулами». Малые числа омыления указывают на присутствие более высокомолекулярных кислот или же неомыляемых веществ. При взаимодействии с щелочами жиры гидролизуются с образованием солей высокомолекулярных кислот, называемых «мылами».

      Йодное  число выражается числом граммов  йода, которое может присоединяться по двойным связям к 100 г жира. Для определения йодного числа применяют растворы хлорида йода ICl, бромида йода IBr, или йода в растворе сулемы, которые более реакционноспособны, чем сам йод. Йодное число является мерой ненасыщенности кислот жиров. Оно важно для оценки качества высыхающих масел. 
 
 
 

     Сложные липиды

      Ткани головного и спинного мозга и  главным образом биологические мембраны содержат сложные структурные единицы, построенные из белка холестерина и фосфолипидов - фосфатидов. Все сложные липиды содержат остаток жирных кислот. Спиртовая часть может быть представлена глицерином, сфингозином, инозитом.

Липоиды  являются обязательными компонентами всех биологических мембран. В организме человека имеются три класса липоидов: фосфолипиды, гликолипиды  и  стероиды. 

  В организме животных  и человека можно  выделит три класса  липоидов. 

1. Фосфолипиды, состоящие из жирных кислот, спирта и обязательно фосфорной кислоты.

Фосфолипи́ды  — сложные липиды, сложные эфиры  многоатомных спиртов и высших жирных кислот. Содержат остаток фосфорной  кислоты и соединенную с ней  добавочную группу атомов различной  химической природы. 

Классификация фосфолипидов

В зависимости  от входящего в их состав многоатомного  спирта принято делить фосфолипиды на группы:

глицерофосфолипиды (глицерофосфатиды) - содержат остаток  глицерина 

фосфатидилхолин (лецитин)

фосфатидилэтаноламин (кефалин)

фосфатидилсерин

кардиолипин

плазмены  или плазмогены (этаноламиновый плазмоген)

фосфосфинголипиды - содержат остаток сфингозина

сфингомиелины

фосфоинозитиды - содержат остаток инозитола 

фосфатидилинозитол 

Свойства  фосфолипидов

• Фосфолипиды — сложные липиды, в которых содержатся жирные кислоты, фосфорная кислота и дополнительная группа атомов, во многих случаях содержащая азот. Они есть во всех живых клетках. Содержатся в нервной ткани, участвуют в транспорте жиров, жирных кислот и холестерина.

• Фосфолипиды входят в состав всех клеточных мембран. Между плазмой и эритроцитами происходит обмен фосфолипидами, которые играют важнейшую роль, поддерживая в растворимом состоянии неполярные липиды. Наиболее распространенная группа Фосфолипидов — фосфоглицериды, также к фосфолипидам относятся фосфосфинголипиды и фосфоинозитиды.

• Фосфолипиды — амфифильные вещества. Они состоят  из полярной «головки», в состав которой  входит глицерин или другой многоатомный спирт, отрицательно заряженный остаток  фосфорной кислоты и часто несущая положительный заряд группа атомов, и двух неполярных «хвостов» из остатков жирных кислот. Главная особенность фосфолипидов состоит в том, что «головка» у них гидрофильна, а «хвосты» гидрофобны. Это позволяет при нахождении в толще водной среды образовывать бислой — двойной слой фосфолипидных молекул, где гидрофильные головы с обеих сторон соприкасаются с водой, а гидрофобные хвосты упрятаны внутрь бислоя и тем самым защищены от контакта с водой.

   Это определяет многие физические и химические свойства фосфолипидов, например, способность формировать липосомы и биологические мембраны (липидный бислой). Химическая структура полярной «головки» определяет суммарный электрический заряд и ионное состояние фосфолипида. «Хвосты» контактируют с липидным окружением, а «головки» — с водным, так как неполярные жирные хвосты не могут соприкасаться с водой. 

Биологическая роль фосфолипидов

Главный липидный компонент клеточных мембран. Они сопутствуют жирам в пище и служат источником фосфорной кислоты, необходимый для жизни человека. 

