АМИНОКИСЛОТЫ
ЛИПИДЫ
Липиды – нерастворимые в воде маслянистые или жирные вещества, которые могут быть экстрагированы из клеток неполярными растворителями. Это гетерогенная группа соединений, непосредственно или опосредовано связанных с жирными кислотами.
Биологические функции липидов:
1) источник энергии, который может длительно запасаться;
2) участие в образовании клеточных мембран;
3) источник жирорастворимых витаминов, сигнальных молекул и незамени-мых жирных кислот;
4) теплоизоляция;
5) неполярные липиды служат электроизоляторами, обеспечивая быстрое распространение волн деполяризации вдоль миелинизированных нервных волокон;
6) участие в образовании липопротеидов.
Жирные кислоты – структурные компоненты большинства липидов. Это длинноцепочечные органические кислоты, содержащие от 4 до 24 углеродных атомов, они содержат одну карбоксильную группу и длинный неполярный углеводородный «хвост». В клетках не встречаются в свободном состоянии, а только в ковалентно связанной форме. В состав природных жиров входят обычно жирные кислоты с четным числом атомов углерода, поскольку они синтезируются из двууглеродных единиц, образующих неразветвленную цепь углеродных атомов. Многие жирные кислоты имеют одну или несколько двойных связей – ненасыщенные жирные кислоты.
Наиболее важные жирные кислоты (после формулы приведено число атомов углерода, название, температура плавления):
12, лауриновая, 44,2оС
14, миристиновая, 53,9оС
16, пальмитиновая, 63,1оС
18, стеариновая, 69,6оС
18, олеиновая, 13,5оС
18, линолевая, -5оС
18, линоленовая, -11оС
20, арахидоновая, -49,5оС
Общие свойства жирных кислот;
- почти все содержат четное число атомов углерода,
- насыщенные кислоты у животных и у растений встречаются в два раза чаще, чем ненасыщенные,
- насыщенные жирные кислоты не имеют жесткой линейной структуры, они обладают большой гибкостью и могут принимать разнообразные конформации,
- в большинстве жирных кислот имеющаяся двойная связь расположена между 9-м и 10-м атомами углерода (Δ9),
- дополнительные двойные связи обычно расположены между Δ9-двойной связью и метильным концом цепи,
- две двойные связи в жирных кислотах не бывают сопряженными, между ними всегда находится метиленовая группа,
- двойные связи практически всех природных жирных кислот находятся в цис-конформации, что приводит к сильному изгибу алифатической цепи и более жесткому строению,
- при температуре тела насыщенные жирные кислоты находятся в твердом воскообразном состоянии, а ненасыщенные жирные кислоты представляют собой жидкости,
- натриевые и калиевые мыла жирных кислот способны эмульгировать нерастворимые в воде масла и жиры, кальциевые и магниевые мыла жирных кислот растворяются очень плохо и не эмульгируют жиров.
В мембранных липидах бактерий встречаются необычные жирные кислоты и спирты. Многие из бактериальных штаммов, содержащих эти липиды (термофилы, ацидофилы и галлофилы), адаптированы к экстре-мальным условиям.
изоразветвленные
антеизоразветвленные
циклопропансодержащие
ω-циклогексилсодержащие
изопранильные
циклопентанфитанильные
Состав бактериальных липидов отличается большим разнообразием и спектр жирных кислот разных видов приобрел значение таксономического критерия для идентификации организмов.
У животных важными производными арахидоновой кислоты являются гистогормоны простагландины, тромбоксаны и лейкотриены, объединенные в группу эйкозаноидов и обладающие чрезвычайно широкой биологической активностью.
