Функции жиров в клетке. Жиры: строение, химический состав, функции и применение

В отличие от углеводов, все жиры весьма неохотно контактируют с водой (т.е. являются сильно гидрофобными веществами). Это связано с тем, что любая молекула жира содержит три длинных углеводородных «хвоста», не имеющих существенных электростатических зарядов и потому избегающих взаимодействия с водой. Обычно в составе одной молекулы жира присутствуют разные углеводородные «хвосты». Они отличаются друг от друга своими размерами, а также количеством и расположением двойных ковалентных связей С=С. Впрочем, несмотря на указанные различия, все жиры устроены достаточно однообразно, а потому способны выполнять лишь ограниченный круг биологических функций.

Какие функции в организме выполняют жиры

Самая важная из этих функций - запасная. Действительно, у многих организмов основной запас питательных веществ образован именно жирами. Например, маслянистые плоды и семена некоторых растений (оливкового дерева, облепихи и подсолнечника) или жировые отложения у млекопитающих.

Вторая функция жиров - энергетическая. Дело в том, что различные жиры, как и глюкоза, тоже могут подвергаться окислению, в результате чего высвобождается необходимая энергия.

Хорошо известно, что жиры обладают низкой теплопроводностью. Поэтому у теплокровных животных (млекопитающих и птиц) жиры выполняют и термоизолирующую роль. Неудивительно, что отложения жира в основном расположены не внутри организма, а непосредственно под кожей. Этот слой должен быть особенно толстым у животных, постоянно подвергающихся риску переохлаждения (у китов, тюленей, пингвинов, белых медведей и др.). В частности, у синего кита этот слой достигает толщины в 1 м.

Очень важную биологическую функцию выполняют родственные жирам фосфолипиды. Они образуют основу клеточных мембран. Вместо одного из трех углеводородных «хвостов» молекула фосфолипида содержит сложный радикал с заряженной группой. Благодаря наличию сильных электростатических зарядов эта группа способна охотно контактировать с водой. Таким образом, в молекуле фосфолипида можно выделить два разных по свойствам участка: гидрофильную «головку» и сильно гидрофобные «хвосты» . Поэтому в водной среде (например, в цитоплазме клетки) молекулы фосфолипидов располагаются так, чтобы их гидрофильные «головки» контактировали с водой, а гидрофобные «хвосты» были обращены друг к другу. В результате происходит формирование различных структур, в том числе и двухслойных фосфолипидных мембран.

Итак, и углеводы, и жиры являются важными биоорганическими соединениями. В основном они выполняют запасную и энергетическую функции, а в ряде случаев - и некоторые другие. Тем не менее, из-за однообразия своего химического строения ни углеводы, ни жиры не способны обеспечить все остальные необходимые для жизни функции.

Под общим термином липиды (жиры) в науке объединяются все жироподобные вещества. Жиры представляют собой органические соединения, обладающие различным внутренним строением, но похожими свойствами. Эти вещества нерастворимы в воде. Но при этом они хорошо растворяются в других веществах - хлороформе, бензине. Жиры очень широко распространены в живой природе.

Исследования жиров

Строение жиров делает их незаменимым материалом для любого живого организма. Предположение о том, что эти вещества имеют одну скрытую кислоту, было сделано еще в XVII веке французским ученым Клодом Жозефом Жоруа. Он обнаружил, что процесс разложения мыла кислотой сопровождается выделением жирной массы. Ученый подчеркивал, что эта масса не является исходным жиром, поскольку отличается от него по некоторым свойствам.

Тот факт, что в строение липидов также входит глицерин, впервые был открыт шведским ученым Карлом Шееле. Полностью состав жиров был определен французским ученым Мишелем Шеврелем.

Классификация

По составу и строению жиры классифицировать очень сложно, поскольку в эту категорию входит большое количество веществ, различающихся по своему строению. Они объединяются только по одному признаку - гидрофобности. По отношению к процессу гидролиза биологи разделяют липиды на две категории - омыляемые и неомыляемые.

