Обучающие упражнения. ЦЕЛЬ: Познакомиться с принципами классификации, строением и составом липидов как важнейших компонентов биологических мембран

Занятие 1.3.7

ТЕМА: Липиды.

ЦЕЛЬ: Познакомиться с принципами классификации, строением и составом липидов как важнейших компонентов биологических мембран. Составить представления о процессах пероксидного окисления липидов.

ЗНАТЬ:

1. Структура важнейших высших жирных кислот, входящих в структуру природных липидов (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая, эйкозапентаеновая, докозагексаеновая).

2. Систематическая номенклатура жирных высших кислот. Индексы высших жирных кислот. Высшие жирные кислоты ряда w ₆ (омега-3), w ₃ (омега-6), w ₉ (омега-9).

3. Строение нейтральных и полярных липидов. Принципы номенклатуры.

4. Амфифильность полярных липидов. Формирование бислойной структуры биологических мембран.

5. Неомыляемые компоненты липидов (витамин А, b-каротин, a-токоферол (витамин Е), эргокальциферол (витамин D₂), холестерин.

6. Химические свойства липидов (реакции гидролиза, галогенирования, восстановления).

7. Пероксидное окисление липидов (ПОЛ). Механизм инициирования окисления (образование супероксидных, гидроксильных, пероксидных радикалов). Системы ферментативной защиты липидов от окисления (супероксиддисмутаза, каталаза, глютатионпероксидаза).

8. Схема реакций продолжения и обрыва цепей в отсутствие ингибиторов ПОЛ. Механизмы неферментативной системы защиты липидов от окисления. Природные антиоксиданты как ловушки свободных радикалов. Основы антиоксидантотерапии.

УМЕТЬ:

1. Приводить структуру высших жирных кислот, соотносить их принадлежность семействам w ₆ (омега-3), w ₃ (омега-6), w ₉ (омега-9).

2. Изображать строение нейтральных и полярных липидов, приводить их название.

3.Приводить схемы гидролиза полярных и нейтральных липидов, с указанием продуктов реакции.

4. Иметь представления об образовании активных форм кислорода, пероксидном окислении липидов, ферментативной и неферментативной (антиоксидантной) системах защиты липидов от окисления.

ВЛАДЕТЬ: Представлениями о роли липидов в организации функционирования живых систем и процессов пероксидного окисления липидов в возникновении патологических состояний.

Задание 1. Привести формулы важнейших высших жирных кислот с учетом индекса кислоты.

1.1 олеиновая кислота (18:1)	1.3 арахидоновая кислота (20:4)
1.2 линолевая кислота (18:2)	1.4 эйкозапентаеновая кислота (20:5)

Ответ: формулы высших жирных кислот, входящих в структуру природных липидов, могут быть приведены с учетом сведений, приведенных в табл. 1.

Таблица 1

Высшие жирные кислоты, входящие в состав природных липидов

N п/п	Историческое (травиальное) название кислоты	Индекс ЖК (кол-во атомов С:количество p-связей)	Семейство ЖК*	Положение p-связей D**
	Пальмитиновая	16:0
	Стеариновая	18:0
	Олеиновая	18:1	w9	D^9
	Линолевая	18:2	w6	D^9,12
	Линоленовая	18:3	w3	D^9,12,15
	Арахидоновая	20:4	w6	D^5,8,11,14
	Эйкозапентаеновая	20:5	w3	D^5,8,11,14,17
			w6	D^2,5,8,11,14
	Докозапентаеновая	22:5	w6	D^4,7,10,13,16
	Докозагексаеновая	22:6	w3	D^4,7,10,13,16,19

*-w -число атомов углерода в концевой углеводородной цепи после последней p-связи

**- номера углеродных атомов, после которых расположены p-связи

Формула олеиновой кислоты (18:1) может быть изображена

СН₃-(СН₂)₇-СН=СН-(СН₂)₇-СООН

Формула линолевой кислоты с индексом (18:2)

СН₃-(СН₂)₄-СН=СН-СН₂-СН=СН-(СН₂)₇-СООН

Аналогично изобразить формулы остальных жирных кислот.

Задание 2. Привести структурные формулы линоленовой кислоты семейства w₃(омега-3), w₆ (омега-6) ряда.

Ответ: символом w обозначается количество углеродных атомов с конца молекулы, после которых начинаются двойные связи. В биологическом отношении наибольшее значение имеют кислоты w₃ ряда.