простагландин Н2
Классификация липидов:
1. Триацилглицериды (жиры) – это эфиры спирта глицерола и трех молекул жирных кислот. Они составляют основной компонент жировых депо растительных и животных клеток. В мембранах не содержатся. Простые триацилглицериды содержат остатки одинаковых жирных кислот во всех трех положениях (тристеарин, трипальмитин, триолеин). Смешанные содержат разные жирные кислоты. По удельному весу легче воды, хорошо растворимы в хлороформе, бензоле, эфире. Гидролизуются при кипячении с кислотами или основаниями, либо под действием липазы. В клетках в обычных условиях самоокисление ненасыщенных жиров полностью заторможено благодаря наличию витамина Е, различных ферментов и аскорбиновой кислоты. В специализированных клетках соединительной ткани животных адипоцитах огромное количество триацилглицеридов может запасаться в виде жировых капель, заполняющих почти весь объем клетки. В форме гликогена организм может запасти энергию не более чем на сутки. Триацилглицериды могут запасать энергию на месяцы, так как они могут храниться в очень больших количествах в практически чистом, негидратированном виде и в расчете на единицу веса в них запасается в два раза больше энергии, чем в углеводах. Кроме того, триацилглицериды под кожей образуют теплоизоляционный слой, защищающий организм от действия очень низких температур.
нейтральный жир
Для характеристики свойств жира используют следующие константы:
- кислотное число – количество мг КОН, необходимое для нейтрализации
свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г жира;
- число омыления – количество мг КОН, необходимое для гидролиза
нейтральных липидов и нейтрализации всех жирных кислот,
содержащихся в 1 г жира;
- йодное число – количество граммов йода, связываемое с 100 г жира,
характеризует степень ненасыщенности данного жира.
2. Воска – это сложные эфиры, образуемые длинноцепочечными жирными кислотами и длинноцепочечными спиртами. У позвоночных животных секретируемые кожными железами воска выполняют функцию защитного покрытия, которое смазывает и смягчает кожу, а также предохраняет ее от воды. Восковым слоем покрыты волосы, шерсть, мех, перья животных, а также листья многих растений. Воска вырабатываются и ис-пользуются в очень больших количествах морскими организмами, особенно планктоном, у которого они служат основной формой накопления высококалорийного клеточного топлива.
спермацет, получают из головного мозга кашалотов
пчелиный воск
3. Фосфоглицеролипиды – служат главными структурными компонентами мембран и никогда не запасаются в больших количествах. Обязательно содержат в своем составе многоатомный спирт глицерин, фосфорную кислоту и остатки жирных кислот.
Фосфоглицеролипиды по химическому строению можно еще разделить на несколько типов:
1) фосфолипиды – состоят из глицерина, двух остатков жирных кислот по 1-му и 2-му положению глицерина и остатка фосфорной кислоты, с которой связан остаток еще одного спирта (этаноламин, холин, серин, инозитол). Как правило, жирная кислота в 1-м положении насыщенная, а во 2-м – ненасыщенная.
фосфатидная кислота – исходное вещество для синтеза других фосфолипидов, в тканях содержится в незначительных количествах
фосфатидилэтаноламин (кефалин)
фосфатидилхолин (лецитин), его практически нет в бактериях
фосфатидилсерин
фосфатидилинозитол – предшественник двух важных вторичных мессенджеров (посредников) диацилглицерина и инозитол-1,4,5-трифосфата
2) плазмалогены – фосфоглицеролипиды, у которых одна из углеводо-родных цепей представляет собой простой виниловый эфир. Плазмалогены не встречаются в растениях. Этаноламиновые плазмалогены широко представлены в миелине и в саркоплазматическом ретикулуме сердца.