К первой категории относится большое число стероидных жиров, в состав которых входит холестерол, а также производные от него: стероидные витамины, гормоны, а также желчные кислоты. В категорию омыляемых жиров попадают липиды, называемые простыми и сложными. Простые - это те, что состоят из спирта, а также жирных кислот. К данной группе относятся различные типы воска, эфиры холестерола и другие вещества. Сложные жиры содержат в себе, помимо спирта и жирных кислот, другие вещества. К этой категории относятся фосфолипиды, сфинголипиды и другие.

Есть и другая классификация. Согласно ей, к первой группе жиров относятся нейтральные жиры, ко второй - жироподобные вещества (липоиды). К нейтральным относят комплексные жиры трехатомного спирта, например глицерина, или же ряда других жирных кислот, имеющих сходное строение.

Разнообразие в природе

К липоидам относят те вещества, которые встречаются в живых организмах, независимо от их внутреннего строения. Жироподобные вещества могут растворяться в эфире, хлороформе, бензоле, горячем спирте. Всего в природе найдено более 200 различных жирных кислот. При этом широкое распространение имеют не более 20 типов. Содержатся они как в животных организмах, так и в растениях. Жиры являются одной из главных групп веществ. Они обладают очень высокой энергетической ценностью - из одного грамма жира выделяется 37,7 кДж энергии.

Функции

Во многом функции, выполняемые жирами, зависят от их типа:

Резервно-энергетическая. Вещества подкожного жира являются основным источником питания живых существ при голодании. Также они представляют собой источник питания для поперечно-полосатых мышц, печени, почек.
Структурная. Жиры входят в состав межклеточных мембран. Главными их компонентами являются холестерол и гликолипиды.
Сигнальная. Липиды выполняют различные рецепторные функции и участвуют во взаимодействии между клетками.
Защитная. Подкожный жир также является хорошим термоизолирующим веществом для живых организмов. Он обеспечивает и защиту внутренних органов.

Строение жиров

Одна молекула любого липида состоит из остатка спирта - глицерина, а также трех остатков различных жирных кислот. Поэтому жиры иначе называются триглицеридами. Глицерин представляет собой бесцветную и вязкую жидкость, у которой нет запаха. Он тяжелее воды, и потому легко смешивается с ней. Температура плавления глицерина составляет +17,9 о С. Практически во все категории липидов входят жирные кислоты. По химическому строению жиры - это сложные соединения, которые включают в себя трехатомный глицерин, а также высокомолекулярные жирные кислоты.

Свойства

Липиды вступают в любые реакции, которые свойственны сложным эфирам. Однако у них есть и некоторые характерные особенности, связанные с их внутренним строением, а также наличием глицерина. По своему строению жиры также делятся на две категории - насыщенные и ненасыщенные. Насыщенные не содержат двойных атомных связей, ненасыщенные - содержат. К первым принадлежат такие вещества, как стеариновая и пальмитиновая кислоты. К ненасыщенным относится, к примеру, олеиновая кислота. Помимо различных кислот, строение жиров включает в себя также некоторые жироподобные вещества - фосфатиды и стерины. Они также имеют больше значение для живых организмов, так как участвуют в синтезе гормонов.

Большая часть жиров являются легкоплавкими - иными словами, они остаются в жидком состоянии при комнатной температуре. Животные жиры, наоборот, при комнатной температуре остаются твердыми, поскольку содержат большое количество насыщенных жирных кислот. К примеру, говяжье сало содержит следующие вещества - глицерин, пальмитиновую и стеариновую кислоты. Пальмитиновая плавится при температуре 43 о С, а стеариновая - при 60 о С.

Основной предмет, в рамках которого школьники изучают строение жиров - химия. Поэтому ученику желательно знать не только набор тех веществ, которые входят в состав различных липидов, но также иметь понимание их свойств. Например, жирные кислоты являются основой растительных жиров. Это вещества, которые получили свое название от процесса их выделения из липидов.

Липиды в организме

Химическое строение жиров - это остатки глицерина, который хорошо растворяется в воде, а также остатки жирных кислот, которые, наоборот, в воде нерастворимы. Если нанести каплю жира на поверхность воды, то в ее сторону обратится глицериновая часть, а сверху будут располагаться жирные кислоты. Эта ориентация очень важна. Слой жира, который входит в состав клеточных оболочек любого живого организма, препятствует растворению клетки в воде. Особенно важными являются вещества под названием фосфолипиды.

