§ 10. Липиды

Определения и обозначения

Липиды — разнородная группа органических веществ, обычно нерастворимых в воде и растворимых в неполярных органических растворителях. Их объединяют прежде всего по свойствам растворимости, а не по общему плану строения: жиры и стероиды, например, устроены по-разному. Это определение помогает не искать у всех липидов одну и ту же форму молекулы. Вместо этого их распознают по общим физическим свойствам.

Жиры, или триацилглицеролы, — сложные эфиры глицерина и трёх жирных кислот. Глицерин служит основой молекулы, а к нему присоединены три остатка жирных кислот — длинные углеводородные цепи с кислотной группой на конце. При соединении частей образуются сложноэфирные связи. Такое строение объясняет, почему жиры подходят для хранения энергии и не смешиваются с водой.

Фосфолипиды — липиды с фосфатной группой, у которых есть гидрофильная «головка» и гидрофобные «хвосты». Гидрофильная часть взаимодействует с водой, а хвосты состоят преимущественно из неполярных участков и избегают её. Такое сочетание называют амфифильностью: одна молекула имеет и водолюбивую, и водоизбегающую части. Оно необходимо для образования мембран.

Стероиды — липиды с характерной системой из четырёх соединённых углеродных колец. К стероидам относятся холестерин и некоторые гормоны, которые регулируют работу организма. Их кольцевая структура отличается от строения жиров и фосфолипидов. Поэтому стероиды показывают, насколько разнообразными могут быть вещества, объединённые в группу липидов.

Как это устроено

Большинство липидов гидрофобны, то есть плохо взаимодействуют с водой. Причина в неполярных углеводородных участках: в них нет разделения зарядов, которое помогало бы образовывать взаимодействия с полярными молекулами воды. Поэтому жир не растворяется, а отделяется от воды. Фосфолипиды отличаются тем, что их гидрофильная головка контактирует с водой, хотя хвосты остаются гидрофобными.

Жир образуется, когда к одной молекуле глицерина присоединяются три жирные кислоты. При каждой реакции между их группами возникает сложноэфирная связь и выделяется молекула воды. В насыщенных кислотах углеродные атомы соединены одинарными связями, а в ненасыщенных есть одна или несколько двойных. Двойные связи меняют форму цепей: изогнутые цепи хуже прилегают друг к другу, поэтому жиры с ненасыщенными кислотами часто жидкие при комнатной температуре.

При окислении жиры высвобождают много энергии, потому что в их углеводородных цепях много связей, энергия которых может использоваться клеткой. Кроме того, жиры гидрофобны и запасаются почти без воды, в отличие от веществ, которые удерживают вокруг себя значительное количество жидкости. Значит, в небольшом объёме можно хранить большой запас энергии без лишней массы воды. Поэтому жиры служат долгосрочным резервом, а не только быстрым источником энергии.

В водной среде гидрофильные головки фосфолипидов стремятся соприкоснуться с водой, а гидрофобные хвосты — укрыться от неё. В результате молекулы самопроизвольно выстраиваются в два слоя: головки обращены к водной среде с обеих сторон, хвосты направлены внутрь. Такой бислой образует границу между клеткой и окружающей средой, а также между внутренними частями клетки. Поэтому он лежит в основе клеточных мембран.

Разные липиды выполняют разные задачи благодаря различиям в строении. Жир под кожей уменьшает потерю тепла, а жировая ткань смягчает удары и защищает органы. Воски образуют водоотталкивающие покрытия, которые помогают ограничивать испарение воды. Холестерин участвует в строении мембран, а некоторые стероиды действуют как гормоны и регулируют процессы в организме.

Основные группы липидов: строение и функции

Сначала сопоставьте строение каждой группы с её свойствами: гидрофобные жиры запасают энергию, а амфифильные фосфолипиды образуют границы в водной среде. Затем проверьте, какая функция соответствует каждому примеру. Таблица показывает общие особенности групп, но отдельные представители могут различаться.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему капля масла не смешивается с водой и образует отдельный слой. Нужно связать наблюдаемое разделение с особенностями молекул обеих жидкостей. Рассуждение строится не на том, что масло «тяжелее» или «легче», а на их взаимодействии. Сначала определим, какие участки преобладают в молекулах масла.