• Фосфолипиды являются важной частью клеточных мембран. Они обеспечивают текучие и пластические свойства мембран клеток и клеточных  органоидов, в то время как холестерин обеспечивает жёсткость и стабильность мембран. Как фосфолипиды, так и холестерин часто входят в состав липопротеидов клеточных мембран, но имеются в мембранах и в свободном, не связанном с белками состоянии. Соотношение холестерин/фосфолипиды в основном и определяет текучесть либо жёсткость клеточной мембраны.

• Фосфолипиды участвуют в транспорте жиров, жирных кислот и холестерина. Между плазмой и эритроцитами происходит обмен фосфолипидами, которые играют важнейшую роль, поддерживая в растворимом состоянии неполярные липиды. Будучи более гидрофильными, чем холестерин, благодаря наличию в молекуле остатков фосфорной кислоты, фосфолипиды являются своеобразными «растворителями» для холестерина и других высоко гидрофобных соединений. Соотношение холестерин/фосфолипиды в составе липопротеидов плазмы крови наряду с молекулярным весом липопротеидов (ЛПВП, ЛПНП или ЛПОНП) предопределяет степень растворимости холестерина и его атерогенные свойства. Соотношение холестерин/фосфолипиды в составе желчи предопределяет степень литогенности желчи - степень склонности к выпадению холестериновых желчных камней.

• Фосфолипиды замедляют синтез коллагена и  повышают активность коллагеназы (фермента, разрушающего коллаген). Поскольку  коллаген определяет замещение эпителиальной  ткани соединительной, фосфолипиды  оказывают противорубцовый (антифибротический) эффект[источник не указан 24 дня].

Производные фосфолипидов инозитол 1,4,5-трифосфат  и диацилглицерол - важнейшие внутриклеточные  вторичные мессенджеры. 

2. Гликолипиды, состоящие из жирной кислоты, спирта и какого-нибудь простого углевода, чаще всего галактозы.

Гликолипиды — (от греч. γλυκός, glykos — сладкий  и греч. λίπος, lípos — жир) сложные  липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами. У гликолипидов имеются полярные «головы» (углевод) и неполярные «хвосты» (остатки жирных кислот). Благодаря данному свойству, вместе с фосфолипидами, гликолипиды входят в состав клеточных мембран.

     Гликолипиды широко представлены в тканях, особенно в нервной ткани, в частности  в ткани мозга. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности. 

Классификация и Функции

     Главной формой гликолипидов в животных тканях являются гликосфинголипиды. Они содержат церамид, а также один или несколько остатков сахаров. Двумя простейшими соединениями этой группы являются галактозилцерамид (GalCer) и глюкозилцерамид (ClcCer). Галактозилцерамид — главный гликосфинголипид мозга и других нервных тканей, но в небольших количествах он встречается и во многих других тканях. Простые гликосфинголипиды в тканях, отличных от нервной, представлены главным образом глюкозилцерамидом; в небольших количествах он имеется и в ткани мозга.

     Гликосфинголипиды, являющиеся компонентами наружного слоя плазматической мембраны, могут участвовать в межклеточных взаимодействиях и контактах. Некоторые из них являются антигенами, например антиген Форссмана и вещества, определяющие группы крови системы АВ0. Сходные олигосахаридные цепи обнаружены и у других гликопротеинов плазматической мембраны. Ряд ганглиозидов функционирует в качестве рецепторов бактериальных токсинов (например, холерного токсина, который запускает процесс активации аденилатциклазы). 

3. Стероиды, содержащие сложное стерановое кольцо.

Стероиды  — вещества животного или реже растительного происхождения, обладающие высокой биологической активностью.

      Все рассмотренные липиды принято называть омыляемыми, поскольку при их щелочном гидролизе образуются мыла. Однако имеются липиды, которые не гидролизуются с освобождением жирных кислот. К таким липидам относятся стероиды. Стероиды - широко распространенные в природе соединения. Они часто обнаруживаются в ассоциации с жирами. Их можно отделить от жира путем омыления (они попадают в неомыляемую фракцию). Все стероиды в своей структуре имеют ядро, образованное гидрированным фенантреном (кольца А, В и С) и циклопентаном (кольцо D).

      Фенантрен Пергидрофенантрен Общая структурная  основа стероидов. 

