Рассмотренные выше липиды часто называют омыляемыми, поскольку при их нагревании образуются мыла (в результате отщепления жирных кис лот). В клетках содержатся также, хотя и в меньшем количестве, липиды другого класса, которые называют неомыляемыми , потому что они не гидро-лизуются с освобождением жирных кислот. Известны два основных типа неомыляемых липидов: стероиды и терпены . Эти химические соединения относятся к двум разным классам, однако у них имеется ряд очень сходных черт, которые обусловлены тем, что все они построены из одних и тех же пяти-углеродных строительных блоков.

Стероиды

Стероиды являются производными пергидроциклопентанфенантренового ядра, содержащего три конденсированных циклогексановых кольца. Наиболее распростра ненный стерин животных тканей - хо лестерин - содержится в организме, как в свободной, так и в этерифицированной форме. Кристалличе ский холестерин представляет собой белое, оптически активное вещество, плавящееся при 150 С С. Он нераство рим в воде, но легко экстрагируется из клеток хлороформом, эфиром, бен золом или горячим спиртом.

Холестерином богаты плазматические мембраны многих животных клеток. Важ ным промежуточным продуктом в биосинтезе холестерина является ланостерин, входящий в состав ланолина (жира овечьей шерсти).

В растениях холестерин не обнаружен. У растений имеются другие сте-рины, известные под общим названием фитостеринов.

Терпены

К числу липидных компонентов, встречающихся в клетках в сравни тельно небольшом количестве, принадлежат терпены , молекулы которых построены путем объединения нескольких молекул пятиуглеродного угле водорода изопрена (2-метил-1,3-бутадиена). Терпены, содержащие две изопреновые группировки, называются монотерпенами, а содержащие три такие группировки - сесквитерпенами ; терпены, содержащие 4, 6 и 8 изопреновых группировок, называются соответственно дитерпенами, три-терпенами и mempamepпенами. Молекулы терпенов могут иметь линейное или циклическое строение; встречаются также терпены, в молекулах которых имеются как линейные, так и циклические компоненты.

В растениях обнаружено очень большое число моно- и сесквитерпенов.Так, монотерпены гераниол, лимонен, ментол, пинен, камфора и карвон служатглавными компонентами соответственно гераниевого, лимонного, мятного,скипидарного, камфарного и тминного масел. Примером сесквитерпеновможет служить фарнезол. К дитерпенам относится фитол, являющийся компонентом фотосинтетического пигмента хлорофилла, а также витамин А. К числу тритерпенов относятся сквален и ланостерин, играющие роль важных предшественников при био синтезе холестерина. Из других высших терпенов следует назвать кароти- ноиды, принадлежащие к группе тетратерпенов.

Липопротеиды

Полярные липиды ассоциируют с некоторыми специфичными белками, образуя липопротеиды из которых наиболее известны транспортные липо протеиды, присутствующие в плазме крови млекопитающих. В таких слож ных белках взаимодействия между липидом (липидами) и белковыми компо нентами осуществляются без участия шуналлунтных. связей. Липопротеиды содержат обычно как полярные, так и нейтральные липиды, а также холе стерин и его эфиры. Они служат той формой, в которой липиды транспорти руются из тонкого кишечника в печень и из печени в жировую ткань, а так же в различные другие ткани. В плазме крови было обнаружено несколько классов липопротеидов; классификация этих липопротеидов основана на раз личиях в их плотности.

САХАРА

Углеводами или сахаридами называют полиоксиальдегиды и полиокси-кетоны с общей формулой (СН 2 О) П. , а также производные этих соединений. Моносахариды, или простые сахара , состоят из одной полиоксиадьдегидной или полиоксикетонной единицы. Наиболее распространенным моносахаридом является шестиуглеродный сахар D-глюкоза; это исходный моносахарид,от которого происходят все другие сахариды. Молекулы D-глюкозы служат главным видом клеточного топлива у большинства организмов и выступают в роли строительных блоков, или предшественников, наиболее распростра ненных полисахаридов.

Олигосахариды содержат от 2 до 10 моносахаридных единиц, соединен ных гликозидной связью. Молекулы полисахаридов представляют собой: очень длинные цепи, построенные из многих моносахаридных единиц; цепи могут быть как линейными, так и разветвленными. Большинство полисахари- дов содержит повторяющиеся моносахаридные единицы одного и того же вида или двух чередующихся видов; поэтому они не могут выполнять роль-информационных макромолекул.

В биосфере, по всей вероятности, больше углеводов, чем всех других органических соединений, вместе взятых. Объясняется это главным образом повсеместным распространением в больших количествах двух полимеров D-глюкозы, а именно целлюлозы и крахмала. Целлюлоза - главный внекле точный структурный компонент волокнистых и одревесневших раститель ных тканей. Крахмал тоже содержится в растениях в чрезвычайно больших количествах; он служит той главной формой, в которой запасается клеточное топливо.

Лекция № 18

ЛИПИДЫ

1. Омыляемые липиды.

1.2. Нейтральные липиды.

1.3. Фосфолипиды.

1.4. Гликолипиды.

2. Неомыляемые липиды.

2.1.Терпены.

2.2. Стероиды.

Лекция № 18

ЛИПИДЫ

1. Омыляемые липиды.

1.1. Классификация и основные структурные компоненты.

1.2. Нейтральные липиды.

1.3. Фосфолипиды.

1.4. Гликолипиды.

2. Неомыляемые липиды.

2.1.Терпены.

2.2. Стероиды.

Липиды – это входящие в состав живых организмов жироподобные
вещества, плохо растворимые в воде и хорошо растворимые в неполярных
органических растворителях. Под этим названием объединяют разные по химическому
строению и биологическим функциям вещества, которые извлекают из растительных и
животных тканей путем экстракции неполярными органическими растворителями.

В зависимости от способности к гидролизу с образованием солей высших жирных
кислот (мыл) липиды делят на омыляемые и неомыляемые .

1. Омыляемые липиды

Омыляемые липиды состоят из двух или более структурных
компонентов, на которые они расщепляются при гидролизе под действием кислот,
щелочей или ферментов липаз.

1.1. Классификация и основные
структурные компоненты.

Основными структурными компонентами омыляемых липидов являются спирты и
высшие жирные кислоты. Омыляемые липиды более сложного строения могут содержать
остатки фосфорной кислоты, аминоспиртов, а также остатки моно- и
олигосахаридов.

