Липиды представляют собой вещества, растворимые во многих органических растворителях (не содержащих групп, способных образовывать водородные связи), но нерастворимые или очень мало растворимые в воде. Многие липиды — важные компоненты растительных и животных организмов. Эти вещества — производные жирных кислот и сложных спиртов.
Жиры
Жиры (сложные эфиры глицерина и жирных кислот, описанные в разд. 13.5) —важные липиды, содержащиеся в тканях растений и животных; это ценные пищевые продукты, служащие источником энергии, о чем позже будет сказано более подробно.
Некоторые полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая и арахидоновая, разд. 13.5) называют незаменимыми жирными кислотами. Как было доказано, для роста и нормальной жизнедеятельности крыс им необходимо получать небольшие количества этих кислот; вероятно, в этих веществах нуждается и человек. Однако принимать их в больших количествах опасно, особенно если в организм не поступает повышенного количества витамина Е (разд. 14.9).
Жиры как пищевые продукты. Калорийность пищи
Жиры перевариваются в кишечнике, при этом процессе катализаторами служат ферменты, называемые липазами. Для большинства людей жиры составляют важную часть пищевого рациона: среднесуточная норма для здорового молодого человека может включать 80 г белков, 385 г углеводов и 100 г жиров.
Пищевые продукты играют важную роль, поскольку служат источником энергии, позволяющей производить работу, и источником теплоты, поддерживающей необходимую температуру тела. Пищевые продукты выполняют эту роль благодаря тому, что в организме окисляются кислородом, поступающим из воздуха в легкие и переносимым в ткани гемоглобином крови. Конечные продукты окисления большей части водорода и углерода, входящих в состав пищевых продуктов, представляют собой воду и двуокись углерода.
Калорийность пищевых продуктов тщательно изучали в связи с необходимостью разработки режима правильного питания. Пища, ежедневно потребляемая здоровым человеком среднего роста, работающим с умеренными физическими нагрузками, должна в сумме давать калорийность, равную примерно 12 000 кДж. Приблизительно 90% этого количества превращается в работу и теплоту в процессе пищеварения и обмена веществ.
Содержащиеся в пищевых продуктах жиры и углеводы служат основными источниками энергии. Чистые жиры обладают калорийностью (теплотой сгорания) 37,6 кДж·г-1, чистые углеводы (сахар) имеют калорийность около 17 кДж·г-1 (крахмал—17,5, сахароза—16,5 и глюкоза— 15,6). Калорийность пищевых продуктов определяют при помощи калориметрической бомбы, как описано в приложении VI. Третьей основной составной частью пищевых продуктов являются белки, необходимые главным образом для обеспечения роста и восстановления тканей. Взрослому человеку среднего роста необходимо получать ежедневно около 50 г белков. Обычно же человек потребляет несколько больше— 80 г; калорийность этого количества составляет примерно 1400 кДж, поскольку теплота сгорания белка равна около 18 кДж·г-1. Таким образом, за счет жиров и углеводов человек должен получать около 10 600 кДж из 12 000 кДж, необходимых ему ежедневно. Обычно же человек за счет жиров получает около одной трети от общего количества необходимой энергии (100 г дает 3760 кДж), а за счет углеводов около 60%. Люди, выполняющие очень тяжелую физическую работу, например лесорубы или исследователи Арктики, нуждающиеся в усиленном питании, могут повысить суточное потребление жиров до 250 г; жиры — более концентрированный источник энергии, чем углеводы.
Окисление жиров в организме (их диссимиляция) происходит путем отщепления двух атомов углерода (в виде уксусной кислоты) и образования молекулы с более короткой цепью, например
Н3С(СН2)16СООН + O2 → Н3С(СН2)14СООН + Н3ССООН
Если отношение количества жиров к количеству углеводов слишком велико, то они окисляются не полностью и в крови и моче наблюдается повышенное содержание ацетона, ацетоуксусной кислоты и β-оксимасляной кислоты
(СН3)2СО Н3ССОСН2СООН Н3ССНОНСН2СООН
Ацетон Ацетоуксусная кислота β-Оксимасляная кислота
Такое состояние называется кетозом или ацидозом. Ацидоз, понижение pH крови, обусловливается выведением с мочой двух указанных кислот в виде их аммонийных или натриевых солей. Кетоз и ацидоз наблюдаются при диабете, заболеваниях печени, голодании, алкоголизме и потреблении кетогенной пищи (в которой жиры значительно преобладают над углеводами).
Фосфолипиды
Фосфолипиды — важные вещества, содержащиеся во всех тканях тела, во всех живых клетках, особенно в клеточных мембранах и миелиновой оболочке нервов (разд. 15.7). При их гидролизе освобождаются жирные кислоты, спирт, фосфорная кислота и азотсодержащее соединение.
Лецитины имеют следующую формулу:
Атом азота в лицитине находится в холильном радикале —O(СН2)2N(СН3)3+ . Радикалы R и R' представляют собой остатки различных жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой, олеиновой и др.), которые в разных соотношениях содержатся в тканях растений и животных. Лецитин образуется в организме из жиров. Он обладает хорошими эмульгирующими свойствами и, вероятно, способствует переносу жиров к тканям.
