§ 8. Липиды в биосистемах

Определения и обозначения

Липиды — разнообразные органические вещества, обычно плохо растворимые в воде и хорошо растворимые в неполярных органических растворителях. Их объединяют не по одному общему строению, а главным образом по сходным физико-химическим свойствам. Это объясняет, почему к липидам относят вещества с разными молекулами и функциями. Слово «липиды» обозначает целую группу, а не один вид молекул.

Триглицериды, или жиры, — липиды, молекулы которых состоят из глицерина и трёх остатков жирных кислот. Глицерин служит основой молекулы, к которой присоединяются эти остатки. Жиры важны как запас энергии: при их расщеплении организм получает энергию. Накопленный жир также помогает уменьшать потерю тепла.

Фосфолипиды — липиды, у которых есть гидрофильная головка и гидрофобные хвосты. Гидрофильная часть взаимодействует с водой, а гидрофобная избегает контакта с ней. Поэтому в водной среде молекулы располагаются упорядоченно, а не распределяются равномерно. Такое свойство позволяет фосфолипидам образовать основу клеточных мембран.

Стероиды — липиды с характерным каркасом из четырёх соединённых углеродных колец. Пример стероида — холестерин, присутствующий в клеточных мембранах. Он участвует в их работе и служит исходным веществом для образования некоторых гормонов. По этому примеру видно, что липиды могут выполнять не только энергетическую, но и структурную и регуляторную функции.

Как это устроено

Разнообразие липидов связано с различиями в их молекулах. Глицерин и жирные кислоты входят в состав многих жиров, но липидная группа не ограничивается такими молекулами. У фосфолипидов, например, есть ещё фосфатсодержащая полярная часть, которая образует гидрофильную головку. Поэтому небольшие изменения состава и строения приводят к различию свойств и биологических ролей.

Большинство липидов плохо растворяется в воде из-за неполярных углеводородных участков. Молекулы воды полярны и хорошо взаимодействуют с другими полярными частицами, но не с такими участками липидов. Поэтому жир не смешивается с водой на уровне отдельных молекул и не образует истинного раствора. В неполярных органических растворителях взаимодействие лучше, и липиды могут растворяться.

Жиры удобны для запаса энергии, потому что в их молекулах содержится много химической энергии. При расщеплении жиров организм высвобождает её и использует в обмене веществ. Запас в виде жира можно хранить компактно, поэтому он подходит для длительного обеспечения организма энергией. Расположенный под кожей или вокруг органов жир дополнительно замедляет потерю тепла.

В воде фосфолипиды самопроизвольно располагаются так, чтобы гидрофильные головки соприкасались с водой, а гидрофобные хвосты были от неё скрыты. Поэтому хвосты обращаются друг к другу, формируя внутреннюю часть двойного слоя. Головки при этом направлены к водной среде с обеих сторон слоя. Такая организация создаёт основу мембраны, отделяющей внутреннюю среду клетки от внешней.

Разные группы липидов решают разные задачи благодаря особенностям строения и свойствам. Жиры дают запас энергии и теплоизоляцию, а водоотталкивающие воски уменьшают потерю воды с поверхности. Фосфолипиды формируют мембраны, тогда как стероиды могут участвовать в работе мембран и регуляции процессов. Таким образом, свойства конкретной молекулы определяют, где и как она действует в организме.

Основные группы липидов и их функции

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какая особенность строения или свойство описаны в условии. Затем сопоставьте их с функцией и примером в той же строке. Например, гидрофильная головка вместе с гидрофобными хвостами указывает на фосфолипиды.

Разбор задач

Задача 1. В клетке обнаружены молекулы, состоящие из глицерина и трёх остатков жирных кислот. Определите группу липидов и назовите две их функции. Нужно опереться на описание строения, а затем назвать функции, характерные именно для этой группы. Не следует выбирать мембранную функцию только потому, что речь идёт о клетке.

1. Сопоставляем состав молекулы с определением: глицерин и три остатка жирных кислот образуют триглицерид.
2. Вспоминаем основные роли триглицеридов: они запасают энергию и теплоизолируют организм.