Высшие жирные кислоты – это карбоновые кислоты, насыщенные или ненасыщенные,
выделенные из жиров путем гидролиза. Для их строения характерны следующие
основные особенности:

• имеют неразветвленную
  структуру с четным числом атомов углерода от С 2 до С 80 ,
  но чаще всего встречаются кислоты состава С 16 , С 18 и С 20 ;
• ненасыщенные кислоты,
  как правило, содержат двойную связь в положении 9;
• если двойных связей
  несколько, то они разделены группой СН 2 ;
• двойные связи в
  ненасыщенных кислотах имеют цис -конфигурацию.

Основные жирные кислоты приведены в таблице 12.

Таблица 12. Основные жирные
кислоты в составе липидов.

Название		Число атомов С			Структура
Насыщенные
Масляная				СH 3 (CH 2) 2 COOH
Капроновая				СH 3 (CH 2) 4 COOH
Каприловая				СH 3 (CH 2) 6 COOH
Каприновая				СH 3 (CH 2) 8 COOH
Лауриновая				СH 3 (CH 2) 10 COOH
Миристиновая				СH 3 (CH 2) 12 COOH
Пальмитиновая				СH 3 (CH 2) 14 COOH
Стеариновая				СH 3 (CH 2) 16 COOH
Арахиновая				СH 3 (CH 2) 18 COOH
Ненасыщенные
Олеиновая
Линолевая
Линоленовая
Арахидоновая

Ненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая) являются незаменимыми и поступают в организм человека в основном с растительными маслами. Насыщенные
жирные кислоты синтезируются в организме из уксусной кислоты ферментативным
путем.

В составе липидов высшие жирные кислоты связаны сложноэфирными или амидными
связями со спиртами, важнейшими из которых являются трехатомный спирт глицерин и аминоспирт сфингозин.

Сфингозин содержит два хиральных атома углерода в положениях 2 и 3, а также
кратную связь и, следовательно, имеет 8 стереоизомеров. Природный сфингозин
имеет транс -конфигурацию двойной связи и D-конфигурации хиральных
центров.

В соответствии с их химическим строением и биологическими функциями
различают три основные группы омыляемых липидов: нейтральные липиды,
фосфолипиды и гликолипиды.

1.2. Нейтральные липиды

Нейтральные липиды представляют собой сложные эфиры высших жирных кислот и
спиртов (высших одноатомных, глицерина, холестерина и др). Наиболее важными из
них являются триацилглицериды и воски.

Триацилглицериды

Триацилглицериды – это сложные эфиры глицерина и высших жирных
кислот.

Общая формула:

Простые триацилглицериды содержат остатки одинаковых, смешанные – разных
жирных кислот. Названия триацилглицеридов строятся на основе названий ацильных
остатков, входящих в их состав жирных кислот.

Смешанные триацилглицериды могут содержать хиральный атом углерода в
положении 2 и иметь энантиомеры, например:

Для их обозначения используется стереоспецифическая нумерация (sn). Если в
проекции Фишера группа ОН (или ее производное) при С 2 находятся
слева, то атому С над ней присваивается номер 1, а под ней – номер 3 и
наоборот, например:

Триацилглицериды – малополярные, не растворимые в воде вещества, так как их
молекулы не содержат сильнополярных или заряженных групп. Триацилглицериды,
содержащие преимущественно остатки ненасыщенных кислот, при обычных условиях
являются жидкостями, насыщенных кислот – твердыми веществами. Они входят в
состав животных жиров и растительных масел, которые представляют собой смеси
триацилглицеридов. Животные жиры содержат в основном триацилглицериды с
остатками насыщенных кислот и поэтому имеют твердую консистенцию. Растительные
масла включают в основном остатки ненасыщенных кислот и являются жидкостями.
Основная биологическая функция триацилглицеридов – запасные вещества животных и
растений.

Химические свойства триацилглицеридов определяются наличием сложноэфирной
связи и ненасыщенностью. Как сложные эфиры триацилглицериды гидролизуются под
действием кислот и щелочей, а также вступают в реакцию переэтерификации.

При щелочном гидролизе (омылении) жиров образуются соли жирных кислот
(мыла). Их молекулы дифильны (содержат полярную “голову” и неполярный “хвост”),
что обуславливает их повехностно-активные свойства и моющее действие.

По реакции переэтерификации получают смеси сложных эфиров жирных кислот,
которые в отличие от самих кислот легко летучи и могут быть разделены путем
перегонки или газожидкостной хроматографии. Далее путем гидролиза их превращают
в индивидуальные карбоновые кислоты или используют в виде эфиров, например, в
качестве лекарственных препаратов, восполняющих недостаток незаменимых жирных
кислот в организме (лекарственный препарат линетол ).

Триацилглицериды, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот, вступают в
реакции присоединения по двойной связи.

Реакция присоединения галогенов используется для определения содержания
остатков ненасыщенных кислот в жирах. Количественной характеристикой степени
ненасыщенности жиров служит иодное число – количество иода (в г),
которое могут поглотить
100 г
жира. У животных жиров иодное число меньше 70, у растительных масел больше 70.

Важным промышленным процессом является гидрогенизация жиров – каталитическое
гидрирование растительных масел, в результате которого водород насыщает двойные
связи, и жидкие масла превращаются в твердые жиры (маргарин). В процессе
гидрогенизации происходит также изомеризация – перемещение двойных связей (при
этом из полиненасыщенных кислот образуются кислоты с реакционноспособными, в
том числе и в реакциях окисления, сопряженными двойными связями) и изменение их
стереохимической конфигурации (цис в транс ), а также частичное
расщепление сложноэфирных связей. Существует мнение, что при этом образуются
вещества небезопасные для организма. Наибольшей пищевой ценностью обладают
растительные масла, которые наряду с незаменимыми жирными кислотами содержат
необходимые для организма фосфолипиды, витамины, полезные фитостерины
(предшественники витамина D) и практически не содержат холестерин.

Воски

Воски – это сложные эфиры жирных кислот и высших одноатомных спиртов
(С 12 – С 46). Воски входят в состав защитного покрытия
листьев растений и кожи человека и животных. Они придают поверхности
характерный блеск и водоотталкивающие свойства, что важно для сохранения воды
внутри организма и создания барьера между организмом и окружающей средой.

