что относится к простым липидам
Что относится к простым липидам
В настоящее время имеются научные доказательства о генетически детерминированных нарушениях барьерных свойств кожи, что облегчает проникновение аллергенов в глубь кожи, повышает склонность к воздействию раздражающих факторов и, в конечном итоге, способствует воспалению. Дефицит филаггрина — наиболее изученная аномалия, в результате которой возрастает трансэпидермальная потеря воды (ТЭПВ). Помимо этого, дефицит межклеточных липидов в роговом слое и нарушенное соотношение между холестерином, незаменимыми жирными кислотами и церамидами усиливает ТЭПВ, что обусловливает образование эпидермальных микротрещин. Нарушение целостности барьерного слоя кожи ведет к нарушению метаболизма кожи и воспалению, что является ключевым промежуточным звеном патогенеза атопического дерматита (АтД) и ряда других дерматологических заболеваний. Базовым элементом терапии АтД, помимо устранения контакта со специфическими и неспецифическими провоцирующими факторами, является восстановление нарушенной барьерной функции кожи путем применения топических гидратирующих и защитных средств. Наружное применение смягчающих средств — одна из важных стратегий лечения АтД и многих других дерматозов для восстановления барьерной функции кожи.
Структура и свойства кожи
Кожа — самый большой орган человека; ее масса составляет 11—15% от массы тела. Кожа обеспечивает несколько важнейших функций: является барьером, отделяющим окружающую среду от внутренней; защищает от механических, тепловых, химических повреждений; регулирует количество воды в организме; обеспечивает осязание; защищает от инвазии патогенов, обеспечивает персистенцию симбиотических микроорганизмов; помогает вырабатывать витамин D и ряд гормонов.
Одним из наиболее важных белков, участвующих и регулирующих ороговение, является филаггрин. В процессе дифференцировки кератиноцитов в корнеоциты филаггрин формируется из предшественника белка — профилаггрина, который сохраняется в кератогиалиновых гранулах. Высвобождение и модификация профилаггрина в филаггрин вызывают агрегацию кератиновых филаментов и гибель клеток. Мутации в гене филаггрина часто выявляют у больных при АтД, астме и других дерматологических заболеваниях [3, 4].
Поверхностный слой эпидермиса состоит уже из частиц, которые постепенно отшелушиваются (см. рисунок, г). Для удержания чешуек вместе и сохранения целостности барьера кожа вырабатывает липидный клей, состоящий преимущественно из церамидов.
Церамиды и другие липиды рогового слоя
Структурно церамид состоит из двух молекул: сфингозидного полярного основания и жирной гидрофобной кислоты, соединенных амидной связью (см. рисунок, д).
Сфингозид через систему мембран аппарата Гольджи связан с клетками рогового слоя; жирные кислоты заполняют межклеточное пространство перпендикулярно пластам клеток (см. рисунок, е, ж). Красной линией отмечено расположение липидов между слоями клеток. Церамиды в области полярной части, прикрепленной к «мертвым» кератиноцитам, формируют малоподвижную псевдокристаллическую решетку; средняя часть липидной прослойки образована хвостами жирных кислот, имеющих меньший объем, чем сфингозиды, что обеспечивает их большую подвижность. Между ними пространство заполняется холестерином и СЖК, не связанными с церамидами, что обеспечивает текучесть (см. рисунок, е, ж) среднего пласта липидов. Таким образом, церамиды обеспечивают плотность рогового слоя, а средняя зона обеспечивает его эластичность.
Анализ структуры церамидов методом обращенно-фазовой жидкостной хроматографии в сочетании с квадрупольной времяпролетной масс-спектрометрией высокого разрешения показал, что вариантов комбинаций сфингозинов с жирными кислотами может быть более 1000 [6, 7]. В целом церамиды получаются комбинацией вариантов сфингозиновой полярной части и жирных кислот с разным числом атомов углерода (см. таблицу). 
Строительные блоки церамидов рогового слоя кожи млекопитающих В настоящий момент используют буквенную номенклатуру церамидов, где сфингозин обозначается S, фитосфингозин — Р, 6-гидроксисфингозин — Н и дигидросфингозин — dS (см. таблицу). Жирные кислоты, выявленные в составе церамидов, также представлены четырьмя типами: кислоты, не содержащие гидроксил в α позиции (N), содержащие гидроксил в положении α или ω атома углерода (А и О соответственно) и этерифицированный гидроксил в положении ω (ЕО), что в сумме дает 16 классов церамидов. В каждом классе длина хвоста жирной кислоты может быть различной.
