§10. Липиды и их роль в жизнедеятельности клетки

Определения и обозначения

Липиды — разнородные органические вещества, обычно плохо растворимые в воде и хорошо растворимые в неполярных растворителях. Их объединяет не одинаковое строение, а общее отношение к воде: в молекулах преобладают участки, которые плохо взаимодействуют с её полярными молекулами. Поэтому к липидам относят несколько разных групп соединений.

Нейтральные жиры, или триацилглицеролы, — молекулы глицерина, соединённого с тремя остатками жирных кислот. Остатки могут различаться по длине и строению, поэтому состав жирных кислот влияет на свойства жира, например на его плотность и температуру плавления. Это помогает понять, почему жиры бывают жидкими или твёрдыми.

Фосфолипиды — липиды с гидрофильной головкой, содержащей фосфатную группу, и гидрофобными остатками жирных кислот. Гидрофильная часть взаимодействует с водой, а гидрофобная избегает такого контакта. Благодаря этому различию фосфолипиды способны образовывать мембранные слои.

Стероиды — липиды с характерной системой из четырёх соединённых углеродных колец. Пример — холестерин, входящий в состав мембран животных клеток. Он влияет на свойства мембран и необходим клетке как компонент их структуры.

Как это устроено

Липиды различаются по составу и строению, поэтому нельзя представить их как одно вещество с единой формулой. Общий признак этой группы связан с растворимостью: многие липиды имеют крупные неполярные участки, которые не образуют выгодных взаимодействий с водой. Из-за этого вода не окружает их молекулы так, как окружает вещества, хорошо растворимые в ней. Различия в строении при этом позволяют липидам выполнять разные задачи.

Жир образуется при соединении одной молекулы глицерина с тремя жирными кислотами. Углеродные цепи жирных кислот содержат много химической энергии, поэтому жир может служить её запасом. Когда жир расщепляется, образуются глицерин и жирные кислоты, которые клетка может далее использовать в обмене веществ. Значит, строение жира связано и с тем, как он запасается, и с тем, как используется.

Фосфолипид одновременно содержит часть, притягивающуюся к воде, и части, избегающие её. В водной среде молекулы располагаются так, чтобы головки соприкасались с водой, а хвосты были спрятаны от неё. Если два таких ряда соединяются хвостами друг к другу, получается двойной слой с водной средой по обе стороны. Такое устройство формирует основу мембраны и помогает отделять содержимое клетки от окружающей среды.

Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты различаются наличием двойных связей между атомами углерода. У насыщенных кислот таких связей нет, а ненасыщенные содержат одну или несколько; двойная связь меняет форму углеродной цепи. Поэтому молекулы могут укладываться более или менее плотно, что влияет на свойства жира. Именно этим объясняется, почему жиры с разным составом жирных кислот ведут себя неодинаково.

Липиды нужны клетке не только для получения энергии. Жировые запасы помогают обеспечить организм топливом и уменьшают потерю тепла, а фосфолипиды создают основу мембран. Некоторые липиды защищают ткани, другие участвуют в регуляции процессов. Разнообразие функций связано с тем, что разные группы липидов имеют разные молекулярные особенности.

Основные группы липидов и их функции

Сравнивайте группы сначала по особенностям строения, а затем связывайте их с функциями: свойства молекулы помогают объяснить её роль. Примеры в последнем столбце показывают, где можно встретить представителей каждой группы. Таблица не означает, что все липиды выполняют только одну функцию.

Разбор задач

Задача 1. Установите, к какой группе липидов относятся триацилглицерол, фосфолипид и холестерин. Удобнее не угадывать по названию, а вспомнить характерные признаки каждой группы. Для триацилглицерола важен состав из глицерина и трёх жирных кислот, для фосфолипида — головка и хвосты, а для холестерина — кольцевая система. Сопоставим каждое вещество с этим признаком.

1. Триацилглицерол содержит глицерин и три остатка жирных кислот, значит, это нейтральный жир.
2. Фосфолипид имеет фосфатную гидрофильную часть и гидрофобные остатки жирных кислот, значит, относится к фосфолипидам.
3. Холестерин имеет характерное строение из соединённых углеродных колец, поэтому относится к стероидам.