1.3. Фосфолипиды

Фосфолипиды – общее название липидов, содержащих остаток фосфорной кислоты.
Фосфолипиды – основные липидные компоненты клеточных мембран.

Фосфоглицериды

Основные структурные компоненты, составляющие молекулы фосфоглицеридов, –
это глицерин, жирные кислоты, фосфорная кислота, аминоспирты (этаноламин или
холин) или аминокислота серин. Их рассматривают как производные
L-глицеро-3-фосфата

в котором спиртовые группы этерифицированы жирными кислотами, а остаток
фосфорной кислоты образует сложноэфирную связь с аминоспиртом. Общая формула
фосфоглицеридов:

При нагревании в кислой и щелочной средах фосфоглицериды гидролизуются,
распадаясь на основные структурные компоненты.

Фосфосфинголипиды

Основные структурные компоненты молекул фосфосфинголипидов – сфингозин,
жирные кислоты, фосфорная кислота, аминоспирты этаноламин или холин.

Общая формула:

Молекулы фосфолипидов дифильны . Они содержат полярную гидрофильную
“голову” и неполярный гидрофобный “хвост”. В водной среде они способны
образовывать сферические мицеллы – липосомы , которые можно рассматривать
как модель клеточных мембран.

Фосфолипиды – основные структурные компоненты клеточных мембран. Согласно жидкостно-мозаичной модели клеточные мембраны рассматриваются как липидные бислои. В таком бислое
углеводородные радикалы фосфолипидов за счет гидрофобных взаимодействий
находятся внутри, а полярные группы липидов располагаются на внешней
поверхности бислоя. В жидкий липидный бислой встроены молекулы белков.

1.4.
Гликолипиды

Гликолипиды содержат углеводные остатки и не содержат фосфорной кислоты.
Наиболее важными из них являются гликосфинголипиды . Основные структурные
компоненты гликосфинголипидов: сфингозин, жирная кислота, моно- или
олигосахсрид. Общая формула:

Типичные представители гликосфинголипидов – цереброзиды и ганглиозиды .

Цереброзиды содержат остатки D-галактозы или D-глюкозы, которые связаны с ОН
группой сфингозина b -гликозидной
связью. Цереброзиды входят в состав мембран нервных клеток.

Ганглиозиды содержат остатки сложных олигосахаридов, способных нести
отрицательный заряд за счет присутствия в них остатков сиаловых кислот.
Ганглиозиды выделены из серого вещества мозга. Они образуют рецепторные участки
на поверхности клеточных мембран.

2.
Неомыляемые липиды

К неомыляемым относят липиды, которые не являются производными жирных кислот
и не способны к гидролизу. Под этим названием имеют в виду огромное число
разных по химическому строению и биологическим функциям природных соединений,
которые объединяет сходство в строении углеродного скелета. Углеродный остов их
молекул простроен из пятиуглеродных изопентановых фрагментов, соединенных по
типу “голова к хвосту”.

По строению скелета и ненасыщенности их можно рассматривать как олигомеры
диенового углеводорода изопрена. Отсюда происходит другое их название – изопреноиды .
Сходство в строении объясняется общими путями биосинтеза изопреноидов. Они
образуются в живых организмах ферментативным путем из уксусной кислоты.
Ключевым промежуточным соединением, из пятиуглеродных фрагментов которого
строится углеродный скелет изопреноидов, является изопентенилфосфат:

Известны две основные группы изопреноидов: терпены и стероиды .

2.1. Терпены

Терпенами называют углеводороды состава (С 5 H 8) n ,
где nі 2, которые формально можно
рассматривать как продукты олигомеризации изопрена (хотя в действительности они
образуются другим путем):

Терпены классифицируют по числу изопреновых звеньев в молекуле.

Таблица 13. Классификация терпенов.

Тип терпена	Число изопреновых звеньев (С 5 H 8) n	Число атомов углерода
Монотерпен
Сесквитерпен
Дитерпен
Тритерпен
Тетратерпен

Отсутствие терпенов с нечетным числом изопреновых звеньев (за исключением
сесквитерпенов) объясняется особенностями их биосинтеза. Кроме того, каждый тип
терпенов может иметь линейную структуру или содержать один, два, три и более
циклов.

Монотерпены и терпеноиды

Монотерпены – это димеры изопрена; имеют состав С 10 Н 16 .
Это легко летучие соединения с приятным запахом, которые составляют основу
эфирных масел растений. Известны монотерпны ациклического, моно-, би- и
трициклического строения.

Ациклические монотерпены

Ациклические монотерпены имеют линейную структуру и содержат три двойных
связи.

Монотерпены мирцен и оцимен содержатся в эфирных маслах хмеля
и лавра. Монотерпеновые спирты, например, гераниол , являются основными
компонентами эфирных масел розы, герани и других цветочных эссенций.
Соответствующие альдегиды (гераниаль ) имеют запах цитрусовых и
содержатся в эфирных маслах лимона.

Моноциклические монотерпены

Монотерпен лимонен содержит хиральный атом углерода и существует в
двух энатиомерных формах. (-)Лимонен (левовращающий) содержится в лимонном
масле и скипидаре. (+)Лимонен (правовращающий) входит в состав масла тмина.
Рацемический лимонен получают димеризацией изопрена. Гидратация двойных связей
лимонена протекает в соответствии с правилом Марковникова и дает двухатомный
спирт терпин , который используется в медицине при лечении бронхита.

Ментол содержится в эфирном масле перечной мяты. Он обладает антисептическим
и успокаивающим действием. Структура ментола содержит три хиральных атома
углерода, ей соответствует 8 стереоизомеров. Природный ментол существует в
конформации кресла, где все три заместителя занимают экваториальное положение.

Бициклические монотерпены

Бициклический монотерпен ряда пинана a -пинен
– основная составная часть скипидара. Наиболее важным терпеноидом ряда
камфана является камфора , которая используется как стимулятор сердечной
деятельности. Структуры a -пинена и
камфоры содержат два хиральных атома углерода и должны иметь 4 стереоизомера.
Однако из-за жесткости структур возможно существование только двух энантиомерных
форм.

Сесквитерпены и терпеноиды

Сесквитерпены – это тримеры изопрена, имеют состав С 15 Н 24 .
Как и монотерпены, эти вещества находятся в эфирных маслах растений. Например,
ациклический терпеновый спирт фарнезол – душистый компонент ландыша.

