Функции липидов

Что такое липиды и для чего они нужны

Липиды неполярны и характеризуются, как следствие, гидрофобностью. Вещества не сохраняют стабильность при контакте с водой, но растворяются в таких материалах органического происхождения, как эфир, бензол, хлороформ.

Некоторые клетки содержат липиды в малой концентрации, около нескольких процентов, а в других их объем может достигать 90% от общего, к примеру, в семенах подсолнечника, подкожной жировой клетчатке.

Структура липидов разнообразна. Вещества невозможно классифицировать по общему признаку химического строения. Выделяют несколько классов, в которых объединены молекулы, имеющие схожее химическое строение и обладающие идентичными биологическими свойствами. Ткани человека содержат существенно разное количество неодинаковых классов липидов. К примеру, жировая ткань включает до 75% жиров от общего сухого веса. Нервные ткани характеризуются концентрацией липидов до 50% сухого веса, в том числе фосфолипидов и сфингомиелинов (30%), холестерола (10%), ганглиозидов и цереброзидов (7%). Для печени эти показатели не более 10-13%. Если обмен липидов в клеточном организме нарушен, велика вероятность развития многих болезней, в том числе ожирения и атеросклероза.

Классификация липидов, какие функции выполняют в организме

Липиды имеют разнообразное химическое строение. Однако настоящими липидами считают сложные эфиры высших жирных кислот и любого спирта. Согласно стандартной классификации, выделяют следующие типы:

• простые;
• сложные.

К категории простых липидов относят:

• триацилглицеролы в виде нейтральных жиров;
• воска.

Нейтральные жиры наиболее распространены в природном мире. Процесс образования молекул связан с присоединением трех остатков высокомолекулярных жирных кислот к одной молекуле, принадлежащей трехатомному спирту глицерина. В данной группе выделяют разные типы соединений:

• жиры, которые сохраняют твердость структуры при температуре 20 градусов;
• масла, приобретающие жидкое состояние при температуре 20 градусов.

Воска покрывают поверхность эпидермиса, шерстяной и перьевой покров животных. Такая защита смягчает структуру тканей и обеспечивает барьер для воды. Кроме того, из воска построены пчелиные соты.

В организме животных, способных впадать в спячку, формируется большой резервный запас жира. Вещества расходуются, пока животное находится в спячке. Позвоночные организмы накапливают жир в жировой клетчатке под кожей, что является хорошей теплоизоляционной защитой.

Для растений характерно накопление не жиров, а масел. Они содержатся в большой концентрации в семенах, плодах, хлоропластах. Некоторые виды семян такие, как семена кокосовой пальмы, клещевины, сои, подсолнечника, незаменимы для производства масла в промышленных масштабах.

К природным воскам относят пчелиный воск и спермацет. Они активно используются в медицинской и парфюмерной отрасли промышленности. Спермацет получают путем извлечения из головного мозга кашалота. Вещество обладает свойством хорошо впитываться в кожу и применяется в качестве основного компонента мазей и кремов. Пчелиный воск часто используют в медицинских целях, чтобы изготовить мазь, а также крема и маски с питательным, отбеливающим, очищающим эффектом.

К уровню сложных липидов относят:

• фосфолипиды;
• гликолипиды;
• стероиды.

Фосфолипиды обладают схожей структурой с нейтральными жирами, но отличаются от них наличием в молекуле остатка фосфорной кислоты, который заместил один или пару остатков жирных кислот.

Образование гликолипидов связано с процессом соединения липидов и углеводов. Такие вещества можно часто наблюдать в тканях, включая нервную ткань в мозге.

Стероиды и терпены относятся к группе липидов, которые не имеют жирных кислот и характеризуются особой структурой. К данному типу липидов относят:

• прогестерон и эстроген в виде женских половых гормонов;
• тестостерон, который представляет собой мужской половой гормон, изображен на рисунке ниже

Терпенами являются вещества, определяющие запах, которым обладают эфирные масла растений, к примеру, ментол, мята, камфара.

Функции липидов

Липиды играют важную роль в функционировании организма. Они выполняют следующие функции:

• энергетическая;
• запасающая;
• защитная;
• структурная;
• регуляторная.