Кефалины обладают структурой, похожей на структуру лецитинов с той лишь разницей, что в них вместо холильного радикала содержится радикал —ОСН2СН2NН2, т. е. они являются сложными эфирами глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты и β-аминоэтилового спирта НО(СН2)2NН2; это — этаноламинфосфатиды. Сфингомиелины—сложные эфиры фосфорной кислоты и двух спиртов: холина и ненасыщенного аминоспирта сфингозина Н3С(СН2)12СН=СНСН(ОН)СН(NН2)СН2ОН. Кефалины и сфингомиелины обнаружены в головном мозге и нервах*.
Стерины и стероиды
Стерины (от греческого слова stereos — твердый) представляют собой кристаллические спирты, каждая молекула которых содержит три сконденсированных шестичленных кольца, как в фенантрене, и одно пятичленное кольцо
Кольца не бензольные, а насыщенные, за исключением одной или двух двойных связей. Гидроксильная группа присоединена к атому углерода в положении 3 (С3), метальные группы — к атомам С10 и С13, а цепь атомов, обычно С8Н17, — к атому С17. Стероиды — вещества, родственные стеринам.
Стерины присутствуют во всех тканях растений и животных. Важнейший стерин животных — холестерин С27Н46О, структурная формула которого имеет следующий вид:
(Атомы водорода не показаны. Длинная боковая цепь атомов представляет собой С8Н17.) Холестерин нерастворим в воде, но растворим в эфире, бензоле и других органических растворителях, что характерно для липидов.
Холестерин и его эфиры жирных кислот, попадая в клетки кишечника, соединяются с белками и образуют липопротеиды, которые переносятся кровью во все ткани организма, в частности в мозг. Кроме того, человеческий организм ежесуточно синтезирует из ацетат-иона примерно 1000 мг холестерина. С пищей же человек получает ежесуточно 500—1000 мг (куриные яйца — высокохолестериновый продукт, одно яйцо содержит около 250 мг этого вещества). Холестерин разрушается в организме в тех же количествах, в которых и поступает; выводится он из организма с желчью в виде желчных кислот. Желчные кислоты имеют карбоксильную группу на конце боковой цепи; так, холевая кислота С24Н40О5 отличается от холестерина тем, что при атоме С17 имеет боковую цепь —СН(СН3)СН2СН2СООН, а при атомах С7 и С13 — гидроксильные группы. Желчные кислоты — стероиды. Другую важную группу стероидов составляют гормоны (разд. 14.10).
Скорость превращения холестерина в желчные кислоты пропорциональна его концентрации в крови, причем состояние равновесия достигается при определенной концентрации, зависящей от количества холестерина, поступающего в организм, и от генотипа человека (от присущей ему активности ферментов, контролирующих синтез и распад холестерина). Для большинства людей эта концентрация лежит в пределах 150—250 мг на децилитр (дл) крови. Существует зависимость между распространенностью коронарных сердечных болезней и концентрацией холестерина в сыворотке крови. Результаты одного из исследований показали, что у мужчин в возрасте 50—60 лет коронарные сердечные заболевания чаще в 1,5 раза при содержании холестерина 200-240 мг·дл-1 по сравнению с лицами, у которых это содержание не превышает 200 мг·дл-1; число заболеваний увеличивается в 3 раза при содержании холестерина 240—260 мг·дл-1 и в 4,2 раза при содержании свыше 260 мг·дл-1. Аналогичное соотношение установлено и для содержания триглицеридов в сыворотке крови.
Ограниченное потребление жиров, особенно жиров животного происхождения (насыщенных жиров), несколько снижает уровень содержания холестерина в крови. Яичный холестерин, однако, не представляет опасности. Для большинства людей даже десять яиц в сутки не повышают содержания холестерина в крови более чем на несколько процентов. Регулированию содержания холестерина в крови могут способствовать некоторые другие питательные вещества, входящие в состав яиц — этого весьма ценного пищевого продукта, например лецитины.
Для предотвращения сердечных заболеваний путем поддержания низкого уровня содержания холестерина в крови, по-видимому, наиболее важно ограничить потребление сахарозы — обычного сахара. В настоящее время среднесуточное потребление углеводов в Соединенных Штатах и других развитых странах составляет примерно 175 г крахмала, 140 г сахарозы, 20 г лактозы, 10 г фруктозы и 5 г других сахаров. (Полтораста лет назад потребление сахарозы составляло одну шестую этого количества.) Экспериментально показано, что у человека, получающего 100 г сахарозы в день, содержание холестерина в сыворотке крови на 50 мг·дл-1 выше, чем у человека, который получает с пищей только полисахариды глюкозы (крахмал). Объясняется этот эффект тем, что фруктозная половина сахарозы подвергается превращениям, приводящим к синтезу дополнительных количеств холестерина. Английский биохимик и специалист в области питания Джон Юдкин показал, что распространенность коронарных болезней возрастает с увеличением потребления сахара (сахарозы). У людей, суточное потребление сахара которых составляет 150 г и более, подобные заболевания встречаются в шесть раз чаще, чем у людей, употребляющих по 75 г сахара в сутки. С высоким потреблением сахарозы также связана более высокая распространенность и других болезней. Надежный способ сохранения здоровья основан на уменьшении потребления сахарозы, а этого нетрудно достигнуть путем отказа от сахара, сладких дессертных блюд и сладких напитков.
* Цереброзиды, также обнаруженные в этих тканях, представляют собой соединения (гликолиииды) сфонгозина и сахара галактозы.