Дитерпены и терпеноиды

Дитерпены – это тетраизопреноиды, содержат в молекуле 20 атомов углерода.
Важную биологическую роль играют дитерпеновые спирты: фитол – спирт, в
виде сложного эфира входящий в состав хлорофилла, и витамин А (ретинол) .

Тетраизопреноидные фрагменты содержат молекулы жирорастворимых витаминов Е и
К 1 .

Тритерпены и терпеноиды

Тетратерпены и терпеноиды

Содержат восемь изопреновых фрагментов. Тетратерпены широко распространены в
природе. Наиболее важными из них являются растительные пигменты – каротиноиды.
Их молекулы содержат длинную систему сопряженных двойных связей и поэтому
окрашены. b -Каротин – растительный
пигмент желто-красного цвета, в большом количестве содержащийся в моркови,
томатах и сливочном масле. Все каротины – предшественники витаминов группы А.
Молекула b -каротина состоит из двух
одинаковых частей и in vivo превращается в две молекулы витамина А.

2.2 Стероиды

Стероиды – природные биологически активные соединения, основу структуры
которых составляет углеводород стеран . Как и терпены стероиды относятся
к изопреноидам и связаны с ними общими путями биосинтеза.

Большинство стероидов имеют метильные группы в положениях 10 и 13, а также
заместитель в положении 17, содержащий до 10 атомов С. В зависимости от
величины заместителя в положении 17 различают три основные группы стероидов: стерины,
желчные кислоты и стероидные гормоны .

Стереохимия стероидов

Незамещенный стеран содержит 6 хиральных атомов углерода в местах сочленения
циклов и должен иметь 64 стереоизомера. Введение заместителей к любому атому
углерода стерана также делает его хиральным. Однако возможное число
стереоизомеров ограничено из-за жесткости структуры.

Стереохимическая конфигурация стерана определяется типом сочленения колец А,
B, C и D. При транс -сочленении заместители у узловых атомов углерода (С 5 и С 10 ; С 8 и С 9 ; С 13 и С 14)
находятся по разные стороны цикла, при цис -сочленении – по одну сторону.
Теоретически возможно 8 различных комбинаций сочленения 4-х колец стерана.
Однако в природных стероида сочленение колец В/С и С/D, как правило, транс ,
а колец A/В — цис или транс .

Расположение заместителей в кольце стерана над или под плоскостью кольца обозначается
буквами b и a соответственно. Тип сочленения колец В/С и С/D неизменен и
поэтому не указывается. Тип сочленения колец A/В указывается по ориентации
заместителя в положении 5: 5a -стероид
имеет транс -сочленение, а 5b -стероид цис -сочленение колецА/В. Таким образом различают два
стереохимических ряда стероидов: 5a -стероиды и5b -стероиды.

Для изображения стероидов используют конформационные формулы или плоское
изображение. В последнем случае заместители изображают либо над плоскостью (b -конфигурация), либо под плоскостью (a -конфигурация) чертежа.

Стерины

Стерины – природные спирты ряда стероидов, основа углеродного скелета
которых — углеводород холестан.

Все стерины содержат группу ОН в положении 3 и являются, таким образом,
вторичными спиртами. Стерины присутствуют во всех тканях животных и растений.
Они являются промежуточными продуктами в биосинтезе желчных кислот и стероидных
гормонов. Примерами стероидов животного происхождения являются холестанол и холестерин. По номенклатуре ИЮПАК названия стероидов строятся в
соответствии с правилами заместительной номенклатуры. При этом за родоначальную
структуру берется соответствующий насыщенный углеводород, в случае стеринов это
холестан.

Холестерин является наиболее распространенным стерином животных и человека.
Он присутствует во всех животных липидах, крови и желчи. Мозг содержит 7%
холестерина в расчете на сухую массу. Нарушение обмена холестерина приводит к
его отложению на стенках артерий и атеросклерозу, а также к образованию желчных
камней.

Желчные кислоты

Желчные кислоты – это гидроксикарбоновые кислоты ряда стероидов. Основа
строения желчных кислот – углеводород холан .

Желчные кислоты образуются в печени из холестерина. Натриевые и калиевые
соли желчных кислот являются поверхностно-активными веществами. Эмульгируя
жиры, они способствуют их всасывание и перевариванию.

Стероидные гормоны

Стероидные гормоны – физиологически активные вещества ряда стероидов,
вырабатываемые железами внутренней секретиции. По химическому строению и
биологическому действию различают гормоны коры надпочечников (кортикостероиды ),
мужские половые гормоны (андрогены ) и женские половые гормоны (гестагены и эстрогены ). Каждому типу стероидных гормонов соответствует
углеводород, который составляет основу их углеродного скелета. Для
кортикостероидов и гестагенов это – прегнан , андрогенов – андростан ,
эстрогенов – эстран .

На рисунке приведены примеры некоторых стероидных гормонов, вырабатываемые
разными железами внутренней секреции.

Кортикостерон – гормон коры надпочечников, регулирует углеводный
обмен, действует как антагонист инсулина, повышая содержание сахара в крови. Тестостерон – мужской половой гормон, стимулирует развитие вторичных половых признаков. Эстрадиол – женский половой гормон, контролирует менструальный цикл.

Неомыляемые липиды – группа негидролизующихся природных веществ, растворимых в неполярных органических растворителях (бензол, хлороформ) и не растворимых в воде. К ним относятся терпеноиды и стероиды . Терпеноиды имеют в основном растительное происхождение, а стероиды – животное. И терпеноиды, и стероиды построены из фрагментов изопрена, поэтому их общее название – изопреноиды .

ТЕРПЕНОИДЫ

Терпеноиды – обширный класс природных кислородсодержащих соединений, производных терпенов. Терпены – это углеводороды общей формулы (C 5 H 8) n , где n≥ 2. Углеводородный скелет всех терпеноидов построен из остатков изопрена
(2-метилбутадиена-1,3).

Терпеноиды широко растпространены в природе. Они выделены из цветковых растений семейств Amarantaceae, Lamiaceae, Apiaceae, Asteraceae и др., а также некоторых мхов и грибов. Терпеноиды в больших количествах содержатся в эфирных маслах мяты перечной, эвкалипта, герани, розы, лимона, ромашки аптечной, смоле хвойных деревьев.

К терпеноидам относятся растительные пигменты, смолы, фитогормоны, сапонины, жирорастворимые витамины.

