В группу липидов – важных органических компонентов растительных и животных клеток - кроме восков и стероидов, входят также и жиры. Они являются не только самыми распространенными, но и наиболее значимыми поставщиками энергии для всех жизненных функций организма: синтеза пластических веществ, роста, размножения. Что такое жир, из каких компонентов состоит, какие свойства и функции для него характерны – на эти и многие другие вопросы вы получите ответы в нашей статье.
Особенности физических свойств
Способность растворяться в органических растворителях и антагонистическое отношение к воде - это визитная карточка липидов. Все они легче воды и маслянистые на ощупь. Кожа, бумага и другие волокнистые или пористые материалы быстро впитывают их излишки. Из опыта известно, что пятна жира на одежде можно вывести с помощью бензина, тетрахлорметана, ацетона или сероуглерода. Сложные эфиры высших карбоновых кислот и спирта глицерина могут иметь два агрегатных состояния: жидкое или твердое. Как растительные, так и животные жиры, свойства и применение которых мы изучаем, являются сложными эфирами, структурная формула которых определяется тем, какие карбоновые кислоты входят в их состав.
Органические кислоты
Это большая группа веществ, содержащих карбоксильные группы, связанные ковалентными связями с углеводородными радикалами. Если они имеют в углеродном скелете молекулы пи-связи, т. е. являются непредельными, то соединение будет жидким. Например, оливковое, льняное или подсолнечное масло содержат олеиновую и линоленовую кислоты с непредельными типами химической связи. Исключением здесь будет кокосовое масло, которое относится к растительным липидам, но оно не жидкое, а твердое. Пищевые животные жиры имеют твердую консистенцию. Это свиной или говяжий жир, а также сливочное масло и различные сорта спреда. Они содержат в своем составе насыщенные карбоновые кислоты - стеариновую и пальмитиновую. Интересно, что природные липиды представляют собой не отдельное соединение, а смесь различных глицеридов – эстеров глицерола и высокомолекулярных карбоновых кислот.
Строение молекулы
Для человека, далекого от теоретических основ химии и не знакомого с положениями учения А. М. Бутлерова, структурная формула даже простейшего липида покажется громоздкой и малопонятной. Чтобы не усложнять излагаемую тему, скажем следующее: обязательное присутствие в молекуле трехатомного спирта глицерина и остатков органических кислот с не менее чем 15 атомами карбона в углеродном скелете – это то, из чего состоит жир растительного или животного происхождения. И неважно, является ли липид природным или же он получен синтетическим путем. Главное, что все они, без исключения, относятся к классу сложных эфиров и образуются в результате реакции этерификации. Еще одна интересная деталь.
Вплоть до начала XIX века в науке существовало мнение о том, что органические вещества: белки, углеводы и липиды - можно получить только из живых организмов. Французский химик М. Бертло в 1854 году синтезировал жир в своей лаборатории из глицерина и жирных кислот. Этим он опроверг ошибочные представления об особой исключительности органических соединений и невозможности получения их искусственным путем.
Реакция этерификации
Из чего состоит жир, полученный промышленным способом? Его состав зависит от того, какие карбоновые кислоты вступили в реакцию с глицерином. Напомним, что если в составе триглицерида есть непредельные кислоты, то он будет жидким, т. е. маслом, а насыщенные карбоновые кислоты входят в твердые виды липидов. Процесс этерификации проводят в присутствии сильных неорганических кислот – серной или хлоридной, полученные продукты быстро выводят из сферы реакции, чтобы не допустить гидролиз полученного жира. Сами исходные реагенты всегда берут в избытке, это также повышает его практический выход.