Ответ: триацилглицерол — нейтральный жир, фосфолипид — фосфолипид, холестерин — стероид. Такое сопоставление проверяет знание строения, а не только названий.

Задача 2. Объясните, как фосфолипиды располагаются в водной среде и почему такое расположение подходит для образования мембраны. Нужно учесть, что у молекулы есть части с разным отношением к воде. Гидрофильная головка взаимодействует с водой, а гидрофобные хвосты стараются избежать контакта с ней. Поэтому молекулы располагаются не случайно.

1. Головки обращаются к воде, находящейся снаружи и внутри клетки.
2. Хвосты направляются внутрь слоя, друг к другу, где они меньше контактируют с водой.
3. Два ряда молекул образуют двойной слой, который разделяет водные среды и служит основой мембраны.

Ответ: фосфолипиды образуют двойной слой: головки обращены к воде, хвосты — внутрь. Такое устройство позволяет мембране отделять клетку от окружающей среды.

Задача 3. В клетке окислилось 2 г жира. Один грамм жира даёт около 38,9 кДж энергии, а 1 г углеводов — около 17,6 кДж. Найдите энергию от жира и сравните её с энергией от окисления такой же массы углеводов. В обоих случаях используем одну схему: энергетическую ценность 1 г умножаем на массу.

1. Для жира: 38,9 кДж/г × 2 г = 77,8 кДж.
2. Для углеводов такой же массы: 17,6 кДж/г × 2 г = 35,2 кДж.
3. Сравним результаты: 77,8 кДж больше 35,2 кДж на 42,6 кДж; это примерно в 2,2 раза больше.

Ответ: при окислении 2 г жира выделится около 77,8 кДж, а 2 г углеводов дадут около 35,2 кДж. Следовательно, равная масса жира обеспечивает более чем вдвое больше энергии.

Типичные ошибки

Ошибка — считать липиды одним веществом с одинаковым строением. Так кажется, потому что жиры часто приводят как самый знакомый пример этой группы. Проверьте себя: если можете назвать фосфолипиды, стероиды и воски и указать их отличия, вы понимаете, что липиды разнообразны.

Ошибка — понимать гидрофобность как абсолютную неспособность липидов взаимодействовать с водой. Это обобщение возникает из знания, что жир не смешивается с водой. Но фосфолипиды имеют гидрофильные головки; чтобы проверить себя, вспомните, какая их часть обращена к воде в мембране.

Ошибка — приписывать всем липидам только запасание энергии. Жиры действительно запасают энергию, поэтому эту функцию легко перенести на всю группу. Сверьте свою мысль с примерами: фосфолипиды образуют мембраны, а некоторые липиды участвуют в защите и регуляции.

Ошибка — путать жирные кислоты с готовыми молекулами жира. Такое смешение возникает потому, что жирные кислоты входят в состав жиров. Проверьте себя, перечислив части молекулы: нейтральный жир образован глицерином и тремя остатками жирных кислот.

Связь с другими темами

Для понимания липидов полезно знать, из каких элементов состоят органические вещества клетки и как углеродный скелет задаёт строение молекул. Это помогает объяснить различия между группами липидов и свойства жирных кислот. Строение фосфолипидов понадобится при изучении клеточных мембран и транспорта веществ через них: устройство мембраны связано с тем, как её молекулы взаимодействуют с водой. Функции липидов также связывают тему с обменом веществ, энергетическими запасами организма и гормональной регуляцией.

Что запомнить

• Липиды — группа разнообразных органических веществ, обычно плохо растворимых в воде.
• Молекула нейтрального жира состоит из глицерина и трёх остатков жирных кислот.
• Фосфолипиды имеют гидрофильную головку и гидрофобные хвосты.
• Фосфолипиды образуют основу клеточных мембран.
• Жиры — важный энергетический запас клетки и организма.
• Липиды также участвуют в теплоизоляции, защите и регуляции процессов.