Если липиды полностью окисляются, то по формуле с 1 грамма высвобождается 38,9 кДж энергии. Данный показатель превышает в 2 раза аналогичные характеристики процесса окисления 1 грамма углеводов. Жиры представляют собой основное запасающее вещество у животных и некоторых видов растений. Такие вещества могут использоваться в качестве источника воды. Например, окисляя 1 грамм жира, получают свыше 1 грамма воды. Такая функция особенно полезна для животных, которые обитают в засушливых районах планеты.

Липиды характеризуются выраженными термоизоляционными свойствами, что позволяет им защищать организм от перепадов температуры. Кроме того, они выполняют функцию защиты от механического и физического воздействия. Тело растений, покрыто воском, что предотвращает избыточное испарение влаги. Данное свойство необходимо растительным организмам, произрастающим в условиях дефицита воды.

В совокупности с белками липиды представляют собой структурные компоненты, характерные для всех биологических мембран. Липиды участвуют во внутренних процессах организма, в частности, регулировке физиологических функций. Это объясняется тем фактом, что некоторые из липидов являются гормонами.

Биохимия и метаболизм липидов

По определению, липиды являются органическими веществами, которые характерны для живых организмов, не растворяются в воде, но растворяются в органических растворителях и в других липидах.

Липиды, которые содержаться в человеческом организме, классифицируют следующим образом:

1. Гликолипиды, с содержанием углеводного компонента.
2. Жиры, в виде эфиров глицерина и высших жирных кислот.
3. Минорные липиды, являются свободными жирными кислотами, жирорастворимыми витаминами, биологически активными веществами липидной природы.
4. Стероиды, в основе которых полициклическая структура циклопентанпергидрофенантрен-стеран.
5. Стерины или спирты, наиболее важным из них является холестерин.
6. Стериды, в виде эфиров стеринов и высших жирных кислот.
7. Фосфолипиды, с отличительной особенностью в форме остатка фосфорной кислоты в составе молекулы.

Отличительной чертой разных групп липидов является степень гидрофобности. Фосфолипиды и гликолипиды относятся к полярным липидам. Для холестерина характерно промежуточное положение между полярным и абсолютно гидрофобным состоянием. Триглицериды и эфиры холестерина относят к липидам с абсолютной гидрофобностью. Липиды в большинстве своем, за исключением стеринов и определенных минорных липидов, включают в состав высшие жирные кислоты. Мембраны состоят лишь из фосфолипидов, гликолипидов и холестерина.

Организм человека содержит жирные кислоты, которые так называют в том случае, когда количество атомов углерода в молекуле превышает 4. Мембраны состоят из:

• фосфолипидов;
• гликолипидов;
• холестерина.

Характеристики жирных кислот по числу атомов углерода и двойных связей:

• С16 : 0 — пальмитиновая;
• С18 : 0 — стеариновая;
• С18 : 1 — олеиновая (9 : 10);
• С18 : 2 — линолевая (9-10,12-13);
• С18 : 3 — линоленовая (9-10, 12-13, 15-16);
• С20 : 4 — арахидоновая (5-6, 8-9, 12-13, 15-16).

В случае жирных кислот, которые характерны для организма человека, можно отметить их общие черты строения:

• углеродные атомы представлены в четном количестве;
• углеродная цепь является линейной или неразветвленной;
• для полиненасыщенных жирных кислот характерны исключительно изолированные двойные связи, то есть между близлежащими двойными связями наблюдается от двух и более одинарных;
• для двойных связей характерна только цис-конфигурация.

В зависимости от числа двойных связей жирные кислоты классифицируют, таким образом:

• насыщенные без двойных связей;
• мононенасыщенные с одной двойной связью;
• полиненасыщенные с двумя и более двойными связями.

В малой концентрации можно встретить свободные жирные кислоты. Как правило, они включены в состав других липидов. При этом они обладают сложноэфирными связями с другими компонентами липидов, то есть эстерифицированы.

Среди форм существования липидов в человеческом организме можно отметить жировые включения, которые сконцентрированы в основном в адипоцитах. Данная форма является формой существования триглицеридов. Среди форм существования липидов можно выделить:

1. Биомембраны, в которых отсутствуют триглицериды и присутствуют фосфолипиды, гликолипиды и холестерин.
2. Липопротеины могут содержать липиды из каждого класса.

Холестерин характеризуется промежуточным положением между оболочкой и сердцевиной. Компоненты частицы обладают слабыми типами связей. Для них характерно состояние постоянной диффузии, то есть способность двигаться друг относительно друга.