18 17-14 13 12 11 10 9 8 6 2-5 1

СН₃-(СН₂)₄-СН=СН-СН₂-СН=СН-СН₂-СН=СН-(СН₂)₄-СООН

линоленовая кислота (18:3 w₆) цис-цис-цис-октадекатриен-6,9,12-овая кислота

18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 2-8 1

СН₃-СН₂-СН=СН-СН₂-СН=СН-СН₂-СН=СН-(СН₂)₇-СООН

линоленовая (18:3 w₃) цис-цис-цис-октадекатриен-9,12,15-овая кислота

Задание 3. Привести формулы p-диастереомеров высших жирных кислот с индексом 18:1 (олеиновой и элаидиновой кислот)

Ответ:

олеиновая кислота (цис-изомер или Z-диастереомер)

элаидиновая кислота (транс-изомер или Е-диастереомер)

Задание 4. Изобразить формулы нейтральных липидов и фосфолипидов по их названию.Написать следующие структурные формулы:

4.1) 2-О-линоленоил-3-О-олеил-1-пальмитоилглицерол

4.2) 2-докозагексаеноил-1-О-миристоил-3-О-олеоилглицерол

4.3) дипальмитоилфосфатидилэтаноламина.

Ответ: названия высших жирных кислот приводятся в алфавитном порядке с указанием их положения у атомов углерода в глицериновом фрагменте молекулы. Символ"О" обозначает замещение у атома кислорода.

2-О-Линоленоил-3-О- олеоил- 2-докозагексаеноил-1-О-миристоил-

1-О-пальмитоилглицерол 3-О-олеоилглицерол

ионизированная форма неионизированная форма

дипальмитоилфосфатидилэтаноламин

Задание 5. Приведите механизм зарождения свободных радикалов.

Ответ: в активном центре гемоглобина в результате переноса электрона от катиона железа к кислороду образуются супероксид-ион радикалы

Fe²⁺ - e ¾®Fe³⁺, О₂ + е ¾¾¾® О₂ ^·

При диспропорционировании супероксид-иона образуется пероксид водорода.

О₂ ^· + О₂ ^· + 2 Н⁺ ¾¾® Н₂О₂ + О₂

При реакции супероксид-иона и пероксидом водорода образуется гидроксил-радикал. Н₂О₂ + О₂ ^· ¾¾® 2 ОН^· + О₂

В реакции супероксид-иона с гидроксил-радикалом образуется синглентный кислород:

ОН^· + О₂ ^· ¾¾® *О₂(синглентный) + ОН^- Образование высокоактивного ОН^· радикала происходиттакже по реакции Фентона: H₂O₂ + Fe²⁺¾® Fe³⁺+ OH^- + ОН^·

Гидроксил-радикал атакует молекулы фосфолипидов (R-Н) - основных структурных компонентах биологических мембран, при этом появляются радикалы нового сорта - алкильные, которые мгновенно присоединяют кислород и превращаются в пероксидные радикалы (RO₂^·).

R-H + OH^· ¾¾® R^· + H₂O

R^· + O₂ ¾¾® RO₂^·

Задание 6. Приведите механизм действия ферментативной антиоксидантной системы.

Ответ: ферменты каталаза и глутатионпероксидаза защищают аэробные клетки от окисления, предотвращая возможность радикального разрушения пероксидов. Субстратом для каталазы преимущественно служит пероксид водорода.

2 Н₂О₂ ¾¾® 2Н₂О + О₂

В состав простетической группы каталазы входит гемовое железо, в активном центре происходит окисление (Fe²⁺ - e ¾® Fe³⁺).

Глутатионпероксидаза вместе с глутатионом разрушают пероксид водорода и гидропероксиды, защищая клетки от повреждающего действия радикалов, образующихся при гомолитическом разрыве связей RО-ОH.

Глутатион представляет собой трипептид, образованный глутаминовой кислотой, цистеином и глицином:

Реакционоспособной группой глутатиона (R-SH) является тиольная группа. Глутатион взаимодействует с пероксидом водорода и гидропероксидами липидов:

2 R-SH + H₂O₂ ¾® 2 H₂O + R-S-S-R

2 R-SH + R₁OOH ¾® H₂O +R₁OH + R-S-S-R

Окисленный глутатион способен восстанавливаться:

R-S-S-R + 2H⁺ + 2 e 2 R-S-H

Активный центр глутатионпероксидазы содержит остаток селеноцистеина, в котором атом серы цистеина заменен на атом селена:

Полагают, что действие глутатионовой ферментной системы может быть описано совокупностью реакций:

R-Se-H +H₂O₂ ¾¾® R-Se-OH + H₂O (I)

R-Se-OH + 2 R-S-H ¾¾® R-Se-H + R-S-S-R + H₂O (II)

R-S-S-R + НАДФ-Н ¾¾® 2 R-S-H + НАДФ⁺ (III)

Задание 7. Написать схему реакции пероксидного окисления на примере олеиновой и линолевой кислоты.

Ответ: в молекулах фосфолипидов связи С-Н, расположенные между двумя p-связями (в a-положении к ним), атакуются гидроксильными или пероксильными радикалами. Рассмотрим этот процесс на примере линоленовой кислоты:

В результате образуются новые радикалы, существующие в двух мезомерных формах:

Радикал стабилизируется за счет делокализации электронной плотности в сопряженной системе: СН₃-(СН₂)₄ -СН ^... СН ^... СН ^... СН ^... СН -(СН₂)₇-СООН

Схематично описанный выше процесс представляется как

RH + OH^· ¾® H₂O + R^· инициирование (0)

Таким образом, инициируется процесс неферментативного окисления липидов биологических мембран.