этаноламинплазмалоген
3) лизофосфолипиды – образуются из фосфолипидов при ферментатив-ном отщеплении одного из ацильных остатков. В змеином яде содержится фосфолипаза А2, которая образует лизофосфатиды, обладающие гемолитическим действием;
4) кардиолипины – фосфолипиды внутренних мембран бактерий и мито-хондрий, образуются при взаимодействии с глицерином двух остатков фосфатидной кислоты:
кардиолипин
4. Фосфосфинголипиды – функции глицерина в них выполняет сфингозин – аминоспирт с длинной алифатической цепью. Не содержат глицерина. В большом количестве присутствуют в мембранах клеток нервной ткани и мозге. В мембранах растительных и бактериальных клеток фосфосфинголипиды встречаются редко. Производные сфингозина, ацилированного по аминогруппе остатками жирных кислот, называются церамидами. Важнейший представитель этой группы – сфингомиелин (церамид-1-фосфохолин). Он присутствует в большинстве мембран животных клеток, особенно много его в миелиновых оболочках нервных клеток определенного типа.
сфингомиелин
сфингозин
5. Гликоглицеролипиды –липиды, у которых в положении 3 глицерола находится углевод, присоединенный с помощью гликозидной связи, фосфатной группы не содержат. Гликоглицеролипиды широко представлены в мембранах хлоропластов, а также в сине-зеленых водорослях и бактериях. Моногалактозилдиацилглицерол – наиболее распространенный в природе полярный липид, поскольку на его долю приходится половина всех липидов тилакоидной мембраны хлоропластов:
моногалактозилдиацилглицерол
6. Гликосфинголипиды– построены из сфингозина, остатка жирной кислоты и олигосахарида. Содержатся во всех тканях, главным образом в наружном липидном слое плазматических мембран. В них отсутствует фосфатная группа и они не несут электрического заряда. Гликосфинголипиды можно разделить еще на два типа:
1) цереброзиды – более простые представители этой группы. Галактоцереброзиды содержатся главным образом в мембранах клеток мозга, тогда как глюкоцереброзиды присутствуют в мембранах других клеток. Цереброзиды, содержащие два, три или четыре остатка сахаров, локализуются в основном в наружном слое клеточных мембран.
галактоцереброзид
2) ганглиозиды – наиболее сложные гликосфинголипиды. Их очень крупные полярные головы образованы несколькими остатками сахаров. Для них характерно наличие в крайнем положении одного или нескольких остатков N-ацетилнейраминовой (сиаловой) кислоты, несущей при рН 7 отрицательный заряд. В сером веществе головного мозга ганглиозиды составляют около 6% мембранных липидов. Ганглиозиды – важные компоненты расположенных на поверхности клеточных мембран специфических рецепторных участков. Так они находятся в тех специфических участках нервных окончаний, где происходит связывание молекул нейромедиатора в процессе химической передачи импульса от одной нервной клетки к другой.
7. Изопреноиды – производные изопрена (активная форма – 5-изопенте-нилдифосфат), выполняющие самые разнообразные функции.
изопрен 
5-изопентенилдифосфат
Способность синтезировать специфические изопреноиды свойственна лишь некоторым видам животных и растений.
1) каучук – синтезируют несколько видов растений, в первую очередь гевея бразильская:
фрагмент каучука
2) жирорастворимые витамины А, D, Е, К (из-за структурного и функ-ционального сродства со стероидными гормонами витамин D сейчас относят к гормонам):
витамин А
витамин Е
витамин К
3) гормоны роста животных – ретиноевая кислота у позвоночных и неоте-нины у насекомых:
ретиноевая кислота
неотенин
Ретиноевая кислота является гормональным производным витамина А, стимулирует рост и дифференциацию клеток, неотенины – гормоны насекомых, стимулируют рост личинок и тормозят линьку, являются антагонистами экдизону;
4) растительные гормоны – абсцизовая кислота, является стрессовым фитогормоном, запускающим системный иммунный ответ растений, проявляющийся в устойчивости к самым различным патогенам:
абсцизовая кислота
5) терпены – многочисленные душистые вещества и эфирные масла растений, обладающие бактерицидным и фунгицидным действием; соединения из двух изопреновых звеньев называются монотерпенами, из трех – сесквитерпенами, из шести – тритерпенами:
камфора 
тимол
6) стероиды – сложные жирорастворимые вещества, молекулы которых содержат в своей основе циклопентанпергидрофенантрен (по своей сути – тритерпен). Основной стерол в тканях животных – спирт холестерин (холестерол). Холестерин и его эфиры с длинноцепочечными жирными кислотами – важные компоненты липопротеинов плазмы, а также наружной клеточной мембраны. Из-за того, что четыре конденсированных кольца создают жесткую структуру, присутствие холестерина в мембра-нах регулирует текучесть мембран при экстремальных температурах. В растениях и микроорганизмах содержатся родственные соединения – эргостерин, стигмастерин и β-ситостерин.