Основной ролью липопротеинов является транспортировка липидов. Обнаружить их представляется возможным в процессе анализе биологических жидкостей. При исследовании липидов плазмы была выявлена возможность классифицировать их в зависимости от соотношения компонентов.

Разные липопротеины характеризуются неодинаковым соотношением липидов и белка в составе частицы, а также плотностью. Деление на группы липопротеинов в зависимости от плотности выполняют с помощью метода ультрацентрифугирования. В процессе они не выпадают в осадок, а всплывают, то есть флотируют. В качестве меры всплывания принимается константа флотации, которую обозначают Sf (сведберг флотации).

Липидный метаболизм

Данный процесс характерен для организмов животных, в которые жиры поступают с пищей или являются результатом синтеза печени. Липогенезом называют синтез этих жиров. Липиды, которые можно обнаружить в человеческом организме во время приема пищи в большинстве своем являются триглицеридами и холестерином. К остальным таким липидам относят жирные кислоты и мембранные липиды.

Липидный обмен, как правило, рассматривают в качестве процесса, при котором перевариваются и всасываются пищевые жиры. Выделяют пару источников жиров, используемых для получения энергии:

• потребляемые пищевые жиры;
• накопленные жировые запасы.

Позвоночные животные, в том числе люди, используют и тот, и другой источники жира, чтобы вырабатывать энергию, которая требуется для работы внутренних органов, включая сердце. Так как липиды являются гидрофобными молекулами, они нуждаются в предварительном растворении водой для реакции метаболизма. Первым этапом обмена липидов является гидролиз, осуществляющийся с помощью разных ферментов пищеварительной системы.

Липидный обмен характерен также для растительных организмов. Данные процессы обладают некоторыми отличиями в сравнении с липидным обменом в организме животных. На втором этапе, следующим за гидролизом, жирные кислоты поглощаются в эпителиальные клетки в стенке кишечника. При этом кислоты упаковываются и перемещаются к остальной части тела.

Переваривание липидов

Жиры перевариваются сначала в ротовой полости при химическом переваривании липазой языка. Проглоченный холестерин сохраняет стабильность структуры до тех пор, пока не окажется в клетках эпителия тонкой кишки, после чего расщепляется.

Далее липиды транспортируются в желудок. Здесь продолжается процесс химического пищеварения желудочной липазой и начинается механическое пищеварение или перистальтика. Следует отметить, что в большей степени переваривание и всасывание липидов характерно для области тонкого кишечника. Химические вещества из поджелудочной железы секретируются и перемещаются в тонкий кишечник для дальнейшего расщепления триглицеридов и механического переваривания до тех пор, пока не произойдет их трансформация в отдельные единицы жирных кислот со способностью абсорбироваться эпителиальными клетками в тонком кишечнике.

С помощью липазы поджелудочной железы передаются сигналы о гидролизе триглицеридов, в результате чего формируются отдельные свободные жирные кислоты и единицы глицерина.

Всасывание липидов

Вторым этапом обмена липидов является усвоение жиров. Жирные кислоты, которые обладают короткой цепью, всасываются в желудке, а большая часть жиров — в тонком кишечнике. По итогам расщепления триглицеридов образуются отдельные жирные кислоты и глицерины вместе с холестерином. Объединяясь, данные структуры преобразуются в мицеллы. В процессе высвобождения жирных кислот и моноглицеридов из мицелл они диффундируют через мембрану и попадают в эпителиальные клетки кишечника.

В цитозоле эпителиальных клеток вновь образуются триглицериды путем рекомбинации жирных кислот и моноглицеридов. В цитозоле эпителиальных клеток происходит упаковка триглицеридов и холестерина, что приводит к образованию более крупных частиц, которые называют хиломикронами. Эти частицы имеют вид амфипатических структур и транспортируют переваренные липиды. Проникновение хиломикронов в жировую и другие ткани организма осуществляется через кровоток.

Транспорт липидов

Мембранные липиды обладают гидрофобными свойствами. По этой причине триглицеридам и холестерину необходимо вступить в реакцию со специальными транспортными белками, которыми являются липопротеины. Благодаря амфипатической структуре липопротеинов, триглицерины и холестерин транспортируются по крови.

Хиломикроны являются отдельной подгруппой липопротеинов. С и помощью транспортируются липиды после переваривания из тонкой кишки в остальную часть организма. С помощью разной плотности липопротеинов определяется вид жиров, для переноса которых они предназначены.