Синтез церамидов
В состав церамидов чаще всего входят длинноцепочечные насыщенные жирные кислоты, содержащие от 14 до 26 атомов углерода. Церамиды в организме образуются тремя различными путями, а именно синтезируются de novo в эндоплазматическом ретикулуме клеток из серина и пальмитата в результате гидролиза сфингомиелинидазой сфингомиелина, являющегося составной частью клеточных мембран, и из остаточного сфингозина [8]. Синтез церамидов прямо зависит от количества жировых отложений в организме. Так, уровень сывороточных церамидов С16:0, С18:0, С24:0 и С24:1 достоверно повышен у людей с ожирением [8].
Характеристика липидного состава при заболеваниях
Впервые церамиды были открыты в головном мозге, откуда и получили свое название (cerebrum). Церамиды также являются компонентами липопротеидов крови. Концентрация церамидов в мозге и крови значительно ниже, чем в коже. Изменение количества церамидов в крови часто имеет диагностическое значение, например при болезни Альцгеймера [8—11].
В норме соотношение церамидов, холестерина и СЖК составляет 3:1:1. С возрастом снижается продукция липидов кожи, но соотношение не меняется [12]. При различных метаболических нарушениях концентрация липидов кожи, а также церамидов крови может служить прогностическим и диагностическим маркерами сердечно-сосудистых заболеваний, ожирения, сахарного диабета, инсулинорезистентности и неалкогольной жировой болезни печени [13—16].
При АтД нарушение состава липидов кожи ассоциировано с расстройством синтеза как церамидов, так и СЖК. M. Danso и соавт. [17] показали, что при АтД снижаются количество насыщенных и доля длинноцепочечных (С22—С28) СЖК, а также изменяется баланс церамидов разных классов. Так, повышается доля AS и NS церамидов и снижается доля ЕОН и ОН церамидов. Изменения в составе СЖК и церамидов ассоциированы с нарушением функциональной активности ферментов стеарол CoA десатуразы (церамиды) и элонгазы 1 (СЖК). Аналогичное повышение доли AS и NS церамидов выявляют также у детей с АтД [18].
Нарушение в составе и количестве церамидов кожи наблюдается также при акне. В целом разнообразие церамидов в коже больных не нарушено. Так, Pappas и соавт. идентифицировали 283 типа церамидов при снижении общего количества липидов и доли NH, AH, EOS и EOH церамидов [19]. При акне (так же, как и при АтД) наблюдают снижение количества длинноцепочечных (>С18) СЖК. Авторы заключили, что NH и AH церамиды наиболее важны для формирования нормального барьера кожи [19].
Имеются ограниченные данные по изменению состава и количества церамидов при псориазе. Показано снижение церамида EOS [20]. В то же время состав церамидов на не пораженных псориазом и АтД участках кожи не отличается от такового у здоровых доноров [21]. Данных по составу и количеству церамидов в коже больных розацеа нет. По-видимому, при розацеа липиды кожи находятся в пределах нормы. В большинстве случаев нарушение состава липидов кожи ассоциировано с повышенной ТЭПВ. Имеются ограниченные сведения, что при розацеа ТЭПВ повышается только в области лица, что может являться в большей степени результатом патологического процесса, чем генерализованного дисбаланса липидов кожи [22]. Этими же авторами показано, что при АтД повышенная ТЭПВ является генерализованной.
Компенсаторные механизмы при нарушении барьерной функции эпидермиса
При нарушении эпидермального барьера (травмы, воспаление, аутоиммунные процессы) в течение минут начинаются репаративные процессы. В первую очередь высвобождаются ЛТ из клеточных депо и начинается синтез de novo СЖК, а затем церамидов [23]. При наложении непроницаемой мембраны наблюдается подавление синтеза ЛТ, что препятствует восстановлению эпидермального барьера [24]. Процесс репарации стимулируется изменением градиента кальция в эпидермисе, вызванного локальной потерей воды [25]. Нанесение на кожу топических препаратов, содержащих СЖК, ускоряет восстановление барьерных свойств кожи за счет включения экзогенных СЖК в липидный слой эпидермиса [26]. Аналогичное действие оказывают и синтетические церамиды [27]. Однако в состав топических средств входит несколько компонентов, создающих на коже пленку. В большей степени они служат окклюзивным барьером, помогающим удерживать воду и снижать ТЭПВ, уменьшать зуд и обеспечивать экзогенными липидами и церамидами [28].