Виды и функции жиров
Итак, основными агрегатными состояниями данных соединений являются жидкая или твердая фазы. Масла содержат непредельные карбоновые кислоты с одной или несколькими двойными связями. Например, олеиновая кислота имеет одну пи-связь и является мононенасыщенной, встречается в составе оливкового или рапсового масла и входит в состав арахиса, авокадо и маслин. Рыбий жир, мидии, грецкие орехи, а также подсолнечное масло богаты на полиненасыщенные кислоты: арахидоновую, линолевую и линоленовую. Биологические функции жиров не так многообразны, как, например, у белков, однако все они являются жизненно необходимыми. Это: защита, обеспечение энергией, выделительные и теплоизоляционные свойства. Они присущи всем веществам этого класса и не зависят ни от того, из чего состоит жир, ни от того, в каком организме он находится. Липиды, выделяемые сальными железами, смазывают кожу и предохраняют ее от сухости. Они не допускают проникновения внутрь кожных покровов избытка воды, что обеспечивает защиту от отеков. Вещества, входящие в состав жирового тела насекомых, например различных видов жуков, накапливают токсические продукты обмена веществ, тем самым выполняя выделительную функцию.
Пищевая ценность
Можно различать липиды и по такому критерию, как быстрота расщепления и качественный состав гидролизата. Этот показатель обязательно учитывается при составлении разного рода диет, в детском питании, в организации режима питания людей, страдающих хроническими сердечно-сосудистыми заболеваниями и болезнями желудочно–кишечного тракта. Какие жиры полезны для организма? Известно, что рацион, богатый на липиды, содержащие Омега-3 и Омега-6 жирные кислоты, способствует поддержанию нормального уровня холестерина и благоприятно сказывается на проницаемости сосудов. Для этого пища человека должна содержать льняное и оливковое масло, рыбий жир.
Избыток в продуктах питания твердых видов липидов: свиного сала, сливочного масла и маргарина, приводит к образованию на стенках артерий холестериновых бляшек, затрудняющих циркуляцию крови и провоцирующих образование в них тромбов. Это неизбежно приводит к повышению риска ишемической болезни сердца, часто заканчивающейся инфарктом. Чтобы избежать подобных проблем, употребление жиров должно подчиняться следующему правилу: в рационе питания человека, ответственно относящегося к своему здоровью, необходимо присутствие продуктов, содержащих ненасыщенные жирные кислоты.
Гидрогенизация: что это такое?
Раз уж мы упомянули о маргарине, то теперь самое время узнать, как его получают. Это твердый искусственно синтезированный жир, сырьем для которого служат недорогие сорта пищевых растительных масел. Чтобы перевести их в твердое состояние, проводят химическую реакцию, насыщая масла водородом, атомы которого присоединяются в местах разрыва двойных связей в остатках непредельных кислот. Процесс требует повышенного давления, нагревания и наличия порошковидного никеля в качестве катализатора. Полученный продукт гидрогенизации – твердый жир, называют саломасом и используют в качестве сырья при производстве глицерина, мыла или стеарина.
Из чего состоит жир, называемый маргарином? Это пищевой продукт, содержащий, кроме саломаса, животные липиды, молоко, соль, сахар, витамины, пищевые красители и ароматизаторы. Такой жир часто называют легким маслом или спредом, он значительно дешевле сливочного масла и менее калорийный, что позволяет использовать его в диетическом питании.
Гидролиз – основное химическое свойство
Ранее мы установили, что жиры состоят из глицерина и жирных кислот, которые являются исходными реагентами в реакции этерификации. В присутствии воды и под действием пищеварительных ферментов в различных отделах желудочно-кишечного тракта происходит их расщепление, которое сопровождается выделением наибольшего, по сравнению с другими органическими соединениями – белками и углеводами, количества энергии. Из одного грамма жира при полном его окислении можно получить 38,9 кДж энергии. Это в два раза больше, чем при гидролизе глюкозы. Поэтому на вопрос о том, что такое жир, ответом может быть следующее утверждение: это наиболее важное органическое вещество, обеспечивающее клетки необходимой для их жизни энергией. Более того, распад липидов сопровождается выделением большого количества молекул Н2О.