1. Молекулы жира содержат длинные неполярные углеводородные участки.
2. Вода полярна, поэтому её молекулы хорошо взаимодействуют друг с другом, но с неполярными участками жира взаимодействуют слабо.
3. Из-за слабого взаимодействия жир не распределяется среди молекул воды и собирается отдельно.

Ответ: масло гидрофобно, поэтому оно не растворяется в полярной воде и образует отдельный слой.

Задача 2. Сравните два жира: в одном остатки жирных кислот насыщенные, в другом есть двойные связи. Предскажите, какой жир вероятнее будет жидким при комнатной температуре. Для этого проследим, как двойные связи меняют форму цепей и их упаковку. Чем плотнее молекулы прилегают друг к другу, тем труднее им перемещаться.

1. Насыщенные цепи не имеют двойных связей и могут располагаться относительно ровно.
2. Двойные связи изменяют форму ненасыщенных цепей, мешая им плотно упаковываться.
3. Менее плотная упаковка обычно связана с более низкой температурой плавления.

Ответ: жир с ненасыщенными жирными кислотами вероятнее будет жидким при комнатной температуре. Это прогноз для сравнения подобных жиров: на свойства также влияет состав и доля разных кислот.

Задача 3. Объясните, почему фосфолипиды образуют в воде двойной слой, а триацилглицеролы — нет. Сравните не названия веществ, а устройство их молекул. Затем свяжите особенности строения с поведением в воде. Так можно понять, почему одна группа подходит для мембран, а другая — для запаса.

1. Фосфолипид имеет гидрофильную головку и гидрофобные хвосты, поэтому может одновременно контактировать с водой и избегать её.
2. В воде головки обращаются к водной среде, а хвосты располагаются внутри слоя, защищённые от воды.
3. Триацилглицерол не имеет отдельной гидрофильной головки и в целом гидрофобен, поэтому не выстраивает такой бислой.

Ответ: фосфолипиды амфифильны и самособираются в бислой, а триацилглицеролы гидрофобны целиком и образуют капли жира.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все липиды имеют одинаковое строение. Её допускают, потому что вещества объединены одним названием и общим свойством растворимости. Но жиры построены из глицерина и жирных кислот, фосфолипиды имеют полярную головку, а стероиды — кольца. Проверьте себя: можете ли вы назвать отличительный структурный признак каждой группы?

Ошибка — называть жиры полимерами. Полимер — это обычно длинная молекула из повторяющихся звеньев, а триацилглицерол состоит из глицерина и трёх жирных кислот, не образующих повторяющуюся цепь. Путаница возникает из-за того, что жир собран из нескольких частей. Чтобы проверить себя, спросите: есть ли здесь цепь из множества одинаковых повторяющихся мономеров?

Ошибка — путать гидрофильную головку фосфолипида с гидрофобными хвостами. Так происходит, если запомнить только схему молекулы, не связывая части с их свойствами. Головка взаимодействует с водой, а хвосты избегают водной среды. При проверке мысленно поместите молекулу в воду: головки должны быть обращены к ней, хвосты — друг к другу.

Ошибка — сводить роль липидов только к запасанию энергии. Эту функцию часто запоминают первой, но она не объясняет, почему липиды входят в мембраны, защищают органы и уменьшают потерю тепла. Воски, фосфолипиды и стероиды выполняют свои задачи благодаря особенностям строения. Проверьте себя, перечислив функции не только жиров, но и остальных групп.

Связь с другими темами

Перед изучением липидов полезно вспомнить строение органических молекул, полярность, химические связи и понятия гидрофильности и гидрофобности. Эти знания помогают объяснить, почему жир не растворяется в воде, а фосфолипид ориентируется в ней определённым образом. Строение фосфолипидов понадобится при изучении клеточных мембран и транспорта веществ через них. Функции жиров связаны с обменом веществ и энергетическим балансом, а стероиды — с темой гормональной регуляции.

Что запомнить

• Липиды — разнообразная группа веществ, обычно нерастворимых в воде.
• Жир состоит из глицерина и трёх остатков жирных кислот.
• Ненасыщенные жирные кислоты содержат одну или несколько двойных связей.
• Фосфолипиды имеют гидрофильную головку и гидрофобные хвосты.
• Фосфолипидный бислой составляет основу клеточных мембран.
• Липиды служат источником и запасом энергии, а также выполняют структурную, защитную и теплоизоляционную функции.