ЖИРНІ КИСЛОТИ: БУДОВА, ВИДИ, ФУНКЦІЇ, БІОСИНТЕЗ - БІОЛОГІЯ - 2025

У жирних кислот є органічні макромолекули , отримані з вуглеводнів, які складаються з довгих ланцюжків атомів вуглецю і водню , що має гидрофобность (є жиророзчинними) і є структурною основою жирів і ліпідів.

Вони є дуже різноманітними молекулами, які відрізняються одна від одної за довжиною їх вуглеводневих ланцюгів та наявністю, кількістю, положенням та / або конфігурацією їх подвійних зв’язків.

Загальна схема насиченої жирної кислоти (Джерело: Laghi.l через Wikimedia Commons)

У ліпідах тварин, рослин, грибів та мікроорганізмів, таких як бактерії та дріжджі, описано понад 100 різних класів жирних кислот, які вважаються видами та тканинами, характерними для більшості живих істот.

Олії та жири, які людина споживає щодня, будь то тваринного чи рослинного походження, в основному складаються з жирних кислот.

Вступ

Масло, серед іншого, по суті складається з жирних кислот (Джерело: Africa Studio, через pixabay.com)

Молекули жирної кислоти виконують важливі функції на клітинному рівні, роблячи їх основними компонентами, і оскільки деякі з них не можуть синтезуватися тваринами, вони повинні отримувати їх з раціону.

Жирні кислоти є рідкісними як вільні види в цитозолі клітин, тому вони, як правило, є частиною інших молекулярних кон'югатів, таких як:

- Ліпіди, в біологічних мембранах.

- тригліцериди або складні ефіри жирних кислот, які служать резервом у рослин і тварин.

- Віски, які являють собою тверді ефіри довголанцюгових жирних кислот та спиртів.

- Інші подібні речовини.

У тварин жирні кислоти зберігаються в цитоплазмі клітин як невеликі крапельки жиру, складені комплексом, званим триацилгліцерином, який є не що інше, як молекула гліцерину, до якої він зв'язаний, у кожному з його атомів вуглець, ланцюг жирних кислот за допомогою ефірних зв'язків.

Хоча бактерії володіють короткими і зазвичай мононенасиченими жирними кислотами, в природі зазвичай зустрічаються жирні кислоти, ланцюги яких мають парне число атомів вуглецю, як правило, між 14 і 24, насичені, мононенасичені або поліненасичені.

Будова

Жирні кислоти - це амфіпатичні молекули, тобто вони мають дві хімічно визначені області: гідрофільну полярну область та гідрофобну аполярну область.

Гідрофобна область складається з довгого вуглеводневого ланцюга, який, в хімічному плані, не дуже реагує. З іншого боку, гідрофільна область складається з кінцевої карбоксильної групи (-COOH), яка поводиться як кислота.

Ця кінцева карбоксильна група або карбоксильна кислота іонізується в розчині, є високореакційною (хімічно кажучи) і є дуже гідрофільною, таким чином являючи собою ковалентне місце зв'язування між жирною кислотою та іншими молекулами.

Довжина вуглеводневих ланцюгів жирних кислот зазвичай має парні числа атомів вуглецю, і це тісно пов'язане з біосинтетичним процесом, за допомогою якого вони виробляються, оскільки їх ріст відбувається парами вуглецю.

Найбільш поширені жирні кислоти мають ланцюги між 16 і 18 атомами вуглецю, а у тварин ці ланцюги нерозгалужені.

Класифікація

Жирні кислоти класифікуються на дві великі групи за характером зв’язків, що їх складають, тобто за наявністю одиничних зв’язків або подвійних зв’язків між атомами вуглецю їх вуглеводневих ланцюгів.

Таким чином, є насичені та ненасичені жирні кислоти.

- Насичені жирні кислоти мають лише поодинокі вуглець-вуглецеві зв’язки, і всі їх атоми вуглецю "насичені" або приєднані до молекул водню.

- Ненасичені жирні кислоти мають одну чи більше подвійних зв'язків вуглець-вуглець, і не всі вони приєднані до атома водню.

Ненасичені жирні кислоти поділяються також за кількістю ненасичених (подвійних зв’язків) на мононенасичені, ті, що мають лише один подвійний зв’язок, і поліненасичені, ті, що мають більше одного.