Фосфолипиды в клетках

Они также содержат в своем составе жирные кислоты и глицерин. Фосфолипиды отличаются от других групп жиров тем, что содержат также и остатки фосфорной кислоты. Фосфолипиды являются одними из важнейших компонентов клеточных оболочек. Также большую важность для живого организма несут и гликолипиды - вещества, содержащие в себе жиры и углеводы. Строение и функции этих веществ позволяют им осуществлять различные функции в нервной ткани. В частности, большое их количество содержится в тканях головного мозга. Гликолипиды размещаются на внешней части плазматических мембран клеток.

Строение белков, жиров и углеводов

АТФ, нуклеиновые кислоты, а также белки, жиры и углеводы относятся к органическим веществам клетки. Они состоят из макромолекул - больших и сложных по своему строению молекул, содержащих, в свою очередь, более мелкие и простые частицы. В природе встречаются три типа питательных веществ - это белки, жиры и углеводы. Строение они имеют разное. Несмотря на то, что каждый из этих трех типов веществ относится к углеродным соединениям, один и тот же атом углерода может образовывать различные внутриатомные соединения. Углеводы представляют собой органические соединения, которые состоят из углерода, водорода, а также кислорода.

Отличия в функциях

Различается не только строение углеводов и жиров, но и их функции. Углеводы расщепляются быстрее, чем остальные вещества - и поэтому они могут образовывать большее количество энергии. Находясь в организме в большом количестве, углеводы могут трансформироваться в жиры. Белки же не поддаются такой трансформации. Их строение намного сложнее, чем строение углеводов. Строение углеводов и жиров делает их основным источником энергии для живых организмов. Белки же являются теми веществами, которые расходуются в качестве строительного материала для поврежденных клеток в организме. Недаром они носят название «протеины» - слово «протос» произошло от древнегреческого языка и переводится как «тот, кто на первом месте».

Белки представляют собой линейные полимеры, содержащие в себе соединенные ковалентными связями аминокислоты. К настоящему времени они разделяются на две категории: фибриллярные и глобулярные. В строении белка различают первичную структуру и вторичную.

Состав и строение жиров делают их незаменимыми для здоровья любого живого организма. При заболеваниях и снижении аппетита отложенный жир действует в качестве дополнительного источника питания. Он является одним из главных источников энергии. Однако избыточное употребление жирных продуктов может ухудшить усвоение белка, магния, а также кальция.

Применение жиров

Люди давно научились применять эти вещества не только для питания, но и в быту. Жиры использовали для светильников еще во времена доисторической эпохи, ими смазывали полозья, при помощи которых корабли спускались на воду.

Эти вещества широко применяются в современной промышленности. Около трети всех производимых жиров имеет техническое предназначение. Остальные предназначены для употребления в пищу. В большом количестве липиды используют в парфюмерной индустрии, косметике, отрасли мыловарения. В пищу употребляются, главным образом, растительные масла - обычно они входят в состав различных продуктов питания, таких, как майонез, шоколад, консервы. В промышленной отрасли липиды используют для производства различных видов красок, лекарств. Также рыбий жир добавляют в олифу.

Технический жир обычно получают из отходов пищевого сырья и используют для производства мыла, хозяйственных средств. Также его добывают из подкожного жира различных морских животных. В фармацевтике он применяется для производства витамина А. Особенно его много в печени тресковых рыб, абрикосовом и персиковом маслах.

Жиры - один из основных питательных компонентов, поступающий в наш организм с пищей. Липиды очень важны для человека, без них невозможно представить себе нормальное существование любого живого существа. Ценность данных веществ выражается в том, что они являются основными структурными элементами любых клеточных мембран. К тому же данные вещества являются универсальными источниками энергии.

Функции жиров в живом организме

Они незаменимы для организма человека, так как участвуют в нескольких очень важных функциях:

Пластическая функция. Некоторые жиры являются основным компонентом простагландинов, веществ без которых не возможна нормальная регуляция кровяного давления. Белое и серое вещество нервной ткани практически на 90 процентов состоят из жиров различного происхождения.