В большинстве терпеноидов изопреновые фрагменты соединены по принципу «голова к хвосту» (т.н. «изопреновое правило», впервые сформулированное О. Валлахом и подтвержденное Л. Ружичкой). Например:

(В химии терпеноидов принято пользоваться краткими формулами, без обозначения символов углерода). Наряду с таким построением, но гораздо реже, наблюдается порядок соединения «голова к голове». Известны также природные вещества терпенового типа, структура которых не отвечает изопреновому правилу, но эти исключения немногочисленны.

Терпеновые углеводороды общей формулы (C 5 H 8) n классифицируют по количеству изопреновых звеньев в молекуле на монотерпены (n=2), сесквитерпены (n=3), дитерпены (n=4), тритерпены (n=6), тетратерпены (n=8). Другой вид классификации – по количеству циклов в молекуле. Терпены и терпеноиды могут быть ациклическими (цикл отсутствует), моноциклическими, бициклическими и полициклическими.

Примером ациклических терпеноидов является спирт геранил и продукт его окисления – альдегид гераниаль (цитраль). Они содержатся в эфирных маслах герани, лимона и розы.

Цитраль используется в глазной практике как противовоспалительное средство.

Примером моноциклических терпенов является лимонен – компонент эфирного масла лимона и скипидара. При гидрировании лимонена образуется ментан, производным которого является ментол.

Ментол присутствует в эфирном масле перечной мяты. Ментол обладает антисептическим, болеутоляющим и успокаивающим действием. Он входит в состав валидола, мазей, применяемых при лечении ревматизма и при насморке.

В промышленности ментол получают из м-крезола. Вначале проводят реакцию алкилирования по Фриделю-Крафтсу с получением тимола, который затем гидрируют:

Как непредельное соединение лимонен способен к реакции гидратации. При полной гидратации в кислой среде, которая протекает по правилу Марковникова, образуется двухатомный спирт терпин:

Терпин применяется в медицине в виде гидрата как отхаркивающее средство.

Представителями бициклических терпенов являются пинан и камфан:

Ненасыщенным производным пинана является α-пинен – составная часть скипидара. Как непредельный углеводород α-пинен вступает в реакции присоединения (например, с бромной водой) и окисления:

Производным камфана является кетон камфора, которую применяют в медицине как стимулятор сердечной деятельности.

При бромировании камфоры образуется α-бромкамфора, которая используется как успокаивающее средство:

Особую группу терпенов составляют растительные пигменты каротиноиды. Они широко распространены в природе, играют роль витаминов или предшественников витаминов, участвуют в процессах фотосинтеза. Большинство каротиноидов являются тетратерпенами. В их молекулах присутствуют длинные сопряженные системы, поэтому они окрашены. Каротиноиды окрашивают морковь в оранжево-красный цвет (carrot – морковь), придают различную окраску плодам и ягодам, присутствуют во всех зеленых частях растений. Для каротиноидов характерна транс-конфигурация двойных связей.

β-Каротин – растительный пигмент оранжевого цвета, содержащийся в моркови, томатах:

Многие каротиноиды являются провитамином А, то есть соединениями, которые в организме человека и животных способны превращаться в витамин А.

Витамин А относится к жирорастворимым витаминам.

И каротиноиды, и витамин А неустойчивы и легко разрушаются при нагревании, под действием кислорода воздуха и света.

Витмин А (ретинол) – важнейший витамин, влияющий на рост человека, животных и птиц. Главными признаками авитаминоза А являются заболевание глаз (куриная слепота), исхудание, понижение сопротивляемости организма инфекциям. Перерождение и ороговение эпителия в различных органах вследствие недостатка витамина А приводит к заболеванию дыхательных путей, к желудочно-кишечным и инфекционным заболеваниям, к нарушению деятельности ЦНС, образованию камней в почках и мочевом пузыре и другим патологиям. К жирорастворимым относятся также витамины группы Е и К.

Витамины группы Е – токоферолы – присутствуют в растительных маслах. Витамины группы Е можно рассматривать и как производные гетероциклической системы хромана, и как производные двухатомного фенола гидрохинона. Они выполняют роль антиоксидантов по отношению к ненасыщенным липидам, предохраняя их от пероксидного окисления, участвуют в синтезе белков, тканевом дыхании, в регуляции развития зародыша и функций эпителия половых желез.

Витамины группы К являются антигеморрагическим фактором, они нормализуют процесс свертываемости крови. Витамины группы К – производные 2-метил-1,4-нафтохинона. В природе данная группа витаминов представлена несколькими соединениями. Витамин К 1 встречается в высших растениях, витамин
К 2 – в организмах животных и бактерий.

В медицине применяется синтетический водорастворимый аналог витаминов группы К – викасол, который повышает свертываемость крови:

СТЕРОИДЫ

Стероиды – большая группа природных соединений как животного, так и растительного происхождения, объединенная общностью углеродного скелета и путями биогенеза.

Соединения стероидной структуры широко распространены в природе. Они найдены практически во всех организмах – от одноклеточных до млекопитающих. Стероидами выполняются самые разнообразные функции (регуляция углеводного обмена – глюкокортикоиды, обмена минеральных солей – минералокортикоиды, процессов размножения – половые гормоны и т.д.). Стероиды появились в организмах на самых ранних стадиях их эволюции.

Почему же природа выбрала именно эти соединения в качестве химических регуляторов биологических процессов? Возможно, из-за высокой устойчивости их молекул и из-за высокой информационной емкости, которая обусловлена многообразием производных и стереоизомеров.

В настоящее время известно около 20 тыс. различных стероидов и свыше 100 из них применяются в медицине.

Все стероиды являются производными циклопентанпергидрофенантрена, или стерана, или гонана. Кольца принято обозначать как A, B, C и D.

Стереоизомерия стерана. Все циклогексановые кольца в структуре стерана находятся в конформации кресла. Сочленены они могут быть по-разному. Рассмотрим типы сочленения колец на более простом примере – декалине:

Более энергетически выгодным является транссочленение колец.

В структуре стероидов кольца B и C и C и D всегда транс-сочленены (за исключением сердечных гликозидов и ядов жаб – в них C и D цис-сочленены). Кольца A и B могут иметь как цис-, так и транссочленение:

Классификация стероидов. Выделяют следующие группы стероидов:

Стерины

Желчные кислоты

Гормоны коры надпочечников (кортикостероиды)

Половые гормоны (мужские и женские)

Агликоны сердечных гликозидов.