Терапия кожи увлажняющими средствами
Показано, что использование увлажняющих препаратов замедляет прогрессию АтД и снижает тяжесть заболевания [30, 31]. K. Mori и соавт. [30] оценивали эффект геля на основе синтетических церамидов и экстракта эвкалипта в слепом клиническом исследовании 27 больных из Японии с умеренным АтД. Авторы показали, что в сухой летний период использование геля значительно улучшало состояние кожи, снижало покраснение, зуд, улучшало самочувствие больных по сравнению с больными, не использовавшими гель. Аналогичные данные были получены у больных себорейным дерматитом [31]. Этот же состав увлажняющего средства в сочетании с умеренной очисткой лица оказывал достоверный протективный эффект при акне средней тяжести у подростков с сухой и чувствительной кожей [32]. Авторы показали увеличение общего количества церамидов кожи, доли длинноцепочечных церамидов NS и NP в результате обработки кожи.
Использование топических средств, содержащих компоненты ЛТ, позволяет снизить побочные эффекты кортикостероидных препаратов. Так, короткий курс 0,05% клобетазола замедлял регенерацию эпидермального барьера; при одновременном нанесении крема, содержащего СЖК, холестерол и церамиды, снижались побочные эффекты кортикостероида и ускорялась репарация кожи [33]. Аналогичные данные были получены S. Ahn и соавт. [34] в модели на мышах.
Иммуносупрессивные препараты, влияющие на физиологические процессы кожи, подавляют репарацию: так, ингибиторы кальциневрина пимекролимус и такролимус задерживают восстановление барьерной функции и снижают количество липидов в эпидермисе [35]. Использование топических препаратов, включающих физиологические липиды в сочетании с пимекролимусом, улучшает репарацию кожи и состав липидов эпидермиса.
Применение в качестве наружной терапии воспалительных дерматозов комбинации топических кортикостероидов или ингибиторов кальциневрина с препаратами, содержащими физиологические липиды, позволяет улучшить восстановление эпидермального барьера и снизить побочные эффекты противовоспалительных агентов на барьерную функцию кожи.
В России разработан комбинированный препарат, содержащий 0,1% метилпреднизолона ацепонат и керамиды (Комфодерм К крем, патент 2011120522.15), который позволяет расширить возможности терапии стероидчувствительных дерматозов у взрослых и детей.
На рынке имеется большое количество кремов, содержащих церамиды. Чаще всего в косметические кремы вводятся церамиды NP и EOS, что способствует снижению ТЭПВ. В увлажняющие препараты и терапевтические кремы для лечения псориаза могут добавляться церамиды AP, AS и EOS. В настоящее время в основном используют синтетические церамиды, которые по действию идентичны природным. Несмотря на известное соотношение церамидов, холестерина и СЖК в нормальной коже, применение увлажняющих кремов, содержащих большое количество церамидов разных классов, может быть нецелесообразным. Так, значительный клинический эффект при умеренном АтД получен при использовании крема РС-104 на основе смеси амидов пальмитиновой кислоты, глицирретиновой кислоты и экстракта виноградных косточек [36]. Раннее начало использования эмолиентов с церамидами значительно снижает частоту заболеваемости АтД у младенцев из группы риска [37, 38]. Синтетические фитоцерамиды NP и EOP эффективны также при псориазе [39].
Заключение
ГК «Униконс»
Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.
«Антисептики Септоцил»
Септоцил. Бытовая химия, антисептики.
«Петритест»
Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.
«АльтерСтарт»
Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.
ЖИРЫ (ЛИПИДЫ)
Обладают высокой калорийностью, 1 г – 9 ккал. Вопреки традиционному мнению, роль жиров в питании не ограничивается их энергетической ценностью. Они являются необходимым компонентом многих клеточных структур, особенно мембран, выполняют различные физиологические и биохимические функции. Жиры служат источником необходимых витаминов и других биологически активных веществ, участвуют в усвоении некоторых нутриентов.
Жиры бывают животного и растительного происхождения. Типичными представителями животных жиров являются: сливочное масло, говяжье, баранье, свиное сало и костный жир. Наиболее распространенные растительные жиры – подсолнечное, кукурузное, рапсовое, соевое, оливковое масла.