холестерин
эргостерин
стигмастерин
β-ситостерин
Из холестерина в организме образуются желчные кислоты. Они обеспечивают растворимость холестерина в желчи и способствуют перевариванию липидов в кишечнике.
холевая кислота
Из холестерина образуются также стероидные гормоны – липофильные сигнальные молекулы, регулирующие обмен веществ, рост и репродук-цию. В организме человека основными являются шесть стероидных гормонов:
кортизол альдостерон
тестостерон эстрадиол
прогестерон кальцитриол
Кальцитриол – витамин D, обладающий гормональной активностью, он отличается от гормонов позвоночных, однако также построен на основе холестерина. Кольцо В раскрывается за счет светозависимой реакции.
Производным холестерина является гормон линьки насекомых, пауков и ракообразных – экдизон. Стероидные гормоны, выполняющие сигнальную функцию, встречаются также в растениях.
экдизон
7) липидные якоря, удерживающие молекулы белков или других соединений на мембране:
убихинон
Как мы видим, липиды не являются полимерами в буквальном смысле этого слова, однако как в метаболическом, так и в структурном отношении они близки к присутствующей в бактериях полиоксимасляной кислоте – важному запасному веществу. Этот сильно восстановленный полимер состоит исключительно из звеньев D-β-оксимасляной кислоты, соединенных сложноэфирной связью. Каждая цепь содержит около 1500 остатков. Структура представляет собой компактную правую спираль, около 90 таких цепей уложено с образованием тонкого слоя в бактериальных клетках.
поли-D-β-оксимасляная кислота
ЛЕКЦИЯ 4
Аминокислотами называются карбоновые кислоты, содержащие аминогруппу и карбоксильную группу. Природные аминокислоты являются 2-аминокарбоновыми кислотами, или α-аминокислотами, хотя существуют такие аминокислоты как β-аланин, таурин, γ-аминомасляная кислота. Обобщенная формула α-аминокислоты выглядит так:
У α-аминокислот при 2 атоме углерода имеются четыре разных заместителя, то есть все α-аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический (хиральный) атом углерода и существуют в виде двух энантиомеров – L- и D-аминокислот. Природные аминокислоты относятся к L-ряду. D-аминокислоты встречаются в бактериях и пептидных антибиотиках.
Все аминокислоты в водных растворах могут существовать в виде биполярных ионов, причем их суммарный заряд зависит от рН среды. Величина рН, при которой суммарный заряд равен нулю, называется изоэлектрической точкой. В изоэлектрической точке аминокислота является цвиттер-ионом, то есть аминная группа у нее протонирована, а карбоксиль-ная – диссоциирована. В нейтральной области рН большинство аминокислот являются цвиттер-ионами:
Аминокислоты не поглощают свет в видимой области спектра, ароматические аминокислоты поглощают свет в УФ области спектра: триптофан и тирозин при 280 нм, фенилаланин – при 260 нм.
Для аминокислот характерны некоторые химические реакции, имеющие большое значение для лабораторной практики: цветная нингидриновая проба на α-аминогруппу, реакции, характерные для сульфгидрильных, фенольных и других групп радикалов аминокислот, ацелирование и образование оснований Шиффа по аминогруппам, этерификация по карбоксильным группам.