Образующийся алкильный радикал присоединяет молекулу кислорода (за время 10^-6сек) и превращается в очень активный пероксидный (пероксильный) радикал:

R^·+ O₂ ¾® RО₂^· рост цепей (1)

Пероксидный радикал RО₂^· взаимодействует с соседними углеводородными фрагментами молекулы фосфолипидов, что приводит к образованию гидропероксидов (RООН) и новому алкильному радикалу R^·, вновь присоединяющему молекулу О₂ согласно реакции 1.

RО₂^· + RH ¾® RООH + R^· продолжение цепей (2)

Гидропероксиды способны разрушаться с разрывом О-О связей, что приводит к вторичному иницированию и, как следствие, ускорению окисления:

RООH ¾® RО^· + ОН^· вырожденное разветвление (3)

Последняя реакция крайне нежелательна для организма. Поэтому существуют ферментативные антиоксидантные системы, регулирующие в организме концентрацию активных кислородсодержащих ионов и радикалов.

Свободные радикалы взаимодействуют между собой, обрывая цепи окисления в соответствии с элементарными реакциями:

RO₂^·+ RO₂^· ¾® молекулярные продукты

RO^· + RO^· ¾® молекулярные продукты

R^· + R^· ¾¾® молекулярные продукты

Задание 8. Показать механизм действия антиоксидантов

Ответ: в присутствии относительно низких концентраций ингибиторов фенольного типа (IпН) (10^-6 - 10^-3 моль/л) обрыв цепей происходит на молекулах антиоксидантов согласно реакции:

IпН +RO₂^·¾¾¾¾®ROOH + Iп^· (обрыв цепей) (VII)

Радикал ингибитора (Iп^·) обычно неактивен и не участвует в продолжении цепей, в связи с чем антиоксидант выполняет роль ловушки свободных радикалов и способствует значительному торможению окисления.

формула основного липидного антиоксиданта - a-токоферола:

В последние годы антиоксиданты применяются в клинической практике (антиоксидантотерапия).

Задание 9. Показать схему этерификации холестерина (холестерола) с участием фермента фосфатидилхолинхолестеринацетилтрансферазы (ЛХАТ).

Ответ: остатки ненасыщенных и полиненасыщенных высших жирных кислот, входящих в структуру фосфолипидов, например, фосфатидилхолина, этерифицируют -ОН группу холестерина с участием фермента ЛХАТ. При этом образуются эфиры холестерина, в форме которых холестерин выводится из организма.

Задания для самостоятельной работы

Задание 1. Привести формулы:

а) 2-О-линолеил-1-О олеилфосфатидилэтаноламина

б) в)1,2-дистеароил-фосфатидилинозитола

Задание 2. Напишите ряд формул высших монокарбоновых кислот: олеиновой, линолевой, линоленовой.

Задание 3. Изобразите структуру фосфатидилэтаноламина, включающего пальмитиновую и олеиновую кислоты.

- к нейтральным или полярным липидам относится данное соединение?

- приведите реакцию гидролиза (омыления) липида.

Задание 4. Напишите строение фосфатидилэтаноламина с ацильными остатками линолевой и олеиновой кислот. Приведите реакцию гидролиза фосфатидилэтаноламинов.

Задание 5. Приведите общую формулу фосфатидилхолина. Укажите полярный фрагмент молекулы. Благодаря каким свойствам фосфолипиды являются структурными компонентами биологических мембран.

Задание 6. Напишите формулу1-О-линолеил-2-О-линоленоилфосфатидилхолина. Укажите полярный фрагмент молекулы. Изобразите схему формирования бислойной структуры биологических мембран

Задание 7. Приведите реакцию взаимодействия свободных радикалов с ингибитором процессов окисления (антиоксидантом).

Задание 8. Напишите формулу нейтрального липида триолеилглицерола. Приведите реакцию гидролиза данного соединения в щелочной среде (омыление) и реакцию его восстановления. Назовите продукты.

Задание 9. В состав активного центра фермента глутатионпероксидазы входит глутатион (R-SH), который наряду с ферментом участвует в реакции с пероксидом водорода. Глутатион представляет собой трипептид, образованный глутаминовой кислотой, цистеином и глицином. Изобразите его структуру и приведите химизм реакции глутатиона c пероксидом водорода.

Задание 10. Покажите механизм образования активных форм кислорода (О₂ ^·, ОН^·, О₂^*, Н₂О₂). Приведите реакцию взаимодействия липида (RH) с гидроксильными радикалами (реакция инициирования пероксидного окисления липидов).

Дата добавления: 2014-11-16