В состав жиров, как известно, входят триглицериды и липоидные вещества. Триглицериды состоят из глицерина (около 9 %) и жирных кислот. Липоидные вещества представлены фосфолипидами, стеринами и другими соединениями липидной природы. Фосфолипиды состоят из глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты и аминоспиртов.
Насыщенные жирные кислоты – пальмитиновая, стеариновая, миристиновая и другие – используются в основном как энергетический материал, содержатся в наибольших количествах в животных жирах, что определяет их высокую температуру плавления и твердое состояние.
Высокое содержание животных жиров в рационе нежелательно, поскольку при избытке насыщенных жирных кислот нарушается обмен липидов, повышается уровень холестерина в крови, увеличивается риск развития атеросклероза, ожирения, желчно-каменной болезни.
Ненасыщенные жирные кислоты подразделяются на мононенасыщенные (содержат одну ненасыщенную связь) и полиненасыщенные (несколько ненасыщенных связей). Типичный представитель мононенасыщенных жирных кислот – олеиновая кислота, содержание которой в оливковом масле составляет 65 %, в маргаринах – 43-47 %, в свином жире – 43 %, в говяжьем – 37 %, в сливочном масле – 23 %.
К полиненасыщенным (ПНЖК) относят линолевую, линоленовую и арахидоновую кислоты. Линолевая кислота является незаменимой – она не синтезируется в организме и должна поступать с пищей. Недостаточное содержание в организме полиненасыщенных кислот приводит к прекращению роста, некротическим поражениям кожи, изменениям проницаемости капилляров, другим патологическим нарушениям. Отмечено, что полиненасыщенные кислоты являются предшественниками в биосинтезе гормоноподобных веществ – простагландинов, которые препятствуют отложению холестерина на стенках кровеносных сосудов, предотвращая тем самым образование атеросклеротических бляшек.
ПНЖК широко применяются в качестве биологически активных добавок к пище. Наибольшей биологической активностью обладает арахидоновая кис-
лота, которая образуется в организме из линолевой при участии витамина В6. Линолевая кислота дает другие полиненасыщенные кислоты, функции которых менее изучены. Основным источником линолевой кислоты является подсолнечное масло (60 %). Содержание арахидоновой кислоты в пищевых продуктах незначительно и составляет, %: в мозгах – 0,5; яйцах – 0,1; свиной печени – 0,3; сердце – 0,2.
Оптимальная потребность организма в линолевой кислоте – 10 г в сутки, минимальная – 2-6 г. Среднее содержание полиненасыщенных кислот в рационе, в пересчете на линолевую, должно составлять 4-6 % от общей калорийности пищи. Избыток полиненасыщенных жирных кислот, как и недостаток, отрицательно сказывается на здоровье человека.
ПНЖК подразделяются на различные семейства в зависимости от положения первой двойной связи от метильного конца ПНЖК. Если двойная связь ра положена на шестом месте от метильного конца, то ПНЖК относят к семейству n-6, или ω-6, если на третьем месте – то к семейству n-3, или ω-3.
Жирные кислоты семейства ω-6 преобладают в растительных маслах. К ним относят линолевую, γ-линолевую и арахидоновую кислоты.
ПНЖК семейства ω-3 содержатся главным образом в жирах морских рыб и млекопитающих. Их основными представителями являются α-линолевая, эйкозапентановая, докозагексаеновая и докозапентаеновая кислоты. В табл. 3, 4 приводится содержание указанных кислот в наиболее распространенных морских и пресноводных рыбах и морепродуктах.
Содержание ω-3 жирных кислот в морских рыбах, млекопитающих и морепродуктах
Содержание ω-3 жирных кислот в пресноводных рыбах
Рекомендуемое соотношение ω-6 и ω-3 в рационе здорового человека – 10 : 1, для лечебного питания – от 3 : 1 до 5 : 1.
Применение полиненасыщенных жирных кислот эффективно при лечении гиперлипопротенделий, гипертонической болезни, тромбозов, сахарного диабета, бронхиальной астмы, кожных заболеваний, иммунодефицитных состояний.
Фосфолипиды
В пищевых продуктах встречается главным образом лецитин, в его состав входят холин и кефалин, основным компонентом последнего является этаноламин. Фосфолипиды способствуют лучшему усвоению жиров, поэтому лецитин и холин применяются в качестве фармакологических препаратов, препятствующих ожирению печени. Лецитин проявляет выраженное липотропное действие, предотвращая накопление холестерина в организме и способствуя его выведению.