Биологическая роль аминокислот:
1) являются структурными элементами пептидов и белков, так называемые протеиногенные аминокислоты. В состав белков входят 20 аминокислот, которые кодируются генетическим кодом и включаются в белки в про-цессе трансляции, некоторые из них могут быть фосфорилированы, ацилированы или гидроксилированы;
2) могут быть структурными элементами других природных соединений – коферментов, желчных кислот, антибиотиков;
3) являются сигнальными молекулами. Некоторые из аминокислот являются нейромедиаторами или предшественниками нейромедиаторов, гормонов и гистогормонов;
4) являются важнейшими метаболитами, например, некоторые аминокислоты являются предшественниками алкалоидов растений, или служат донорами азота, или являются жизненно важными компонентами питания.
Классификация протеиногенных аминокислот основана на строении и на полярности боковых цепей:
1. Алифатические аминокислоты:
глицин, гли, G, Gly
аланин, ала, А, Ala
валин, вал, V, Val*
лейцин, лей, L, Leu*
изолейцин, иле, I, Ile*
Эти аминокислоты не содержат в боковой цепи гетероатомов, циклических группировок и характеризуется отчетливо выраженной низкой полярностью.
2. Серосодержащие аминокислоты:
цистеин, цис, C, Cys
метионин, мет, M, Met*
Серосодержащие аминокислоты также малополярны, причем цистеин существует лишь в недиссоциированном состоянии. Благодаря образованию дисульфидных мостиков, цистеин выполняет важную функцию стабилизации пространственной структуры белков.
3. Ароматические аминокислоты:
фенилаланин, фен, F, Phe*
тирозин, тир, Y, Tyr
триптофан, три, W, Trp*
гистидин, гис, H, His
Ароматические аминокислоты содержат мезомерные резонансно стабилизированные циклы. В этой группе только аминокислота фенилаланин проявляет низкую полярность, тирозин и триптофан характеризуются заметной, а гистидин – даже высокой полярностью. Гистидин может быть отнесен также к основным аминокислотам.
4. Нейтральные аминокислоты:
серин, сер, S, Ser
треонин, тре, T, Thr*
аспарагин, асн, N, Asn
глутамин, глн,Q, Gln
Нейтральные аминокислоты содержат гидроксильные или карбоксамидные группы. Хотя амидные группы неионогенны, молекулы аспарагина и глута-мина высоко полярны.
5. Кислые аминокислоты:
аспарагиновая кислота (аспартат), асп, D, Asp
глутаминовая кислота (глутамат), глу, E, Glu
Карбоксильные группы боковых цепей кислых аминокислот полностью ионизированы во всем диапазоне физиологических значений рН.
6. Основные аминокислоты:
лизин, лиз, K, Lys*
аргинин, арг, R, Arg
Боковые цепи основных аминокислот полностью протонированы в нейтраль-ной области рН. Сильно основной и очень полярной аминокислотой является аргинин, содержащий гуанидиновую группировку.
7. Иминокислота:
пролин, про, P, Pro
Боковая цепь пролина состоит из пятичленного цикла, включающего α-углеродный атом и α-аминогруппу. Поэтому пролин, строго говоря, является не амино-, а иминокислотой. Атом азота в кольце является слабым основанией и не протонируется при физиологических значениях рН. Благодаря циклической структуре пролин вызывает изгибы полипептидной цепи, что очень существенно для структуры коллагена.
Некоторые из перечисленных аминокислот не могут синтезироваться в организме человека и должны поступать вместе с пищей. Это незаменимые аминокислоты отмечены звездочками.
Как было указано выше, протеиногенные аминокислоты являются предшественниками некоторых ценных биологически активных молекул.