Катаболизм липидов

В процессе прохождения хиломикронов или других липопротеинов сквозь ткани происходит их расщепление при воздействии липопротеинлипазой на просветной поверхности эндотелиальных клеток в капиллярах. При этом высвобождаются триглицериды, которые распадаются на жирные кислоты и глицерин. Этот процесс предшествует их попаданию в клетки.

Холестерин, который остался после расщепления, вновь транспортируется в печень с помощью кровотока. В цитозоле клетки, к примеру, мышечной клетки, глицерин трансформируется в глицеральдегид — 3 — фосфат, являющийся промежуточным звеном при гликолизе, чтобы в дальнейшем окислиться и произвести энергию.

Ключевые этапы катаболизма жирных кислот можно наблюдать в митохондриях. Для длинноцепочечных жирных кислот, в которых число углеродных атомов превышает 14, требуется преобразование в жирный ацил-КоА, что необходимо для транспортировки сквозь мембрану митохондрий.

Начало катаболизма жирных кислот отмечено в цитоплазме клеток. Это связано с тем, что ацил-КоА-синтеза расходует энергию после расщепления АТФ с целью катализировать соединение кофермента А с жирной кислотой. Сформировавшийся ацил-КоА участвует в процессе бета-окисления, проникая сквозь мембрану митохондрий. В результате образуются:

• ацетил-КоА, используемый в дальнейшем для генерации энергии в цикле лимонной кислоты;
• НАДН;
• ФАДН.

Ферменты, участвующие в процессе окисления:

• ацил-КоА-дегидрогеназ;
• еноил-КоА-гидратаз;
• 3-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназ;
• 3-кетоацил-КоА-тиолаз.

Биосинтез липидов

Ключевыми источниками энергии для живых организмов являются не только пищевые жиры, но и запасные липиды, которые накапливаются в жировых тканях. Организмы синтезируют по-разному:

• триацилглицерины;
• липидную мембрану;
• холестерин.

Мембранные липиды классифицируют, таким образом:

• глицерофосфолипиды;
• сфинголипиды.

Несмотря на то, что в организме в результате синтеза образуются разные типы мембранных липидов, они схожи по метаболическим путям:

• первый этап включает синтезирование ключевой цепи, включая сфингозин и глицерин;
• второй этап заключается в соединении жирных кислот с основной цепью, в результате чего получается фосфатидная кислота.

Процесс дополнительной модификации фосфатидной кислоты заключается в присоединении разных гидрофильных головных групп к основной цепи. Местом биосинтеза мембранных липидов является мембрана эндоплазматического ретикулума.

Фосфатидная кислота предшествует биосинтезу триглицеридов. Ее фосфотаза является катализатором трансформации фосфатидной кислоты в диацилглицерид, превращающийся в дальнейшем в триацилглицерид при воздействии ацилтрансферазы. Процессы биосинтеза триглицеридов протекают в цитозоле.

Образование ацетил-КоА в цитозоле клетки предшествует жирным кислотам. Холестерин получается из ацетил-КоА по итогам многоэтапного процесса, который называют изопреноидным путем. Важность холестеринов объясняется образованием разных гормонов в организме в результате их изменений, к примеру, прогестерона. В большинстве своем (70%) биосинтез холестерина характерен для цитозола клеток печени. При нарушении липидного обмена возникают заболевания, связанные с проблемами при расщеплении или синтезе жиров, или жироподобных веществ.

Важность липидов для организма человека

Как белки и углеводы, липиды играют большую роль во внутренних процессах организма, являясь основными пищевыми компонентами. Липиды включает большая часть продуктов питания. Данные вещества поступают в организм с пищей, определяющей состояние здоровья человека.

Недостаток или избыток липидов являются причинами развития различных болезней. Рацион человека разнообразен. С пищей в организм поступает необходимый объем всех липидов. Эти вещества частично синтезируются в печени, что позволяет компенсировать их недостаток. Кроме того, известны такие липиды, которые не заменимы и включают компоненты в виде полиненасыщенных жирных кислот. При их отсутствии в рационе во внутренних механизмах организма наблюдаются нарушения.

В большинстве своем липиды, поступающие с пищей, расходуются для выработки энергии. Данный факт объясняет худобу и слабость голодающих людей. При дефиците энергии организм использует запасы липидов, которые находятся в жировой клетчатке под кожей. Можно сделать вывод о том, что липиды играют большую роль в здоровом питании людей. Их объем потребления ограничивают только в случае определенных патологий.