Для родоначальных структур каждой группы стероидов приняты тривиальные названия, т.к. использование международной номенклатуры привело бы к очень сложным названиям.

Стерины

В основе структуры всех стеринов лежит углеводород холестан.

В молекуле холестана присутствуют две так называемые ангулярные (угловые) метильные группы в положениях 10 и 13 и углеводородный радикал из восьми атомов углерода в положении 17.

Наиболее широко распространенным стерином является холестерин. Он присутствует в нервной ткани и надпочечниках, в крови, желчи. В организме присутствует и в свободном виде, и в виде сложных эфиров с высшими карбоновыми кислотами (по спиртовому гидроксилу), например, холестерина пальмитат.

Только 20% от общего количества холестерина поступает в организм с пищей, основное количество холестерина синтезируется в печени и кишечнике из уксусной кислоты (синтез включает более 20 стадий). Нарушение уровня холестерина (нормальная концентрация в крови ~2г/л) ведет к различным нарушениям. Повышение концентрации холестерина ведет к отложению его на стенках сосудов, к снижению их эластичности и развитию атеросклероза (как следствие – ишемическая болезнь сердца, нарушение мозгового кровообращения). При пересыщении желчи холестерином развивается желчнокаменная болезнь. Значительное падение концентрации холестерина в плазме крови тоже может вести к заболеваниям: гипертиреозу, аддисоновой болезни (поражению коры надпочечников), истощению.

На уровень холестерина влияет состав пищевых жиров. Употребление животных жиров ведет к повышению концентрации холестерина. На 1 г насыщенных жиров должно приходиться 2 г ненасыщенных.

Эргостерин – 24-метил-холестатриен-5,7,22-ол-3 (содержится в дрожжах) является провитамином D 2 , т.к. при его облучении образуется этот витамин.

Витамины группы D регулируют обмен кальция и фосфора. Их недостаток ведет к рахиту.

Желчные кислоты

В основе структуры желчных кислот лежит углеводород холан.

Желчные кислоты вырабатываются печенью при окислении холестерина и выделяются с желчью в кишечник. Особенностью структуры желчных кислот является цис-сочленение колец A и B. Наиболее распространены холевая кислота и ее производные.

Холевая кислота является 3,7,12-тригидроксихолановой кислотой.

В желчи содержится не свободная холевая кислота, а ее производные – амиды с глицином или таурином:

гидрофильная часть

липофильная часть

В кишечнике и желчи гликохолевая и таурохолевая кислоты присутствуют в виде солей. Они являются дифильными соединениями, т.к. имеют в структуре гидрофильную и гидрофобную части. Желчные кислоты обладают поверхностно-активными свойствами, действуют как эмульгаторы.

Сами желчные кислоты плохо растворимы в воде, могут откладываться в виде камней в желчном пузыре.

Кортикостероиды

Кортикостероиды являются производными углеводорода прегнана.

Кортикостероиды синтезируются в коре надпочечников из холестерина. В чрезвычайно малых концентрациях влияют на процессы жизнедеятельности. Удаление коры надпочечников ведет к смерти.

Гормоны коры надпочечников регулируют водно-солевой обмен (минералокортикоиды) и углеводный обмен (глюкокортикоиды).

Кортикостерон – 11,21-дигид-
рок-сипрегнен-4-дион-3,20. Является глюкокортикоидом, антагонистом инсулина (повышает уровень сахара).

Дезоксикортикостерон – 21-гидро-
ксипрегнен-4-дион-3,20 является минералокортикоидом.

Глюкокортикоид гидрокортизон (11,17,21-тригидроксипрегнен-4-дион-3,20) и синтетический аналог глюкокортикоидов преднизолон (11,17,21-тригидроксипрегнадиен-1,4-дион-3,20) используются как противовоспалительные и антиаллергические средства при лечении ревматоидного артрита, бронхиальной астмы и т.д. Используются в медицине в виде ацетатов по первичному спиртовому гидроксилу в положении 21.

Андрогенные гормоны

Мужские половые гормоны являются производными андростана.

Главными андрогенными гормонами являются андростерон и тестостерон. Они влияют на развитие вторичных половых признаков, выработку спермы, оказывают активизирующее действие на синтез ДНК и биосинтез белка, потенцируют сгорание углеводов и жирных кислот с образованием энергии.

В медицинской практике тестостерон применяется в виде пропионата (сложные эфиры обладают более длительным действием в организме):

Реакция ацилирования протекает по спиртовому гидроксилу. В качестве ацилирующего агента можно использовать хлорангидрид или ангидрид пропионовой кислоты.

Женские половые гормоны

Основой структуры эстрогенных гормонов является эстран (обратите внимание на отсутствие ангулярной метильной группы в положении 10).

Эстрогены контролируют менструальный цикл у женщин. Представителями эстрогенных гормонов являются эстрадиол и эстрон:

Эстрадиол применяется в медицинской практике в виде дипропионата.

Для ацилирования можно использовать также пропионовый ангидрид.

К женским половым гормонам относятся также гестагены (гормоны желтого тела яичников, гормоны беременности). Гестагены являются производными прегнана. Наиболее активным гестагеном является прогестерон:

Сердечные гликозиды

Сердечные гликозиды – это соединения, в которых стероидная часть молекулы является агликоном (несахарной частью) гликозидов, образованных моно- или олигосахаридами. В небольших дозах сердечные гликозиды используются в кардиологии. Они увеличивают силу и уменьшают частоту сердечных сокращений, улучшают тканевой обмен сердечной мышцы. В больших дозах сердечные гликозиды являются ядами. В мировой медицинской практике широко используют препараты, получаемые из наперстянки (дигиталиса), строфанта, ландыша, горицвета.

Например, агликоном ланатозида А, выделяемого из наперстянки шерстистой, является дигитоксигенин:

Характерной особенностью агликонов сердечных гликозидов является цис-сочленение колец A и B и C и D, а также наличие ненасыщенного пяти- или шестичленного лактонного кольца в положении 17. Углеводная часть молекулы содержит от одного до пяти моносахаридных остатков. О-гликозидная связь с углеводным остатком осуществляется за счет спиртового гидроксила в положении 3.

Неомыляемые липиды. Терпены.

Неомыляемые липиды - это второй большой класс липидов.

Вещества этого класса липидов объединяет то, что они не гидролизуются в щелочной или кислой среде.