Наибольшее содержание фосфолипидов отмечается, %: в яйцах – 3,4; нерафинированных растительных маслах – 1-2; сырах – 0,5-1,1; мясе – 0,8; птице – 0,5-2,5; зерне и бобовых – 0,3-0,9. Оптимальный уровень фосфолипидов в рационе составляет около 5 г в день.
Фосфолипиды широко применяются в качестве биологически активных добавок (БАД) к пище (мослецитин, «Тонус», «Витол» и др.). Они усиливают эффективность антиоксидантных систем организма, нормализуют процесс транспорта липидов в кровотоке, репарации клеточных мембран, активизируют иммунокомпетентные клетки, усиливают всасывание жиров в желудочно-кишечном тракте.
Стерины
В гигиеническом плане наиболее известен β-ситостерин, основным источником которого является растительное масло. Обладает способностью образовывать с холестерином нерастворимые комплексы, что препятствует всасыванию холестерина и снижает его уровень в крови.
Холестерин, который также относится к важнейшим стеринам, содержится в продуктах животного происхождения, является предшественником в биосинтезе витамина D, ряда гормонов, а также принимает участие в обмене желчных кислот и других процессах жизнедеятельности организма. Больше всего холестерина содержится в следующих продуктах, %: яйца – 0,57; сливочное масло – 0,17-0,27; печень – 0,13-0,27; мясо – 0,06-0,1; рыба – до 0,3. Обычный суточный рацион – в среднем 500 мг холестерина. Известно, что высокий уровень холестерина в крови является фактором риска возникновения атеросклероза, поэтому, при соответствующих заболеваниях, рекомендуют ограничить потребление пищевых продуктов с высоким содержанием холестерина.
Представленная выше характеристика основных компонентов липидов свидетельствует, что животные и растительные жиры в равной степени необходимы человеку. Животные жиры – это единственный источник витаминов А и D, растительные – витамина Е и β-каротина. Ограничение жиров в рационе, как и избыток, отрицательно сказывается на нормальном функционировании метаболических систем организма, приводит к возникновению специфических заболеваний. Считают, что оптимальное соотношение животных и растительных жиров должно составлять 7 : 3, для жирных кислот: 10 % полиненасыщенных, 30 % ненасыщенных и 60 % мононенасыщенных. Для лиц пожилого возраста и предрасположенных к атеросклерозу соотношение растительных и животных жиров должно быть приблизительно равным.
Общее содержание жиров в рационе рекомендуют на уровне 30-35 % от его калорийности, в весовом соотношении – в среднем 107 г/сут. Это количество может быть несколько увеличено в условиях холодного климата за счет квоты углеводов или, соответственно, снижено в условиях жаркого климата.
Рассматривая вопросы пищевой ценности жиров, следует еще раз отметить, что, с одной стороны, жиры являются основным источником жирорастворимых витаминов, а с другой – жирные кислоты обладают способностью наиболее полно обеспечивать синтез структурных компонентов клеточных мембран. Последнее можно охарактеризовать с помощью специального коэффициента, отражающего отношение количества арахидоновой кислоты (как главного представителя полиненасыщенных жирных кислот в мембранных липидах) к сумме всех других полиненасыщенных жирных кислот с 20 и 22 углеродными атомами. Этот коэффициент назван коэффициентом эффективности метаболизации эссенциальных жирных кислот (КЭМ), который рассчитывается по формуле:
где двузначное число – количество углеродных атомов в молекуле ПНЖК, однозначное – количество двойных связей. По мнению ученых Института питания РАМН, КЭМ можно использовать для оценки адекватности жирового компонента рациона.
Гигиеническая характеристика жиров и их роль в питании определяют направления производства жироемких продуктов. Несомненное значение в этом плане имеет маргариновая продукция, производство которой дает возможность сочетать необходимые организму вещества липидной природы и витамины в оптимальных соотношениях. С этих позиций маргариновая продукция является наиболее ценной и поэтому широко пропагандируется в питании населения.
Научная электронная библиотека
§ 3.1.3. Понятие о цитологии
Цитология – раздел биологии, изучающий жизнедеятельность клетки.
Множество простейших и микроорганизмов представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тела многоклеточных организмов построены из огромного числа клеток. Независимо от того, представляет собой клетка целостную живую систему, либо ее часть, она наделена набором признаков и свойств, характерных для всех клеток.