Это второй универсальный растворитель. Те вещества, которые не растворимы в воде, с успехом растворяются в жирах.

Следует заметить, что многие органы человеческого тела фиксируются на своих местах жировыми подушками. При истощении, некоторые органы опускаются, что приводит к различным патологическим ситуациям.

Жировые отложения необходимы любому организму, так как являются отличными теплоизоляторами. При истощении человеческое тело очень быстро теряет тепло. Данная ситуация особенно страшна в детском возрасте.

Липиды - источник энергии для нашего тела. Отмечу, что при расщеплении одного грамма высвобождается 9,3 килокалории тепла. Для сравнения, один грамм углеводов способен выделить лишь 4,1 килокалории.

Классификация жиров

Специалисты-химики условно разделяют все жиры на две категории: насыщенные и не насыщенные. В основе этого разделения лежит количество специфических жирных кислот. Давайте разберемся, в чем заключаются отличия между ними?

Насыщенные жиры содержатся в продуктах преимущественно животного происхождения. Представители данной категории не несут особой ценности для организма. Данные вещества практически не перерабатываются нашим организмом и являются основным строительным компонентом злосчастных жировых отложений.

Недаром специалисты окрестили такие липиды эпитетом «плохие». Эти компоненты пищи способствуют увеличению уровня холестерина в крови. Вследствие этого провоцируется возникновение таких грозных заболеваний как атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда. Разумеется, употребление этих триглицеридов необходимо ограничить до минимума.

Ненасыщенные жиры поступают в наш организм преимущественно с растительной пищей. Данная группа липидов образно называется «хорошими». Этот эпитет не случаен, ибо они оказывают плодотворное влияние на большинство метаболических процессов, осуществляющихся в человеческом организме. Представители этой группы делятся еще на две категории: мононенасыщенные и полиненасыщенные.

Мононенасыщенные жиры это самые полезные липиды. Они состоят из жирных кислот класса омега 9. Их положительное влияние сложно переоценить. Эти вещества участвуют в процессах биосинтеза белков, веществ, без которых не мыслима нормальная деятельность организма. Уровень холестерина в крови значительно снижается под их воздействием. Рекордсменом по содержанию представителей этой категории является оливковое масло.

Полиненасыщенные жиры состоят из кислот класса омега 3. Эти вещества являются самыми жидкими липидами, что положительно сказывается на многих системах человеческого тела, прежде всего, сердечно - сосудистой и мочевыделительной.

Под их влиянием улучшается проницаемость клеточной стенки, к тому же они полностью перерабатывается в организме, а, следовательно, не являются компонентами пресловутых жировых отложений. «Чемпионами» по содержания данных веществ являются - льняное масло, морская рыба, грецкие орехи.
Особняком среди полиненасыщенных жиров выделяется группа транс-жиров. Это продукты исключительно искусственного происхождения, и содержатся они в маргарине, картофельных чипсах и в некоторых других. Вредное воздействие этих липидов выражается в поражении клеточных стенок, что не может не сказаться на работе всех органов тела человека. Стоит избегать их употребления.

Метаболизм жиров

Они начинают ферментироваться в тонком кишечнике. Под воздействием липазы происходит расщепление жира на составляющие: глицерин и жирные кислоты. Немаловажную роль в этом процессе играет желчь, так как она содержит натуральные детергенты, облегчающие доступ ферментирующих веществ к молекуле липидов.

Далее происходит всасывание перечисленных выше компонентов в стенку кишечника, в которой осуществляются процессы ресинтеза жиров. В лимфатическую систему поступают вещества, называемые хиломикронами, из которых в последующем формируются другие жиры, нужные для нормальной работы всех органов и систем. Немаловажную роль в этом играет печень - химическая лаборатория нашего тела.

В свою очередь в каждом органе происходят процессы биологической утилизации жиров с формирование конечных продуктов.

Заключение

Я рассмотрела функции жиров в организме человека, классификация жиров пищи какая существует. Безусловно, жиры это очень важный компонент пищи. Без них организм не будет правильно функционировать. Однако при избытке последних, например, при не правильном или не сбалансированном питании, в человеческом теле запускаются тяжёлые патологические процессы. Конечно же, не следует полностью исключать жирную пищу из рациона, возможно, следует просто ограничить прием некоторых продуктов. Будьте умеренны в питании и будете здоровы!