Насичені жирні кислоти

Зазвичай вони мають від 4 до 26 атомів вуглецю, пов'язаних одинарними зв’язками. Температура його плавлення прямо пропорційна довжині ланцюга, тобто його молекулярній вазі.

Жирні кислоти, які мають від 4 до 8 вуглецю, є рідкими при 25 ° C і є тими, які складають харчові олії, тоді як ті, у яких більше 10 атомів вуглецю, є твердими.

Серед найпоширеніших - лауринова кислота, якої багато в олії пальмових ядер та кокосових олій; пальмітинова кислота, що міститься в пальмі, какао та салі, і стеаринова кислота, що міститься в какао та гідрогенованих оліях.

Вони є жирними кислотами зі значно більшою стійкістю, ніж ненасичені жирні кислоти, особливо проти окислення, принаймні в фізіологічних умовах.

Оскільки одиничні зв'язки вуглець-вуглець можуть вільно обертатися, насичені жирні кислоти є дуже гнучкими молекулами, хоча стеричні перешкоди роблять повністю розширену структуру найбільш енергетично стійкою.

Ненасичені жирні кислоти

Ці жирні кислоти відрізняються високою реакційною здатністю та схильністю до насичення та окислення. Вони поширені в рослинах і морських організмах. Ті, у кого лише одна подвійна зв'язок, відомі як мононенасичені або моноенозні, тоді як ті, у кого більше двох, відомі як полієнові або поліненасичені.

Наявність подвійних зв’язків є загальним між атомами вуглецю між положеннями 9 і 10, але це не означає, що мононенасичені жирні кислоти з ненасиченням в іншому положенні не виявлені.

На відміну від насичених, ненасичені жирні кислоти перераховані не з кінцевої карбоксильної групи, а відповідно до положення першого подвійного зв’язку С - С. Отже, вони поділяються на дві групи, омега-6 або ω6 кислоти. і омега-3 або ω3.

Омега-6 кислоти мають першу подвійну зв'язок у вуглецю № 6, а омега-3 кислоти - у вуглеці № 3. Назву ω називають подвійним зв’язком, найближчим до кінцевої метильної групи.

Подвійні зв’язки також можна знайти у двох геометричних конфігураціях, відомих як "cis" і "trans".

Більшість природних ненасичених жирних кислот мають "цис" конфігурацію, і подвійні зв'язки жирних кислот, присутніх у комерційних (гідрованих) жирах, знаходяться в "транс".

У поліненасичених жирних кислотах дві подвійні зв’язки зазвичай відокремлюються одна від одної щонайменше однією метильною групою, тобто атомом вуглецю, зв’язаним з двома атомами водню.

Особливості

Жирні кислоти мають багато функцій у живих організмах, і, як було сказано вище, одна з їх основних функцій є як важлива частина ліпідів, які є основними компонентами біологічних мембран і однією з трьох найпоширеніших біомолекул в організмах. живий у поєднанні з білками та вуглеводами.

Вони також є чудовими енергетичними субстратами, завдяки яким отримують велику кількість енергії у вигляді АТФ та інших проміжних метаболітів.

Зважаючи на те, що тварини, наприклад, не здатні зберігати вуглеводи, жирні кислоти є основним джерелом накопичення енергії, що надходить при окисленні цукрів, споживаних у надлишку.

Коротколанцюгові насичені жирні кислоти в товстій кишці беруть участь у стимулюванні поглинання води та іонів натрію, хлориду та бікарбонату; Крім того, вони мають функції у виробленні слизу, у розмноженні колоноцитів (клітин товстої кишки) тощо.

Ненасичені жирні кислоти особливо рясні в харчових рослинних оліях, які важливі в раціоні всіх людей.

Масла, які ми споживаємо щодня - це жирні кислоти (Джерело: stevepb, через pixabay.com)

Інші беруть участь як ліганди деяких білків з ферментативною діяльністю, тому вони важливі щодо їх впливу на енергетичний метаболізм клітин, де вони знаходяться.

Біосинтез

Деградація жирних кислот відома як β-окислення та відбувається в мітохондріях еукаріотичних клітин. Біосинтез, навпаки, відбувається в цитозолі клітин тварин і в хлоропластах (фотосинтетичних органелах) рослинних клітин.