Ответ: обнаружены триглицериды; их функции — запас энергии и теплоизоляция.

Задача 2. Объясните, как молекулы фосфолипидов располагаются в водной среде и почему такое расположение подходит для построения мембраны. Здесь важны не только названия частей молекулы, но и их отношение к воде. Из этого отношения можно вывести, какие участки окажутся снаружи, а какие — внутри слоя.

1. Определяем свойства частей: гидрофильные головки взаимодействуют с водой, гидрофобные хвосты избегают её.
2. Представляем расположение молекул: головки направлены к воде, хвосты обращены друг к другу.
3. Делаем вывод: возникает двойной слой, который может отделять водные среды по обе стороны мембраны.

Ответ: фосфолипиды образуют двойной слой с головками у воды и хвостами внутри; такой слой служит основой клеточной мембраны.

Задача 3. У водоплавающей птицы перья покрыты веществом, которое препятствует намоканию. Определите вероятную группу липидов и объясните, какое свойство обеспечивает этот эффект. Сначала связываем результат действия вещества с его свойством: вода не смачивает поверхность. Затем выбираем группу липидов, для которой такая защита характерна.

1. Устанавливаем функцию вещества: оно отталкивает воду и защищает поверхность пера от намокания.
2. Сопоставляем эту функцию с группами липидов: водоотталкивающую защиту обеспечивают воски.
3. Объясняем механизм: гидрофобные участки восков плохо взаимодействуют с водой.

Ответ: вероятнее всего, перья покрыты воском; его гидрофобность обеспечивает водоотталкивающий эффект.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все липиды устроены одинаково. Её допускают, потому что вещества объединены одним общим названием, которое легко принять за указание на единый тип молекул. На деле липиды различаются строением и функциями, поэтому при проверке ответа нужно уточнить, о какой группе идёт речь.

Ошибка — утверждать, что липиды не растворяются ни в каких средах. Часто свойства липидов запоминают только по их поведению в воде, забывая о других растворителях. Большинство липидов плохо растворяется в воде, но растворяется в неполярных органических растворителях; проверьте, указана ли среда.

Ошибка — приписывать триглицеридам и фосфолипидам одинаковые основные функции. Путаница возникает из-за того, что обе группы относятся к липидам и могут встречаться в организме. Сверьте строение: триглицериды состоят из глицерина и трёх остатков жирных кислот, а фосфолипиды имеют полярную головку и формируют основу мембран.

Ошибка — считать холестерин только вредным веществом. Такое представление может возникнуть из-за упоминаний о его избытке, но оно не описывает все роли холестерина в организме. Проверьте себя: холестерин входит в состав мембран и служит исходным веществом для синтеза ряда биологически активных соединений.

Связь с другими темами

Для понимания липидов полезно знать строение органических молекул и различать полярные и неполярные участки. Понятия растворимости и свойства воды помогают объяснить, почему жиры не смешиваются с водой. Эти знания позволяют выводить свойства вещества из строения, а не просто заучивать их.

Представление о гидрофильных головках и гидрофобных хвостах понадобится при изучении клеточных мембран. Оно помогает понять, почему фосфолипиды образуют двойной слой и как устроена граница клетки. Позже это знание связывают с транспортом веществ через мембрану.

Функции жиров, восков и стероидов связывают тему липидов с обменом веществ, гормональной регуляцией и приспособлениями к условиям среды. Запас энергии относится к обмену веществ, а участие стероидов в синтезе гормонов — к регуляции. Водоотталкивающие воски помогают организмам уменьшать потерю воды или избегать намокания.

Что запомнить

• Липиды — неоднородная группа органических веществ, многие из которых плохо растворяются в воде.
• Триглицериды состоят из глицерина и трёх остатков жирных кислот.
• Жиры служат запасом энергии и могут выполнять теплоизоляционную функцию.
• Фосфолипиды имеют гидрофильную головку и гидрофобные хвосты.
• Двойной слой фосфолипидов составляет основу клеточной мембраны.
• Воски защищают поверхности от потери воды и намокания.
• Холестерин — стероид, участвующий в работе мембран и образовании некоторых гормонов.