Липиды как скрытый резервуар воды
Адаптируясь к различным абиотическим условиям, живые существа стремятся обеспечить себя необходимыми для их жизнедеятельности соединениями, главную роль среди которых играет вода. Это обитатели степей и пустынь: верблюды, тушканчики, суслики, мыши-полевки и т. д. Кроме того, животные, переносящие зимнюю или летнюю спячку: бурый медведь, песчаный суслик, многие виды землероек и насекомых, получают необходимую воду также в результате расщепления запасов в подкожной клетчатке или жировом теле. Есть некоторые виды насекомых, например платяная моль, которые вообще не нуждаются во внешних источниках воды, а извлекают ее из реакций диссимиляции органических веществ.
Липиды как строительный материал клеток
Важнейшие компоненты живых систем – это биологические мембраны. Благодаря жидкостно-мозаичному строению, они обладают уникальными функциями: избирательной проницаемостью, сигнальными и защитными свойствами. В состав всех клеточных мембран входят липиды, около 30 % из которых соединены с белковыми глобулами, а остальные находятся в жидкой фазе. Мы помним, из каких веществ состоят жиры – это глицерол и остатки органических кислот, молекулы которых расположены в виде двойного слоя. Гидрофильные компоненты ориентированы к наружной и внутренней частям мембраны, а нерастворимые в воде участки повернуты в ее середину. Большинство клеточных органелл, например таких, как ядро, хлоропласты, митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть и лизосомы, имеют мембранную структуру. Все они содержат молекулы жира, которые являются строительным материалом клетки.
Защитные свойства
Жиры в организме человека и других млекопитающих животных входят в состав подкожной жировой клетчатки. Они могут служить броней, надежно прикрывающей жизненно важные органы, например почки, от механических сотрясений при движении, также от ударов и травм. Если условия обитания организма экстремальны, например, он подолгу находится в ледяной воде, то жировые запасы спасают его от переохлаждения. У тюленей, моржей и морских котиков липидный слой может составлять 15–20 см, а у самого крупного в мире животного – синего кита, он превышает в толщину полметра! Поэтому на вопрос о том, что такое жир, можно ответить и так: это основной теплоизоляционный материал гомойотермных организмов, т. е. тех, кто поддерживает постоянную температуру своего тела.
Что происходит с жирами в нашем организме?
Продукты, богатые липидами, частично расщепляются в желудке под действием ферментов, выделяемых его слизистой оболочкой. Но основной их гидролиз происходит в двенадцатиперстной кишке под действием липазы, входящей в состав панкреатического сока. Важная роль принадлежит и желчи, продуцируемой печенью. Она, подобно дробильному аппарату, разбивает макромолекулы липидов на более мелкие части – эмульгирует их. Это способствует лучшему и более быстрому процессу гидролиза, приводящему к образованию глицерина и жирных кислот. Гидролизат всасывается ворсинками тонкого кишечника сначала в слепо замкнутые капилляры лимфатической системы, а уже из них поступает в кровь. Из глицерина и карбоновых кислот клетки синтезируют жиры, специфичные для данного организма, часть из которых может откладываться в подкожную жировую клетчатку и сальник – своеобразные жировые депо. В периоды длительного голодания, при тяжелых физических нагрузках или стрессах эти запасы организм расходует, чтобы получить энергию.
Обмен липидов и углеводов
Обе группы органических соединений: сахара и жиры, клетки могут использовать в качестве энергетического материала. Избыток глюкозы гепатоциты переводят в форму полимера – животного крахмала гликогена. Продукты гидролиза липидов также попадают и в печень, где превращаются в тот же гликоген. Избыток углеводов, поступивших в желудочно-кишечный тракт при неправильном питании, в свою очередь, трансформируется в жир, и человек быстро набирает вес. Эти факты служат доказательствами взаимосвязи жирового и углеводного обмена, подтверждая важную роль липидов в нашем организме.