Це процес, залежний від ацетил-КоА, малоніл-КоА та НАДФГ, він відбувається у всіх живих організмах та у «вищих» тварин, таких як ссавці. Наприклад, це дуже важливо в печінці і жирових тканинах, а також в молочних залозах.

NADPH, що використовується для цього шляху, є головним чином продуктом NADP-залежних реакцій окиснення пентозофосфатного шляху, тоді як ацетил-КоА може надходити з різних джерел, наприклад, від окислювального декарбоксилювання пірувату, від Цикл Кребса та β-окислення жирних кислот.

Шлях біосинтезу, як і β-окислення, у всіх клітинах сильно регулюється аллостеричними ефекторами та ковалентними модифікаціями ферментів, які беруть участь у регуляції.

-Малоніл-коА синтез

Шлях починається з утворення метаболічного проміжного продукту, відомого як малоніл-КоА з молекули ацетил-КоА, і каталізується багатофункціональним ферментом, який називається карбоксилазою ацетил-КоА.

Ця реакція є реакцією приєднання біотинзалежної карбоксильної молекули (-COOH, карбоксилювання) і відбувається у два етапи:

1. По-перше, АТФ-залежний перехід карбоксил-похідного бікарбонату (HCO3-) до молекули біотину відбувається як протезна (небілкова) група, пов'язана з карбоксилазою ацетил-КоА.
2. Згодом СО2 передається ацетил-коА і утворюється малоніл-коА.

-Реактивність маршруту

У тварин утворення вуглеводних ланцюгів жирних кислот відбувається далі за допомогою послідовних реакцій конденсації, каталізованих мультимерним та багатофункціональним ферментом, відомим як синтаза жирної кислоти.

Цей фермент каталізує конденсацію одиниці ацетил-КоА та декількох молекул малоніл-КоА, які утворюються в результаті реакції на ацетил-КоА карбоксилазу - процес, під час якого виділяється одна молекула СО2 для кожного малоніл-КоА, який це додає.

Зростаючі жирні кислоти етерифікуються до білка під назвою "протеїн ацильного носія" або АСР, який утворює тіоефіри з ацильними групами. У E. coli цей білок є поліпептидом 10 кДа, але у тварин він входить до складу комплексу синтази жирних кислот.

Розрив цих тіоестерних зв'язків звільняє велику кількість енергії, що робить можливим, термодинамічно кажучи, виникнення етапів конденсації на шляху біосинтезу.

Комплекс синтази жирної кислоти

У бактерій активність синтази жирних кислот насправді відповідає шести незалежним ферментам, які використовують ацетил-коА та малоніл-коА для утворення жирних кислот і з якими пов’язано шість різних ферментних активностей.

Гомодимерний та багатофункціональний комплекс синтази жирних кислот у тварин (Джерело: Boehringer Ingelheim через Wikimedia Commons)

Навпаки, у ссавців синтаза жирної кислоти є багатофункціональним гомодимерним ферментним комплексом близько 500 кДа молекулярної маси, який має шість різних каталітичних дій і з яким асоціюється білок-носій ацилу.

Етап 1: реакція грунтування

Групи тіолів у залишках цистеїну, що відповідають за зв'язування метаболічних проміжних речовин до ферменту АСР, повинні бути завантажені перед початком синтезу необхідними ацильними групами.

Для цього ацетильну групу ацетил-coA переносять до групи тіолів (-SH) одного з цистеїнових залишків субодиниці ACP синтази жирної кислоти. Ця реакція каталізується субодиницею АСР-ацил-трансферази.

Потім ацетильну групу переносять з АСР до іншого залишку цистеїну на каталітичному місці іншої ферментної субодиниці комплексу, відомого як β-кетоацил-АСР-синтаза. Таким чином, ферментний комплекс «грунтується» для початку синтезу.

Крок 2: Передача одиниць малоніл-КоА

Малоніл-КоА, який виробляється ацетил-КоА карбоксилазою, переноситься до тиолової групи в АКТ, і під час цієї реакції частина КоА втрачається. Реакція каталізується субодиницею малоніл-АСР-трансферази комплексу синтази жирних кислот, який потім продукує малоніл-АСР.