· Энергетическая функция: снабжают организм энергией. Калорическая ценность жиров выше, чем у углеводов и белков (1г жира даёт при окислении около 9 ккал). Энергетическую роль выполняют резервные жиры
· Пластическая функция: жиры входят в состав всех мембран, составляя их каркас. Эту роль выполняют структурные белки.
· Регуляторные функции:
- а) липиды определяют проницаемость клеточных мембран, регулируют активность мембранных ферментов
- б) из липидов синтезируются особые тканевые гормоны эйкозаноиды
· Защитная функция: липиды создают механическую защиту внутренних органов от повреждений и травм
· Терморегуляторная функция: липиды подкожной клетчатки снижают теплоотдачу организма
· Участвуют в проведении нервных импульсов, формируют миелиновые оболочки нервных пучков, играющие роль «электроизолятов»
· Липиды растворяют жирорастворимые витамины
· Жиры являются важными источниками эндогенной воды

Состав клеточных мембран. В состав клеточных мембран в различных соотношениях входят белки, жиры и углеводы. На долю белков в среднем приходится 50%, липидов - 30%, углеводов - 10%.

Белки представлены ферментами, структурными, транспортными, рецепторными белками. Около половины липидов мембран составляют глицерофосфолипиды, треть приходится на холестерин, меньшая часть - на сфинголипиды. Углеводы клеточных мембран представлены компонентами гликосфинголипидов, гликопротеидов.

Структура клеточных мембран. В настоящее время общепринятой является мозаичная структура клеточной мембраны. Согласно этой модели, основу клеточной мембраны составляют глицерофосфолипиды, которые ориентированы в мембране таким образом, что гидрофильные участки находятся на поверхности, а гидрофобные в глубине клеточной мембраны. В силу дифильности глицерофосфолипиды образуют билипидный слой. Фосфолипиды в клеточных мембранах располагается ассимитрично, на поверхности плазматической мембраны располагается в основном фосфатидилхолин, а внутри фосфотидилколамин и фосфатидилсерин.

Белки в клеточных мембранах делятся на поверхностные белки и интергральные. Интегральные белки обычно расположены в мембране асимметрично. Толщину мембраны пронизывает гидрофобные участки белка, чаще всего уложенные в виде альфа - спирали, С-конец полипептидной цепи находится на внутренней поверхности, а N-конец на внешней поверхности мембраны. Очень часто к N-концевому фрагменту присоединяются углеводы, выполняющие рецепторную функцию. Гидрофобные части белка связываются с гидрофобными участками липидов, а гидрофильные с гидрофильными участками липидов.

Физико-химические свойства мембран определяются химическим составом мембран и температурой окружающей среды. Жёсткость мембранам придают холестерин и насыщенные жирные кислоты. Непредельные жирные кислоты придают текучесть липидам клеточной мембраны. При низкой температуре фосфолипиды достаточно жёстко зафиксированы в составе мембраны, при повышении температуры возможно перемещение липидов. При температуре тела жиры находятся в жидком состоянии.

Функции клеточных мембран

1. Разделительная функция - мембраны придают форму клеткам, формируют внутренние отсеки, взаимодействуют со структурой цитоскелета.
2. Коммуникативная функция - мембраны обеспечивают межклеточные контакты с помощью рецепторов.
3. Метаболическая функция - в клеточные мембраны встроены мембранные ферменты.
4. Транспортная функция - через мембрану осуществляется транспорт веществ.
5. Рецепторная функция - избирательное взаимодействие рецепторов мембран с различными веществами.

Транспорт веществ через клеточные мембраны

1. Пассивный транспорт веществ, который осуществляется по градиенту концентрации через соответствующие мембранные каналы
2. Активный транспорт против градиента концентрации с использованием энергии АТФ
3. Облегчённый транспорт, в котором участвуют особые дополнительные транспортные белки, осуществляющие или однонаправленное перемещение двух веществ, или разнонаправленное перемещение двух веществ через мембрану

4. Транспорт макромолекул осуществляется путём эндоцитоза или экзоцитоза.