Два биогенных амина β-аланин и цистеамин входят в состав кофермента А (коферменты – производные водорастворимых витаминов, образующие активный центр сложных ферментов). β-Аланин образуется путем декарбоксилирования аспарагиновой кислоты, а цистеамин путем декарбоксилирования цистеина:
β-аланин 
цистеамин
Остаток глутаминовой кислоты входит в состав другого кофермента – тетрагидрофолиевой кислоты, производного витамина Вс.
Другими биологически ценными молекулами являются конъюгаты желчных кислот с аминокислотой глицином. Эти конъюгаты являются более сильными кислотами, чем базовые, образуются в печени и присутствуют в желчи в виде солей.
гликохолевая кислота
Протеиногенные аминокислоты являются предшественниками некоторых антибиотиков – биологически активных веществ, синтезируемых микроорганизмами и подавляющих размножение бактерий, вирусов и клеток. Наиболее известными из них являются пенициллины и цефалоспорины, составляющие группу β-лактамных антибиотиков и продуцирумые плесенью рода Penicillium. Для них характерно наличие в структуре реакционноспособного β-лактамного кольца, с помощью которого они ингибируют синтез клеточных стенок грамотрицательных микроорганизмов.
общая формула пенициллинов
Из аминокислот путем декарбоксилирования получаются биогенные амины – нейромедиаторы, гормоны и гистогормоны.
Аминокислоты глицин и глутамат сами по себе являются нейромедиаторами в центральной нервной системе.
дофамин (нейромедиатор) норадреналин (нейромедиатор)
адреналин (гормон) гистамин (медиатор и гистогормон)
серотонин (нейромедиатор и гистогормон) ГАМК (нейромедиатор)
тироксин (гормон)
Производным аминокислоты триптофана является наиболее известный из встречающихся в природе ауксин – индолилуксусная кислота. Ауксины – это регуляторы роста растений, они стимулируют дифференцировку растущих тканей, рост камбия, корней, ускоряют рост плодов и опадение старых листьев, их антагонистами является абсцизовая кислота.
индолилуксусная кислота
Производными аминокислот также являются алкалоиды – природные азотсодержащие соединения основного характера, образующиеся в расте-ниях. Данные соединения являются исключительно активными физиологическими соединениями, широко используемыми в медицине. Примерами алкалоидов могут служить производное фенилаланина папаверин, изохинолиновый алкалоид мака снотворного (спазмолитик), и производное триптофана физостигмин, индольный алкалоид из калабар-ских бобов (антихолинэстеразный препарат):
папаверин физостигмин
Аминокислоты являются чрезвычайно популярными объектами биотехнологии. Существует множество вариантов химического синтеза аминокислот, однако в результате получаются рацематы аминокислот. Так как для пищевой промышленности и медицины пригодны только L-изомеры аминокислот, рацемические смеси необходимо разделять на энантиомеры, что представляет серьезную проблему. Поэтому более популярен биотехнологический подход: ферментативный синтез с помощью иммобилизированных ферментов и микробиологический синтез с помощью целых микробных клеток. В обоих последних случаях получаются чистые L-изомеры.
Аминокислоты используются как пищевые добавки и компоненты кормов. Глутаминовая кислота усиливает вкус мяса, валин и лейцин улучшают вкус хлебобулочных изделий, глицин и цистеин используются в качестве антиоксидантов при консервировании. D-триптофан может быть заменителем сахара, так как во много раз его слаще. Лизин добавляют в корм сельскохозяйственным животным, так как большинство растительных белков содержит малое количество незаменимой аминокислоты лизина.
Аминокислоты широко используются в медицинской практике. Это такие аминокислоты как метионин, гистидин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, глицин, цистеин, валин.
В последнее десятилетие аминокислоты начали добавлять в космети-ческие средства по уходу за кожей и волосами.
Химически модифицированные аминокислоты также широко используются в промышленности в качестве поверхностно-активных веществ в синтезе полимеров, при производстве моющих средств, эмульгаторов, добавок к топливу.
ЛЕКЦИЯ 5