Клетка состоит из простых и сложных молекул белков, нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), липидов, углеводов, минеральных веществ и, конечно же, воды. Белкам и нуклеиновым кислотам принадлежит основная роль в синтезе из простых микромолекул сложных макромолекул, в освобождении и превращении энергии из поступающих в клетку веществ.
Клетка – основная структурно-функциональная единица живого. Клетка – биологически автономная система, способная самостоятельно осуществлять все процессы, присущие живой материи (рост, размножение, раздражимость и т. д.)
Впервые клетку наблюдал Р. Гук (1665 г., Англия) на срезах пробки через систему линз. Дальнейшее ведение микроскопических исследований принадлежит члену Королевского общества Неемии Грю (1641–1712 гг.), который собрал первый микроскоп в. Общие результаты своих исследований он изложил в четырехтомном трактате, опубликованном в 1682 г. Трактат этот носил длинное название «Анатомия растений с изложением философской истории растительного мира и несколько других докладов, прочитанных перед Королевским обществом».
Но изучение срезов тканей растительных и животных организмов в 17–18 веках носили описательный характер. Более подробное изучение жизнедеятельности клетки началось с усовершенствованием увеличительной техники в 19 веке. Немецкие ученые М. Шлейден и Т. Шванн (1839 г.) сопоставили ткани растительных и животных организмов, обнаружили общий принцип строения и роста тех и других клеток.
Позднее, благодаря открытию процессов роста и деления, а также ряда биохимических процессов клетки, сформировалась клеточная теория.
Основные положения классической клеточной теории:
1. Клетка – наименьшая структурная единица живого.
2. Все живые организмы состоят из клеток (одной – одноклеточный организм, или множества – многоклеточный организм)[34].
3. Несмотря на огромное разнообразие внешних форм, все клетки сходны между собой по внутреннему строению, химическому составу и принципам жизнедеятельности.
4. «Клетка от клетки». Новые (дочерние) клетки возникают в результате деления исходной (материнской) клетки.
Клетки многоклеточного организма объединяются в ткани, ткани – в органы, органы в системы органов.
Все вещества, входящие в состав клетки (и живого организма в целом) принято делить на две группы – группу неорганических веществ и группу органических веществ (рис. 3.4):
Рис. 3.4. Простейшая классификация веществ живых организмов.
Неорганические вещества в живой клетке представлены, прежде всего, водой, а также микро- и макроэлементами, присутствующими в составе различных солей
Воды в организме содержится, в среднем 83 %. Функции воды:
а) Вода является прекрасным растворителем. Вещества, растворенные в воде, проникают в клетку, обеспечивая ее питание.
б) Продукты обмена выводятся из организма также в виде водных растворов (см. раздел «Цитоплазма»).
в) Вода поддерживает тургор (упругость) клетки.
г) Все биохимические процессы (окисление – восстановление, синтез – разложение, каталитические реакции и т. д.) происходят в водной среде.
д) Кроме того, вода обладает большой теплоемкостью и теплопроводностью, что обеспечивает гармоничное распределение и сохранение тепла в организме.
Примеры микро- и макроэлементов приведены на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Микроэлементы и макроэлементы живого организма
Органические вещества живой клетки представляют: липиды, углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.
Липиды – производные высших жирных кислот, химический состав которых можно представить формулой СmHnOl. К липидам, в частности, относятся жиры, химический состав которых подробно рассматривается в курсе органической химии. При этом, жидкие жиры (масла) чаще растительного происхождения (исключение – рыбий жир), твёрдые – животного происхождения (исключение – пальмовое масло).
1. Строительная. Липиды входят в состав всех биологических мембран.
2. Энергетическая. Липиды являются источником энергии для организма. При окислении 1 г липидов до СО2 и Н2О выделяется 39 кДж энергии:
[35].
Выделяющаяся при этом вода называется метаболической.
3. Теплоизоляционная. Липиды – отличный теплоизолятор. Эта функция играет большую роль при адаптации организмов к холодной среде обитания, например, моржей и тюленей в холодных водоёмах.
4. Влагообеспечивающая. Как видно из функции 2, жиры служат дополнительным источником воды в организме. Эта функция особенно важна для обитателей засушливых зон.