Під час цього процесу малонілова група пов'язана з АСР та β-кетоацил-АСР-синтазою через ефір та іншу сульфгідрильну зв’язку відповідно.

Крок 3: Конденсація

Фермент β-кетоацил-АСР-синтаза каталізує перенесення ацетильної групи, яка була приєднана до неї на етапі «праймінг», до 2-вуглецю малонільної групи, який на попередньому етапі був перенесений до АСР.

Під час цієї реакції з малонілу вивільняється молекула СО2, що відповідає СО2, що забезпечується бікарбонатом, в реакції карбоксилювання ацетил-КоА карбоксилази. Потім виробляється ацетоацетил-АСР.

Крок 4: Зниження

Субодиниця β-кетоацил-АСР-редуктази каталізує зменшення NADPH ацетоацетил-АСР, тим самим утворюючи D-β-гідроксибутирил-АСР.

Крок 5: зневоднення

На цьому етапі утворюється транс-α, β-ацил-ACP або ∆2-ненасичений-ацил-АСР (кратоніл-АСР), продукт дегідратації D-β-гідроксибутирил-АСР, дією еноїльної субодиниці. АСР-гідратаза.

Пізніше кратоніл-АСР редукують до бутирил-АСР за реакцією, залежної від НАДФН, каталізованої субодиницею еноїл-АСР-редуктази. Ця реакція завершує перший з семи циклів, необхідних для отримання пальмітоїл-АСР, який є попередником майже всіх жирних кислот.

Як протікають подальші реакції конденсації?

Бутирилова група переноситься з АСР до тіолової групи залишку цистеїну в β-кетоацил-АСР-синтазі, завдяки чому АСР може приймати іншу малонільну групу з малоніл-КоА.

Таким чином, реакція, що виникає, - конденсація малоніл-АСР з бутурил-β-кетоацил-АСР-синтазою, що спричиняє β-кетогексаноіл-ACP + CO2.

Пальмітоїл-АСР, який виникає в результаті наступних етапів (після додавання ще 5 малонільних одиниць), може бути вивільнений у вигляді вільної пальмітинової кислоти завдяки активності ферменту тіостерази, її можна перенести в КоА або включити у фосфатидову кислоту для шлях синтезу фосфоліпідів та триацилгліцеридів.

Структура пальмітинової кислоти (Джерело: Андель, через Wikimedia Commons)

Синтаза жирних кислот більшості організмів зупиняється в синтезі пальмітоїл-АКТФ, оскільки каталітичний сайт субодиниці β-кетоацил-АСР-синтази має конфігурацію, в якій можуть розміщуватися лише жирні кислоти такої довжини.

Як утворюються жирні кислоти з непарною кількістю атомів вуглецю?

Вони відносно поширені в морських організмах, а також синтезуються комплексом синтази жирної кислоти. Однак реакція «грунтовки» відбувається з довшою молекулою, пропіоніл-АСР, з трьома атомами вуглецю.

Де і як утворюються жирні кислоти довшого ланцюга?

Пальмітинова кислота, як обговорювалося, служить попередником для багатьох довгих ланцюгів насичених і ненасичених жирних кислот. Процес «подовження» жирних кислот відбувається в мітохондріях, тоді як введення ненасичених речовин відбувається по суті в ендоплазматичний ретикулум.

Багато організмів перетворюють свої насичені в ненасичені жирні кислоти як пристосування до низьких температур навколишнього середовища, оскільки це дозволяє їм тримати температуру плавлення ліпідів нижче кімнатної температури.

Властивості жирних кислот

Багато властивостей жирних кислот залежать від їх довжини ланцюга та наявності та кількості ненасичених:

- Ненасичені жирні кислоти мають нижчі температури плавлення, ніж насичені жирні кислоти однакової довжини.

- Довжина жирних кислот (кількість атомів вуглецю) обернено пропорційна текучості або гнучкості молекули, тобто "коротші" молекули більш рідкі і навпаки.

Взагалі рідкі жирові речовини складаються з коротколанцюгових жирних кислот з наявністю ненасичених.

Рослини мають велику кількість ненасичених жирних кислот, а також тварин, які живуть при дуже низькій температурі, оскільки вони, як компоненти ліпідів, присутніх у клітинних мембранах, надають їм більшу плинність у цих умовах.

