Материал: Биомолекулы. свойства, роль в биохимии человека, технологии получения. Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б

Контрольные вопросы

1. Дайте определение углеводам.

2. Охарактеризуйте моносахариды: состав, строение и свойства.

3. Охарактеризуйте олигосахариды: состав, строение и свойства.

4. Охарактеризуйте полисахариды.

5. Охарактеризуйте природные заменители сахара.

1. 8. Липиды и их биохимические функции

Липиды - органические вещества, характерные для живых организмов, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях (сероуглероде, хлороформе, эфире, бензоле), дающих при гидролизе высокомолекулярные жирные кислоты. Они не являются в отличие от белков и полисахаридов высокомолекулярными соединениями, их структура весьма разнообразна, они имеют лишь один общий признак – гидрофобность.

В организме липиды выполняют следующие функции:

1. энергетическую - являются резервными соединениями, основной формой запаса энергии и углерода. При окислении 1 г нейтральных жиров (триацилглицеролов) выделяется около 38 кДж энергии;

2. регуляторную – липидами являются жирорастворимые витамины и производные некоторых жирных кислот, которые участвуют в обмене веществ.

3. структурную - являются главными структурными компонентами клеточных мембран, образуют двойные слои полярных липидов, в которые встраиваются белки-ферменты;

4. защитную – защищает органы от механических повреждений и участвует в терморегуляции.

Образование запасов жира в организме человека и некоторых животных рассматривается как приспособление к нерегулярному питанию и к обитанию в холодной среде. Особенно большой запас жира у животных, впадающих в длительную спячку (медведи, сурки) и приспособленных к обитанию в условиях холода (моржи, тюлени). У плода жир практически отсутствует и появляется только перед рождением.

По структуре липиды можно подразделить на три группы:

• простые липиды – к ним относятся только эфиры жирных кислот и спиртов. Сюда относятся: жиры, воски и стериды;

• сложные липиды – в их состав входят жирные кислоты, спирты и другие компоненты различного химического строения. К ним относятся фосфолипиды, гликолипиды и т.д.;

• производные липидов – это в основном жирорастворимые витамины и их предшественники.

В тканях животных жиры находятся в частично свободном состоянии, в большей степени они составляют комплекс с белками.

По химическому составу, строению и функции, выполняемой в живой клетке, липиды подразделяются на пять групп (см. рис.10)

ЛИПИДЫ

стероиды

Рис. 10. Схема классификации липидов [6]

Жиры – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Это запасные вещества, накапливающиеся в очень больших количествах в семенах и плодах многих растений, входят в состав организма человека, животных, микробов и даже вирусов.

Химическое название – ацилглицериды, преобладают триацилглицериды (рис. 11)

Рис. 11. Схема молекулы жира:

R₁, R₂, R₃ – радикалы высокомолекулярных жирных кислот.

Жирные кислоты представляют собой длинноцепочечные монокарбоновые кислоты (содержат от 12 до 20 углеродных атомов).

Жирные кислоты, входящие в состав жиров, разделяются на насыщенные (не содержат двойных углерод-углеродных связей) и ненасыщенные, или непредельные (содержат одну и более двойную углерод-углеродную связь). Ненасыщенные жирные кислоты подразделяются:

1. на мононенасыщенные – содержат одну связь;

2. полиненасыщенные – содержат больше чем одну связь.

Из насыщенных кислот наибольшее значение имеют:

пальмитиновая (СН₃ – (СН₂)₁₄ – СООН) или С₁₅Н₃₁СООН;

стеариновая (СН₃ – (СН₂)₁₆ – СООН) или С₁₇Н₃₅СООН;

Наиболее важные из ненасыщенных жирных кислот – олеиновая, линолевая и линоленовая.

СН₃ – (СН₂)₇ – СН = СН – (СН₂)₇ – СООН – олеиновая кислота или С₁₇Н₃₃СООН;

СН₃–(СН₂)₄–СН= СН – СН₂ – СН = СН – (СН₂)₇ – СООН – линолевая кислота или С₁₇Н₃₁СООН;

СН₃–СН₂–СН=СН–СН₂–СН=СН–СН₂–СН=СН – (СН₂)₇ – СООН – линоленовая или С₁₇Н₂₉СООН.

Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот, их количественным соотношением, процентным содержанием свободных, несвязанных с глицерином жирных кислот.

Если в составе жира преобладают насыщенные (предельные) жирные кислоты, то жир имеет твердую консистенцию. Напротив, в жидких жирах преобладают непредельные (ненасыщенные) кислоты. Жидкие жиры называют маслами.

Показателем насыщенности жира служит йодное число – количество миллиграмм йода, способного присоединиться к 100 г жира по месту разрыва двойных связи в молекулах непредельных кислот. Чем больше в молекуле жира двойных связей (выше его ненасыщенность), тем выше его йодное число.

Другой важный показатель – число омыления жира. При гидролизе жира образуются глицерин и жирные кислоты. Последние со щелочами образуют слои, называемые мылами, а процесс их образования называется омыление жиров.

Число омыления – количество КОН (мг), идущего на нейтрализацию кислот, образующихся при гидролизе 1 г жира.

Особенностью жиров является их способность к образованию в определенных условиях водных эмульсий, что важно для питания организма. Примером такой эмульсии служит молоко – секрет молочных желез млекопитающих и человека. Молоко представляет собой тонкую эмульсию жира молока в его плазме. В 1 мм³ молока содержится до 5-6 млн молочных жировых шариков диаметром около 3 мкм. Липиды молока состоят преимущественно из триглицеридов, в которых преобладают олеиновая и пальмитиновая кислоты.