      К стероидам относятся, например, гормоны коркового вещества надпочечников, желчные кислоты, витамины группы D, сердечные гликозиды и другие соединения. В организме человека важное место среди стероидов занимают стерины (стеролы), т. е. стероидные спирты. Главным представителем стеринов является холестерин (холестерол).

      Ввиду сложного строения и асимметрии молекулы стероиды имеют много потенциальных стереоизомеров. Каждое из шестиуглеродных колец (кольца А, В и С) стероидного ядра может принимать две различные пространственные конформации - конформацию «кресла» либо «лодки».

      В природных стероидах, в том числе  и в холестерине, все кольца в  форме «кресла», что является более устойчивой конформацией. В свою очередь по отношению друг к другу кольца могут находиться в цис- или транс-положениях.

      Холестерин. Как отмечалось, среди стероидов  выделяется группа соединений, получивших название стеринов (стеролов). Для стеринов характерно наличие гидроксильной группы в положении 3, а также боковой цепи в положении 17. У важнейшего представителя стеринов - холестерина - все кольца находятся в транс-положении; кроме того, он имеет двойную связь между 5-м и 6-м углеродными атомами. Следовательно, холестерин является ненасыщенным спиртом. Кольцевая структура холестерина отличается значительной жесткостью, тогда как боковая цепь - относительной подвижностью. Итак, холестерин содержит спиртовую гидроксильную группу при С-3 и разветвленную алифатическую цепь из 8 атомов углерода при С-17. Химическое название холестерина 3-гидрокси-5,6-холестин. Гидроксильная группа при С-3 может быть эстерифицирована высшей жирной кислотой, при этом образуются эфиры холестерина (холестериды).

      Холестерин - источник образования в организме  млекопитающих желчных кислот, а  также стероидных гормонов. Физиологические  функции холестерина многообразны. 

     Животные  жиры и растительные масла

     Природные жиры подразделяют на жиры животные и растительные.

Жиры животные, природные продукты, получаемые из жировых тканей животных; представляют собой смесь триглицеридов высших насыщенных или ненасыщенных жирных кислот, состав и структура которых определяют основные физические и химические свойства животных жиров. При преобладании насыщенных кислот животные жиры имеют твёрдую консистенцию и сравнительно высокую температуру плавления; такие жиры содержатся в тканях наземных животных (например, говяжий и бараний жиры). Жидкие животные жиры входят в состав тканей морских млекопитающих и рыб, а также костей наземных животных. Характерная особенность жиров морских млекопитающих и рыб — наличие в них триглицеридов высоконепредельных жирных кислот. Йодное число у этих жиров 150—200.

     Особое  место среди животных жиров занимает молочный жир, которого в масле коровьем до 81—82,5%; в коровьем молоке содержится 2,7—6,0% молочного жира. В состав молочного жира входит до 32% олеиновой, 24% пальмитиновой, 10% миристиновой, 9% стеариновой и др. кислоты (общее содержание их достигает 98%). Молочный жир сложная смесь глицерида в которой все три кислоты различны т.е с разной степенью твердости. Количество жира в молоке колеблется от 2 до 6%, в среднем жирность составляет 3,4%. В свежее выдоенном молоке, молочный жир находится в жидком состоянии. Молочный жир выделенный из молока содержит сопутствующие жироподобные вещества или природные смеси. К  ним  относятся фосфолипиды, гликолипиды, стерины, жирорастворимые пигменты (каротин),витамины (А, D, Е) диамоноглицириды  и  свободные жирные кислоты. Фосфолипиды способствует обмену липида, стерин служит исходным материалом для синтеза витамина D. Каротин для образования витамина А. Витамин является естественным антиокислителем жира. Молочный жир находится в молоке в виде жировых шариков диаметром 1-5мкм.

     В молоке в небольшом количестве содержатся жироподобные вещества, называемые  липоидами. К  ним  относят фосфатиды  и  стерины. В молоке в среднем содержится 0,03 - 0,05% фосфатидов. Молекула фосфатидов состоит из трех молекул жирных кислот в сочетании с глицерином  и  фосфором. Содержание стеринов в молоке 0,012-0,014%. В основном  они  находятся в оболочке жировых шариков. Эргостерины под действием ультрафиолетовых лучей превращаются в витамин D.  Липоиды  имеют большое  значение  в технологических процессах, особенно в маслоделии.