Переваривание жиров.

Для взрослого человека суточная потребность в жирах составляет 70-80 г, для детей 5 - 7 г/кг.

У взрослых людей процесс пищеварения происходит в тонком кишечнике. Необходимыми условиями для этого являются:

- наличие ферментов
- оптимальное рН
- эмульгирование жиров

Необходимость эмульгирования жиров связана с водонерастворимостью жиров. Водорастворимые ферменты могут действовать на липиды только на поверхности жировой капли. Эмульгирование повышает поверхность раздела липид / вода и обеспечивает большую поверхность контакта фермента и жира. В эмульгировании жиров основную роль играют жёлчные кислоты, выделяемые в просвет кишечника в составе жёлчи.

Различают простые и парные, первичные и вторичные жёлчные кислоты:

Простые жёлчные кислоты являются производными холановой кислоты.

К простым жёлчным кислотам относятся холевая, дезоксихолевая кислота, хенодезоксихолевая и литохолевая кислоты.

Синтез желчных кислот из холестерина происходит в печени. Ключевым ферментом является 7-альфагидроксилаза. Она переводит холестерин при участии цитохрома Р 450 в 7-альфахолестерин - 3,7 (ОН) 2 . Он, в свою очередь, переходит в хенодезоксихолевую кислоту 3,7 (ОН) 2 путём укорочения бокового радикала и в холевую кислоту 3,7,12 (ОН) 3 . Эти две кислоты являются первичными жёлчными кислотами. Их полярность увеличивается при образовании парных жёлчных кислот путём присоединения глицина (гликокола) и таурина.

У взрослого человека до 80% всех жёлчных кислот представлено гликохолевой и таурохолевой кислотами. В кишечнике под действием микрофлоры происходит отцепление таурина, гликокола и ОН группы в 7 положении с образованием вторичных желчных кислот: дезоксихолевой и литохолевой.

Все жёлчные кислоты относятся к поверхностно активным веществам, имеющим в своем составе гидрофобные и гидрофильные участки. Гидрофильными являются ОН - группы, остатки таурина и гликокола, а гидрофобными - радикал жёлчной кислоты. Благодаря дифильности жёлчные кислоты располагаются в поверхностном слое жировой капли и уменьшают поверхностное натяжение.

В результате снижения поверхностного натяжения под действием перистальтики кишечника, выделения СО 2 происходит дробление крупных капель жира на множество мелких - эмульгирование, резко возрастает поверхность соприкосновения капель жира и ферментов.

Липолитические ферменты, участвующие в переваривании жиров, активны при pН 8 - 8,5. Такая среда обеспечивается секрецией бикарбонатов поджелудочной железой.

Основные ферменты переваривания жиров вырабатываются поджелудочной железой и стенкой тонкого кишечника.

В переваривании ТАГ участвует поджелудочная липаза. Она вырабатывается в неактивной форме, и в тонком кишечнике взаимодействует с дополнительным белком колипазой, который повышает активность липазы и обеспечивает контакт фермента с соответствующими жирами. Поджелудочная липаза отщепляет последовательно остатки жирных кислот из альфа-положении с образованием бета - моноацилглицерина (в -МАГ)

Образующиеся бета-МАГ могут в дальнейшем подвергаться расщеплению под действием липазы до глицерина и жирных кислот. Около 50% МАГ подвергается всасыванию.

Переваривание глицерофосфолипидов происходит под действием ферментов поджелудочной железы фосфолипаз, которые чаще всего обозначаются как фосфолипаза А, А 2 , С, Д. Под действием фосфолипазы А 2 отщепляется остаток жирной кислоты из в - положения с образованием продукта неполного распада глицерофосфолипида - лизофосфолипида. Лизофосфолипиды являются поверхностно активными веществами и усиливают процессы эмульгирования жиров.

Под действием фосфолипазы А отщепляется остаток жирной кислоты в б - положении. Фосфолипаза С отрывает остаток фосфорной кислоты, а фосфолипаза Д - остаток холина. Таким образом, при полном распаде глицерофосфолипидов образуются глицерин, жирные кислоты, Н 3 РО 4 , холин.