У фізіологічних умовах наявність подвійного зв’язку у вуглеводневому ланцюзі жирної кислоти викликає викривлення приблизно 30 °, через що ці молекули займають більший простір і зменшують силу взаємодій їх ван дер-Ваальса.

Наявність подвійних зв’язків у жирних кислотах, пов'язаних з молекулами ліпідів, має прямий вплив на ступінь «упаковки», яку вони можуть мати в мембранах, до яких вони належать, і, таким чином, також впливають на мембранні білки.

Приклад утворення міцели жирної кислоти з карбоновими групами, що піддаються впливу водного середовища (Джерело: Benutzer: Anderl через Wikimedia Commons)

Розчинність жирних кислот зменшується у міру збільшення довжини їх ланцюга, тому вони обернено пропорційні. У водних і ліпідних сумішах жирні кислоти асоціюються в структурах, відомих як міцели.

Міцель - це структура, в якій аліфатичні ланцюги жирних кислот «укладені», тим самим «виганяючи» всі молекули води і на поверхню яких виявлені карбоксильні групи.

Номенклатура

Номенклатура жирних кислот може бути дещо складною, особливо якщо йдеться про загальні назви, які вони отримують, які часто пов'язані з певним фізико-хімічним властивістю, з місцем їх знаходження чи іншими характеристиками.

Багато авторів вважають, що завдяки термінальній карбоксильній групі ці молекули іонізуються при фізіологічному рН, слід називати їх як "карбоксилати", використовуючи для цього закінчення "ато".

Відповідно до системи IUPAC, перерахунок атомів вуглецю жирної кислоти проводиться з карбоксильної групи на полярному кінці молекули, а перші два атоми вуглецю, приєднані до цієї групи, називаються відповідно α і β. . Кінцевий метил ланцюга містить атом вуглецю ω.

Загалом у систематизованій номенклатурі їм присвоюється назва "батьківського" вуглеводню (вуглеводню з однаковою кількістю атомів вуглецю), а його закінчення "o" замінюється на "oico", якщо це жирна кислота ненасиченим, додається закінчення "еноїчне".

Розглянемо, наприклад, випадок жирної кислоти С18 (С18):

- Оскільки вуглеводень з однаковою кількістю атомів вуглецю відомий як октадекан, насичена кислота називається "октадеканоєва кислота" або "октадеканоат", а її загальна назва - стеаринова кислота.

- Якщо він має подвійний зв’язок між парою атомів вуглецю у своїй структурі, він відомий як "октадеценова кислота"

- Якщо він має дві подвійні зв’язки c - c, то його називають "октадекадієновою кислотою", а якщо вона має три "октадекатрієнової кислоти".

Якщо ви хочете узагальнити номенклатуру, то 18: 0 використовується для 18-вуглецевої жирної кислоти і не має подвійних зв’язків (насичених) і, залежно від ступеня ненасиченості, замість нуля 18: 1 записується для молекули з a ненасиченість, 18: 2 для одного з двома ненасиченими тощо.

Якщо ви хочете вказати, між якими атомами вуглецю є подвійні зв’язки в ненасичених жирних кислотах, символ ∆ використовується з числовим надриском, який вказує місце ненасичення та префіксом "cis" або "trans", залежно від конфігурація цього.

Список літератури

1. Бадуй, С. (2006). Хімія їжі. (Е. Квінтанар, - ред.) (4-е видання). Мексика DF: Пірсон освіта.
2. Garrett, R., & Grisham, C. (2010). Біохімія (4-е видання). Бостон, США: Брукс / Коул. CENGAGE Навчання.
3. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Біохімія (3-е видання). Сан-Франциско, Каліфорнія: Пірсон.
4. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Ілюстрована біохімія Харпера (28 вид.). McGraw-Hill Medical.
5. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи біохімії Ленінгера. Видання «Омега» (5-е видання).
6. Rawn, JD (1998). Біохімія. Берлінгтон, Массачусетс: Видавництво Ніла Паттерсона.
7. Tvrzicka, E., Kremmyda, L., Stankova, B., & Zak, A. (2011). Жирні кислоти як біосполуки: їх роль у метаболізмі людини, здоров’ї та захворюваннях - огляд. Частина 1: Класифікація, харчові джерела та біологічні функції. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Чеська Республіка, 155 (2), 117–130.