Ранее мы рассмотрели класс омыляемых липидов . Вещества, относящиеся к этому классу, в отличие от неомыляемых липидов, подвержены гидролизу . В результате гидролиза из омыляемых липидов образуются соли высших карбоновых кислот, т.е. мыла . Отсюда происходит название.

Неомыляемая липидная фракция содержит вещества двух основных типов:

1. Терпены и
2. Стероиды.

Первые преобладают в липидах растений , вторые липидах животного происхождения . Между ними имеется много общего – терпены и стероиды построены из одинаковых изопреновых пятиугольных фрагментов , а их биосинтез включает одни и те же исходные и промежуточные вещества.

Соединения, построенные из фрагментов изопрена , имеют общее название изопреноиды .

Один из наиболее распространённых изопреноидов – натуральный каучук – представляет собой полимер изопрена .

Терпены

Под этим названием объединяют ряд углеводородов и их кислородосодержащих производных – спиртов, альдегидов, кетонов , углеродный скелет которых построен из двух, трёх и более звеньев изопрена .

В правой части рисунка изопрен изображён в виде, где атомы углерода не показаны, а показаны только связи между ними.

Сами углеводороды называют терпеновыми углеводородами , а их кислородосодержащие производные (спирты, альдегиды, кетоны) – терпеноидами .

Название «Терпены» происходит от лат. Oleum Terebinthinae - скипидар .

Терпеноидами богаты эфирные масла растений (герани, розы, лаванды, лимона, перечной мяты и др.), смола хвойных деревьев и каучуконосов .

К терпенам относятся и различные растительные пигменты и жирорастворимые витамины .

Группировка терпенового типа (изопреноидная цепь ) включена в структуру многих биологически активных соединений.

В большинстве терпенов изопреновые фрагменты соединены друг с другом по принципу «голова к хвосту», как показано на примере мирцена .

Терпеновые углеводороды и терпеноиды.

Общая формула большинства терпеновых углеводородов – (С 5 Н 8) n .

Они могут иметь ациклическое и циклическое (би-, три-, полициклическое) строение.

С учетом числа изопреновых группировок в молекуле различают:

• монотерпены (две изопреновые группировки);
• сесквитерпены (три изопреновые группировки);
• дитерпены (четыре изопреновые группировки);
• тритерпены (шесть изопреновых группировок);
• тетратерпены (восемь изопреновых группировок).

Примеры терпенов

Примером ациклических терпенов служит уже упоминавшийся ранее мирицен – монотерпен, содержащийся в эфирных маслах хмеля и благородного лавра.

Другой пример – родственный мирицену спирт

гераниол, входящий в состав эфирных масел герани и розы.

При мягком окислении гераниол образует альдегид цитраль а .

Тритерпен сквален С 30 Н 50 – промежуточный продукт в биосинтезе холестерина.

В последние годы установлено, что цитраль и гераниол выделяются в небольших количествах рабочими пчёлами при отыскивании пищи. Запах этих веществ привлекает других пчёл. Соединения подобного рода называют феромонами . Они выделяются животными и определённым образом влияют на поведение других особей того же или близкого вида.

Среди терпенов наиболее распространены моно- и бициклические терпены . Многие из них применяются в медицине или служат исходными продуктами для синтеза лекарственных средств.

Соответствующие моно- и бициклическим терпенам предельные циклические углеводороды носят названия ментан, каран, пиан и борнан.

Примеры циклических терпенов

Лимонен - представитель моноциклических терпенов . Он содержится в лимонном масле и скипидаре . Лимонен входит в состав масла тмина .

Рацемическая форма лимонена (дипентен) может быть получена в результате реакции диенового синтеза из изопрена при нагревании.

Диены - ненасыщенные углеводороды, содержащие в молекуле 2 двойные связи (С=С ), например бутадиен .

– реакция, в результате которой из двух реагирующих молекул (диенов и диенофилов) образуется новый шестичленный цикл.

Рацемическая форма лимонена (дипентен) – это стереоизомер лимонена, представляющий собой его зеркальную противоположность.

При восстановлении оптически активного лимонена или дипентена получается ментан , а при полной их гидратации в кислой среде образуется двухатомный спирт терпин . Терпин в виде гидрата применяется как отхаркивающее средство при хроническом бронхите.

3амещенные дипентены (например, каннабидиол ) - психоактивное начало гашиша (марихуаны).

Как и лимонен, имеет скелет ментана . Он содержится в эфирном масле перечной мяты. Оказывает антисептическое, успокаивающее и болеутоляющее (отвлекающее) действие, входит в состав валидола, а также мазей, применяемых при насморке.

Альфа-пинен - бициклический монотерпен ряда пинана . Его левовращающий энантиомер - важная составная часть скипидара , получаемого из хвойных деревьев.

Камфора - бициклический кетон - редкий пример соединения, в котором шестичленный цикл имеет конформацию ванны.

Камфора издавна применяется в медицине как стимулятор сердечной деятельности. Ее правовращающий стереоизомер выделяют из эфирного масла камфорного дерева.

Каротиноиды.

Особую группу терпенов составляют каротиноиды - растительные пигменты .

Некоторые из них играют роль витаминов или предшественников витаминов, а также участвуют в фотосинтезе. Большинство каротиноидов относится к тетратерпенам. Их молекулы содержат значительное число сопряженных двойных связей, поэтому имеют желто-красную окраску . Для природных каротиноидов характерна транс-конфигурация двойных связей.

Каротин - растительный пигмент жёлто-красного цвета, в большом количестве содержавшийся в моркови, а также томатах и сливочном масле. Известны три его изомера, называемые альфа-, бета- и гамма-каротинами , различающиеся числом циклов и положением двойных связей. Все они являются предшественниками витаминов группы А.

Молекула симметрична и состоит из двух одинаковых частей:

Омыляемые липиды

Нейтральные жиры включают в себя сложные эфиры глицерина и жирных кислот. В организме играют роль структурного компонента клеток или запасного вещества («жировое депо»). В природе, за редкими исключениями, встречаются только полные эфиры глицерина- триацилглицерины (ТАГ). Твердые ТАГ называют жирами, жидкие - маслами. Простые ТАГ содержат остатки одинаковых кислот (тристеарин, триолеин), смешанные - различных.