Углеводы, входящие в состав живых клеток, подразделяют на простые и сложные (рис. 3.6)
Рис. 3.6. Простейшая классификация углеводов, входящих в состав живых клеток
1. Энергетическая. Основным источником энергии для организма являются простые сахариды. Важнейшим из них является глюкоза. При окислении 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж энергии. Некоторые сложные углеводы представляют собой дополнительный запас энергии. В частности, организм получает значительное количество энергии для жизнедеятельности при окислении полимерных молекул крахмала (в телах растений) или гликогена (в телах животных).
2. Строительная. Сложные углеводы являются строительным материалом для некоторых живых организмов. Например, целлюлоза входит в состав древесины, а хитин – в наружный скелет насекомых.
Белки – сложные полимеры. На долю белков приходится 50 % от сухой массы живого организма. Белки – уникальная природная форма, из которой состоят все живые организмы планеты. В организме человека встречаются 5 млн типов белков, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Белки состоят из аминокислот (мономеры), соединенных друг с другом в определенной последовательности, присущей только определенному организму. Всего известно 20 разновидностей аминокислот. В молекуле белка эти аминокислоты соединены друг с другом прочной пептидной связью[36]. В состав 1 молекулы белка входят от 51 до нескольких сотен аминокислот.
1. Строительная. Белки входят в состав всех вещественных биологических структур: клеток, тканей, органов, крови (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Простейшая классификация белков, реализующих строительную функцию
2. Каталитическая. Группа белков, являющихся катализаторами биохимических процессов, называется ферментами. Некоторые ферменты ускоряют протекание реакций в десятки и сотни тысяч раз. Схема работы ферментов с субстратами – веществами, вступающими в биохимический процесс, приведена на рис. 3.8.
3. Транспортная. Существует ряд белков, транспортирующих вещества к различным тканям (например, гемоглобин – белок, переносящий кислород к клеткам) и удаляющих продукты обмена. Многие молекулы (например, сахара) не способны проникнуть в клетку без помощи специфических белков-переносчиков.
Рис. 3.8. Схема работы ферментов:
а – сближение субстратов (С) с ферментом.; б – образование
фермент-субстратного комплекса; в – превращение субстратов
в продукты реакции (ПР); г – разъединение продуктов реакции и фермента
4. Гормональная. Гормоны – биологически активные вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции и регулирующие физиологические процессы в организме. При недостатке гормонов возникают патологические изменения, приводящих к заболеваниям и даже гибели организма. Некоторые из гормонов являются белками.
5. Защитно-иммунная. Белки, входящие в состав иммунных клеток (лейкоцитов) обеспечивают защиту от бактерий и вирусов. Эти белки (антитела) связываются с чужеродными организму веществами, образуя комплекс, который затем удаляется из организма
7. Двигательная. Некоторые из белков, входящих в состав мышц способны сокращаться, а, значит, приводить организм в движение.
8. Энергетическая. Иногда, хотя и достаточно редко, белки могут служить дополнительным источником энергии. При окислении 1 г белка освобождается 17,6 кДж.
Нуклеиновые кислоты в живых клетках представлены двумя типами: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (ДНК).
Современная структурная модель ДНК была впервые предложена американским биологом Дж. Уотсоном совместно с английским физиком Ф. Криком в 1953 году и представляет собой две полинуклеотидные цепи, соединённых водородными связями и закрученные в спираль. В каждой цепочке содержится от пятисот до нескольких сотен тысяч нуклеотидов. Условная схема строения нуклеотида представлена на рис. 3.9.
В нуклеотидах ДНК остаток фосфорной кислоты и дезоксирибоза – неизменные составляющие, в то время как азотистых оснований существует 4 разновидности: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Поэтому каждый нуклеотид принято обозначать тем же названием, что и азотистое
основание, входящее в его состав (аденин, гуанин, цитозин, тимин). Поскольку водородные связи в ДНК могут возникать только попарно, по принципу комплементарности: аденин (А) связывается только с тимином (Т), гуанин (Г) – только с цитозином (Ц), то, зная последовательность одной цепи, можно составить последовательность второй цепи.
Рис. 3.9. Схема строения нуклеотида ДНК
При определённых условиях, перед делением клетки, ДНК объединяется с многочисленными белками в единый комплекс, который называется хромосома (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Строение реплицированной (удвоенной) хромосомы
Уникальность дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит в том, что её молекула является хранилищем сведений о составе всех белков, вырабатываемых организмом, а, значит, содержит в себе информацию обо всех его внешних и внутренних признаках, причём, передаваемую из поколения в поколение от родителей – потомству. Биологическая передача сведений потомству о своих признаках осуществляется благодаря репликации ДНК.