С целью посчитать энергетическую ценность пищи используют калории. Все продукты содержат в составе:

• белки;
• углеводы;
• липиды.

Из этих веществ складывается основная масса питания. Попадая в организм, они распадаются, что приводит к выделению определенного количества энергии. Для белков и углеводов характерен более легкий процесс усвоения. Однако, данные вещества массой 1 грамм трансформируются лишь в 4 Ккал (килокалории) энергии. Жиры усваиваются сложнее, но их распад приводит к образованию энергии в объеме 9 Ккал с 1 грамма вещества. В итоге липиды обладают более высокой энергетической ценностью.

В процессе выделения энергии, главным образом, принимают участие триглицериды. Эти вещества включают насыщенные кислоты, которые усваиваются на 30%-40%. Полностью расщепляются организмом мононенасыщенные и полиненасыщенные жирные кислоты. Благодаря поступлению липидов, организм может использовать белки и углеводы для других целей.

Каждый вид липидов, который человек поглощает с пищей, классифицируют следующим образом:

• вещества животного происхождения;
• вещества растительного происхождения.

Липиды растительного происхождения:

• корнеплоды и овощи;
• фрукты;
• цитрусовые;
• орехи и семена растений;
• растительные масла.

Липиды животного происхождения:

• мясо животных и птиц;
• молочные продукты;
• яйца;
• бульоны, супы и соусы из мяса;
• рыба и моллюски;
• животные жиры такие, как сливочное масло и другие продукты.

Источники липидов характеризуются определенными преимуществами и недостатками. К примеру, животные жиры включают холестерин, который отсутствует в растительной пище. В продуктах животного происхождения содержится больше липидов, поэтому употреблять их в пищу выгодно с энергетической точки зрения. При избытке животных жиров развиваются заболевания, причиной которых служит обмен липидов, включая атеросклероз, желчекаменную болезнь.

Растительная пища содержит меньше липидов, но они относятся к такому типу, который организм не может производить самостоятельно. К примеру, для жизни организма необходимы полиненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся даже в небольшом объеме морепродуктов, цитрусовых, орехов. Так как липиды в растениях содержаться в небольшой концентрации, невозможно компенсировать все энергетические затраты организма, употребляя только растительную пищу. Можно сделать вывод о том, что рацион человека должен быть разнообразным для подержания здоровья.

С помощью липидов организм получает энергию. Но избыток этих веществ негативно сказывается на внутренних процессах. Ярким примером негативного влияния являются жирные кислоты, которые в большинстве своем запасаются организмом, что нередко приводит к ожирению. Эффективным решением этой проблемы является сбалансированный рацион с определенной концентрацией белков, жиров и углеводов. Число получаемых организмом калорий должно соответствовать дневному расходу энергии. Это условие объясняет разницу и взаимосвязь в нормах потребления липидов.

Потребность организма в липидах определяется следующими факторами:

1. Масса тела. Если требуется избавиться от избыточного веса, то человеку следует снизить потребление жирной пищи.
2. Дневные нагрузки. С повышением физической активности возрастает потребность организма в энергии. Стандартно дневная норма составляет от 1500 до 2500 калорий. Для людей, которые сталкиваются с повышенными нагрузками, к примеру, шахтеров или грузчиков, норма увеличивается до 4500 — 5000 калорий.
3. Рацион питания. При расчете оптимального рациона необходимо принимать во внимание продукты, которые характерны для питания в конкретном регионе или для людей, придерживающихся определенных традиций.
4. Наличие заболеваний. При выявлении каких-либо патологий медицинские специалисты рекомендуют определенный состав и режим питания.
5. Возрастная категория. У детей обмен веществ происходит быстрее, и требуется больше энергии на активный образ жизни, рост и развитие.
6. Пол. Норма питания для мужчин традиционно выше, чем у женщин.

Здоровому взрослому мужчине, который трудится от 7 до 8 часов в день и ведет активный образ жизни, необходимо примерно 2500 калорий в сутки. За счет жиров покрывается потребность в 30% необходимой энергии. Данный показатель соответствует 70-80 грамм липидов, состоящих на 20% из жирных кислот, 40% — полиненасыщенных и 40% — мононенасыщенных кислот. Следует отдавать предпочтение продуктам с липидами растительного происхождения, которые примерно должны составлять 60% от общего объема.