Природные жиры и масла представляют собой смеси смешанных ТАГ. Их количественной характеристикой служит массовая доля отдельных кислот, а также аналитические константы - кислотное число, йодное число, число омыления, эфирное число (жировые числа).

Кислотное число - количество мг КОН, необходимое для нейтрализации свободных жирных кислот в 1 г жира. Увеличение к.ч. при хранении свидетельствует о происходящем в жире гидролизе, т.е. порче жира.

Йодное число - количество граммов йода, связываемое 100 г данного жира. Является количественной мерой ненасыщенности.

Число омыления - количество мг КОН, необходимое для нейтрализации как свободных, так и связанных с глицерином жирных кислот, содержащихся в 1 г жира.

От жирно-кислотного состава зависит ещё одна характеристика жира - температура плавления (табл. 2.2).

При хранении жиры под действием света, кислорода и влаги приобретают неприятный вкус и запах - прогоркают. Во избежание этого добавляют антиоксиданты. Наиболее важный среди них - витамин Е.

Воски - сложные эфиры жирных кислот и высших одноатомных или двухатомных спиртов. Число углеродных атомов у таких спиртов составляет от 16 до 22: цетиловый спирт (С16Н33ОН), мирициловый спирт (С30Н61ОН). Природные воски синтезируются живыми организмами и содержат до 50 % примесей свободных жирных кислот, красящих и душистых веществ. В воде воски нерастворимы, температуры плавления лежат в интервале от 40° до 90° С.

Воски выполняют в организме в основном защитную функцию. Они образуют защитную смазку на коже, шерсти, перьях; покрывают листья, стебли, плоды, семена, а также кутикулу наружного скелета у многих насекомых. Восковой налёт предохраняет от смачивания, высыхания и проникновения микробов. Удаление воскового слоя с поверхности плодов приводит к более быстрой их порче при хранении. Воски также являются главным липидным компонентом многих видов морского планктона. Широкое применение находил ранее содержащийся в черепной полости кашалота спермацет - как основа кремов и мазей. Его главные компоненты - цетилпальмитат и мирицилпальмитат. В настоящее время аналоги спермацета синтезированы искусственно. Овечью шерсть покрывает ланолин, использующийся в косметике. Пчелиный воск сочетает пластичность с кислотоустойчивостью, электро- и водоизоляционными свойствами. В отличие от нейтральных жиров воски более устойчивы к действию света и окислителей.

Молекула фосфолипидов образована остатками глицерина (или заменяющего его спирта сфингозина), жирных кислот, фосфорной кислотой, которая соединена сложноэфирной связью с азотсодержащей полярной группировкой. Фосфолипиды широко распространены в растительных и животных тканях, микроорганизмах, они являются преобладающей формой липидов. В отличие от нейтральных жиров фосфолипиды практически содержатся только в клеточных мембранах, очень редко в небольших количествах обнаруживаются в составе запасных отложений. Особенно велико их содержание в нервной ткани человека и позвоночных животных.

Простейшим глицерофосфолипидом является фосфатидная кислота (R 3 =H). В тканях организма она содержится в незначительных количествах, но является важным промежуточным соединением в синтезе ТАГ и фосфолипидов.

Наиболее представлены в клетках различных тканей фосфати- дилхолин (лецитин) и фосфатидилэтаноламин (кефалин), у которых роль R 3 выполняют аминоспирты: холин HO-CH 2 -CH 2 -N + (СН 3) 3 и этаноламин HO-CH 2 -CH 2 -NH 2 . Эти два глицерофосфолипида метаболически тесно связаны друг с другом. Они являются компонентами большинства биологических мембран.

В тканях находятся и другие глицерофосфолипиды. В фосфати- дилсерине R 3 соответствует аминокислоте серину. В фосфатидилино- зите фосфорная кислота этерифицирована шестиатомным спиртом инозитом. Фосфатидилинозиты представляют интерес как возможные предшественники простагландинов.

Сфинголипиды содержат те же компоненты, что и глицерофосфолипиды (жирная кислота, фосфат, R 3 - заместитель), но вместо глицерина они включают аминоспирт сфингозин:

Широко распространенный представитель этой группы - сфин- гомиелин. Особенно богата им нервная ткань, в частности, мозг.

Характерной особенностью фосфолипидов является их бифиль- ность. В фосфатидилхолинах, например, радикалы жирных кислот образуют два неполярных «хвоста», а фосфатная и холиновая группа - полярную «голову».

На границе раздела фаз такие соединения действуют как детергенты или ПАВ. О наличии фосфолипидов в биологических объектах можно судить по содержанию фосфора (реакция с молибдатом аммония) после минерализации образца. Основная часть липидов в мембранах представлена фосфолипидами, гликолипидами и холестерином. Липиды мембран образуют двухслойную структуру. Каждый слой состоит из сложных липидов, расположенных таким образом, что неполярные гидрофобные «хвосты» молекул находятся в тесном контакте друг с другом. Так же контактируют гидрофильные части молекул. Все взаимодействия имеют нековалентный характер. Два монослоя ориентируются «хвост к хвосту» так, что образующаяся структура двойного слоя имеет внутреннюю неполярную часть и две полярные поверхности.

Ганглиозиды обнаруживаются обычно на внешней поверхности клеточных мембран, особенно в нервных клетках. Они выполняют рецепторные функции. Отмечено распределение цереброзидов и ганг- лиозидов в тканях мозга: в составе белого вещества преобладают це- реброзиды, в составе серого - ганглиозиды.

Сульфолипиды (сулъфатиды) имеют структуру, аналогичную цереброзидам, с той лишь разницей, что у третьего атома углерода галактозы вместо гидроксильной группы - остаток серной кислоты. Сульфатиды обнаружены в миелине.

Неомыляемые липиды

Неомыляемые липиды так названы потому, что они не подвергаются гидролизу. Известны два типа неомыляемых липидов.

Высшие спирты (холестерин, витамины A, D, Е). Холестерин - производное циклопентанпергидрофенантрена (стерана). В кристаллическом виде - белое, оптически активное вещество, практически нерастворимое в воде. Холестерин - компонент мембран, исходное соединение для синтеза стероидных гормонов, желчных кислот, витамина D 3 . В растениях обнаружены фитостерины.

Высшие углеводороды (терпены). Молекулы построены путем объединения нескольких молекул изопрена. Придают растениям свойственный аромат, служат главными компонентами душистых масел. К терпенам принадлежат каротиноиды и каучук.