Репликация ДНК – это процесс её удвоения, протекающий с участием специальных ферментов при подготовке клетки к делению. Репликацию можно условно разделить на три стадии (рис. 3.11):
1. Раскручивание двойной спирали ДНК с одного конца под действием фермента.
2. Достраивание по принципу комплементарности новых цепей на разъединившихся прежних цепях.
3. Окончательное формирование двух новых ДНК. В каждой из них одна цепь принадлежала прежней ДНК, а вторая достроена по принципу комплементарности.
Рис. 3.11. Схема репликации ДНК:
а – раскручивание двойной спирали ДНК; б – достраивание новых цепей
на разъединившихся прежних цепях; в – окончательное формирование двух новых ДНК
Таким образом, при делении клетки обе дочерние клетки получают совершено одинаковые ДНК.
Также как и ДНК, молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) представляет собой полинуклеотидную цепь. В отличие от ДНК она одноцепочечная и содержит намного меньше нуклеотидов. Другим существенным отличием РНК от ДНК является химический состав нуклеотидов: нуклеотиды РНК содержат остаток рибозы вместо дезоксирибозы (рис. 3.12) и вместо тимина в составе нуклеотидов РНК находится урацил.
Основная функция РНК – участие в синтезе белковых молекул. В зависимости от характера этого участия РНК подразделяют на матричные или информационные (мРНК), транспортные (тРНК), рибосомальные (рРНК):
– мРНК копирует с ДНК информацию о структуре белка, который нужно синтезировать и доставляет её к месту синтеза;
– (тРНК) – доставляет необходимые аминокислоты и в определенном порядке к месту синтеза белка;
– (рРНК) – входят в состав рибосом – внутриклеточных частиц, на которых и происходит синтез белка. Иногда рибосомы называют главными «рабочими» синтеза белка.
Участок ДНК, содержащий сведения о первичной структуре одного определённого белка, называется геном. Совокупность всей информации обо всех белках, хранящаяся в ДНК иногда называют генетической программой. Последовательность нуклеотидов ДНК определяет аминокислотную последовательность молекулы белка. Эта зависимость между молекулой ДНК и строением белковой молекулы называется генетический код. Генетический код известен для всех 20 аминокислот.
Рис. 3.12. Схема строения нуклеотида РНК
Процесс передачи информации генетического кода в конкретный белок протекает следующим образом:
1. С помощью специальных ферментов на поверхности гена формируется комлементарная цепь матричной РНК. В данном случае ген является матрицей с которой делается слéпок – м-РНК.
2. Образовавшаяся м-РНК перемещается к месту синтеза белка – к рибосомам.
3. Сюда же к месту сборки белковой молекулы «доставляются» посредством тРНК определенные аминокислоты, последовательность построения которых записана на мРНК. Набору из трёх азотистых оснований, который называется триплет нуклеотидов или кодон, соответствует одна и только одна аминокислота. Например, возле нуклеотидной последовательности ГГЦ может закрепиться только глицин
а возле кодона ГЦУ – только аланин
Всего в построении белковой молекулы участвует 20 различных аминокислот.
4. Между располагающимися в строго определённой последовательности аминокислотами образуется пептидная связь
и постепенно формируется молекула белка. Следует подчеркнуть, что синтез белковых молекул осуществляется при активном участии огромного количества всевозможных ферментов.
1. Что такое клетка? В чем заключается ее биологическое значение?
2. В чем заключаются основные положения клеточной теории Шлейдена – Шванна?
3. Какие вещества неорганической природы включены в состав клетки? Объясните их значение.
4. Какое значение для клетки имеют органические вещества: липиды, углеводы и белки?
5. Что такое ДНК? Расскажите о ее строении. Каково значение ДНК для клетки?
6. О чем гласит принцип комплементарности в построении молекулы ДНК?
Произвести достройку молекулы ДНК: А-Г-Г-Г-Ц-А-Т-Г-Т-Т-А-Ц-Г-Ц.
7. Задача: в молекуле ДНК 19 % цитозина. Определить количество остальных нуклеотидов.
8. В чем биологический смысл репликации ДНК?
9. В чем особенности строения РНК? Какие виды РНК встречаются в клетке и какую функцию осуществляют?
10. Каким образом происходит реализация генетической программы?
В чем ее биологический смысл?