Полиненасыщенные жирные кислоты: олеиновая, линолевая, линоленовая и арахидоновая – называют незаменимыми (эссенциальными), т.к. они необходимы человеку. Полиненасыщенные жирные кислоты способствуют выделению из организма холестерина, предупреждая и ослабляя атеросклероз, повышают эластичность кровеносных сосудов.

Благодаря тому, что в ненасыщенных жирных кислотах есть двойные связи, они очень легко окисляются. Процесс окисления жира может идти сам по себе за счет присоединения кислорода воздуха по месту двойных связей, однако он может значительно ускоряться под влиянием фермента липоксигеназы.

Воски – сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и одноатомных спиртов с длинной углеродной цепью (рис. 12). Это твердые соединения с ярко выраженными гидрофобными свойствами. Жирные кислоты в них содержат от 24 до 30 углеродных атомов, а высокомолекулярные спирты – 16-30 атомов углерода.

R₁ – CH₂ – O – CO – R₂

Рис. 12. Схема молекулы воска: R₁, R₂ – радикалы высокомолекулярных

жирных кислот и одноатомных спиртов

Например, С₁₅Н₃₁СО-ОС₃₁Н₆₃ – пчелиный воск и С₂₅Н₅₁СО-О-С₂₆Н₅₃ – китайский воск.

Основная функция природных восков – образование защитных покрытий на листьях, стеблях и плодах растений, которые предохраняют плоды от высыхания и поражения микроорганизмами. Под покровом из пчелиного воска хранится мед и развиваются личинки пчелы. Ланолин – воск животного происхождения, предохраняет волосы и кожу от действия воды. Воска вырабатываются и используются в очень больших количествах морскими организмами, особенно планктонными, у которых они служат основной формой накопления высококалорийного клеточного топлива. Поскольку киты, сельди, лососевые и многие другие виды морских животных питаются главным образом планктоном, содержащиеся в нем воска играют важную роль в морских пищевых цепях в качестве основного источника липидов.

Фосфатиды (фосфолипиды) – жиры, содержащие в своем составе фосфорную кислоту, связанную с азотистым основанием или другим соединением (В) (рис. 13).

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.

Рис. 13. Схема молекулы фосфолипида: R₁, R₂ – радикалы, В – остаток холина

Если В представляет собой остаток холина, то фосфатид называется лецитином.

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. Фосфолипиды замедляют синтез коллагена и повышают активность коллагеназы (фермента, разрушающего коллаген). Поскольку коллаген определяет замещение эпителиальной ткани соединительной, фосфолипиды оказывают противорубцовый эффект.

Фосфолипиды – поверхностно активные вещества, улучшающие хлебопекарные достоинства пшеничной муки. Фосфолипиды применяются в пищевой промышленности в качестве эмульгаторов – веществ, способствующих образованию эмульсий.

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

К минорным липидам относятся свободные жирные кислоты, жирорастворимые витамины, биологически активные вещества липидной природы.

Стероиды – сложные жирорастворимые вещества, молекулы которых содержат четыре конденсированных кольца. Наиболее широко распространенными стероидами являются стеролы, то есть стероидные спирты. Основной стерол в тканях животных – холестерол.

Дополнительная информация

Методы контроля показателей качества жиров [13]

Знания данных методов необходимы для выполнения практических работ по дисциплине «Биохимия и биотехнологии».

Определение кислотного числа. Кислотное число (Ч_К) – количество миллиграммов гидроксида калия, необходимое для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 грамме жира. Кислотное число масел и жиров является одним из качественных показателей, нормируется стандартами и нормативными документами, зависит от качества сырья, способа получения масла или жира, условий их хранения и других факторов. Для определения количественного содержания в жире свободных жирных кислот используют такой показатель, как число нейтрализации (Ч_Н). Число нейтрализации показывает количество миллиграммов гидроксида калия, необходимое для нейтрализации 1 грамма жирных кислот. Следовательно, число нейтрализации соответствует 100%-му содержанию свободных жирных кислот, на основании чего можно составить отношение

Х=100Ч_К/Ч_Н,

где X – содержание свободных жирных кислот в жире, %; Ч_К – кислотное число масла, мг КОН/г; Ч_Н – число нейтрализации жирных кислот, мг КОН/г.

Число нейтрализации индивидуальных жирных кислот – величина постоянная. Для растительных масел (подсолнечного, рапсового, соевого), являющихся наиболее распространенными в нашей стране, числа нейтрализации смеси кислот, входящих в их состав, практически можно считать одинаковыми и близкими к числу нейтрализации олеиновой кислоты – 198,75 мг КОН/г. Поэтому содержание свободных жирных кислот в процентах (кислотность) в этих маслах в условном пересчете на олеиновую кислоту можно рассчитать по формуле

Х=100Ч_К/198,75 = 0,503Ч_К,

или, округленно, Х= 0,5 Ч_К.

Если пересчет ведут не на олеиновую кислоту, а на какую-либо другую, характерную для данного жира, то вводят другой коэффициент. В табл. 7 представлены коэффициенты пересчета для некоторых жиров и масел.

При определении кислотного числа нерафинированных масел, содержащих кроме свободных жирных кислот другие продукты кислого характера, например, фосфолипиды и другие, результат будет несколько выше, так как гидроксид калия дополнительно расходуется на взаимодействие с этими соединениями.

Методика определения кислотного числа масел и жиров стандартизирована и предусматривает использование различных методов определения в зависимости от степени очистки и цветности продуктов: индикаторный, солевой и потенциометрический.

Таблица 7

Коэффициенты пересчета кислотного числа чк жира на процентное содержание свободных жирных кислот (кислотность, %)