Биологические свойства

Биологические свойства липоидов, в общем, также могут быть связаны непосредственно с их физико-химическими характеристиками, то есть, с их особенным складом.

Система липидов

Сравнительная нерастворимость липидов в воде и их растворимость в нейтральных растворителях позволили нам выделить указанные вещества в группу из других компонентах организма. Мы считаем, что липиды следует выделить в отдельную систему организма не только по дидактическим соображениям. Эту концепцию подтверждает способ участия липидов в организации и функционировании разных объектов. Например, когда липоид вводится в организм, он избирательно растворяется и метаболизируются в качестве части системы липидов, циркулирует в ней, сохраняются ею. Овертоновский "Index of Repartition" анестетиков в организме, как было показано, является непосредственным следствием существования подобной системы, хотя анестетик мог быть липоидом или неполярным веществом.

Как и в жировых клетках, в этой системе явно морфологически прослеживается большая степень независимости, когда жиры циркулируют в виде хиломикронов, или, когда они образуют ориентированные слои. Выше мы уже видели, как ориентация липоидов на поверхности воды происходит от связи между двумя составляющими группами, полярной и неполярной. Вместе с их растворимостью в воде, ориентация липоидов позволяет им играть важнейшую роль в биологии.

Само существование биологических объектов, как оказалось, зависит от способности липидов выстраивать граничные образования, разделяющие и, таким образом, обеспечивающие индивидуальность биологических объектов.

Благодаря особенной, взаимно противоположной ориентации двух, или более, слоев липидов, они могут образовывать мембрану с двумя диаметрально противоположными поверхностями, обладающими способностью разделять две водяные среды. В самом простом виде подобная мембрана представлена в митохондриях. (Заметка 3) Такие же граничные образования находятся в ядрах и клетках, появляются в объектах более высокого уровня, таких как мембраны и межклеточные перемычки эндотелия лимфатических и кровеносных сосудов. Именно такая особенная ориентация, позволяющая липидам создавать необходимые граничные образования в сложных иерархических организмах. Существование биологических объектов, по крайней мере, начиная с уровня хромосом (а может даже ниже этого уровня), прямо зависит от вмешательства липидов, как отдельной системы, особенно в образовании двухполярных липидных границ.

Однако, граничные образования, разделяющие биологические объекты, не будут эффективными, если они не смогут выполнить другую главную роль:

разрешения избирательного пассажа метаболитов. Полностью непроницаемая мембрана будет изолировать соответствующие объекты, приводя их к смерти. С другой стороны, полностью проницаемая мембрана окажется бесполезной. Граничное образование должно действовать избирательно, позволяя пассаж лишь некоторых веществ. Но даже это, возможно, недостаточно для обеспечения эффективной защиты. Наиболее важно то, что подобная мембрана должна быть способной варьировать свою проницаемость, количественно и качественно, в соответствии с меняющимися условиями. Такая способность менять проницаемость может быть связана с присутствием двух групп липидов, жирных кислот и стеринов, обладающих противоположными свойствами относительно проницаемости.

Оказывается, что жирные кислоты индуцируют проницаемость мембраны, которую образуют, особенно проницаемость для анионов. Перпендикулярное положение относительно поверхности воды, занимаемое неполярными алифатическими группами, когда жирные кислоты образуют эту граничную мембрану, оказалось благоприятной для перехода вещества через мембрану. Таким образом, молекулы жирных кислот могут быть разделены, позволяя другим молекулам проходить между ними, то есть проникать через мембрану, образуемую жирными кислотами. Отрицательный электрический характер полярных групп указанных жирных кислот объясняет, почему они представляют своеобразный барьер на пути прохождения катионов. Указанные катионы привлекаются и задерживаются кислотными полярными группами. Это объясняет явные изменения проницаемости под влиянием иона кальция.

Удаление кальция из клеточных мембран благодаря воздействию оксалатов увеличивает проницаемость, в то время как обработка солями кальция уменьшает проницаемость. Двухвалентный ион кальция, когда он связывает полярные группы двух соседних молекул жирной кислоты в мембране, предотвращает проход иных молекул между указанными частями мембраны, что объясняет явное уменьшение проницаемости, вызванное этим катионом.

Другая группа липидов, стерины, оказывают противоположное влияние на проницаемость, по сравнению с жирными кислотами. Это может быть связано частично связью, которую указанные стерины образуют с жирными кислотами. В итоге они блокируют любую проходимость через часть мембраны, образованную жирными кислотами. Непроницаемость обусловлена, в определенной степени, особенностями слоев, образованных самими этими стеринами. Полициклические молекулы стеринов не занимают такое же перпендикулярное положение по отношению к поверхности воды, как это делают жирные кислоты (27) (Рис. 63) Поскольку молекулы стеринов занимают положение почти параллельное ее поверхности, слой, образуемый ими, не обладает свойствами проницаемости.

Рис. 63. Схема ориентированных промежуточных слоев. Перпендикулярное расположение по отношению к поверхности воды молекул жирных кислот (a) способствует прохождению других молекул через, образуемые ими, разделяющие мембраны. Напротив, почти параллельное расположение по отношению к поверхности воды полициклических молекул стеринов (b) предотвращает прохождение других молекул через, образуемую ими мембрану.

Предотвращается даже любой переход через нее. Вероятно, жирные кислоты и стерины делают отдельные "дырки" в клеточных мембранах, которые, благодаря их количественным связям, они обусловливают разную степень проницаемости разных участков мембраны. Изменения в проницаемости, возникшие как результат антагонистического влияния этих двух групп липидов, вероятно, играют важную роль в нормальной и патологической физиологии.

Биологическая связь жирных кислот и стеринов прослеживается в том, что первые индуцируют проницаемость, а вторые - противостоят ей. Вероятно, одной из функций стеринов является противодействие активности жирных кислот. С концептуальной позиции, стерины появляются в указанной связи, чтобы, скорее, служить антижирокислотными агентами, способными контролировать активность жирных кислот, чем проявлять активность сами по себе. В связи с этим, а также из общих соображений, следует сначала исследовать активность жирных кислот.

ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ

Кроме выполнения конструктивной роли в создании граничных образований, жирным кислотам присущи также и другие функции в организме. Они могут использоваться в качестве калорических метаболитов, которые играют активную функциональную роль в биологическом процессе. В то время как все жирные кислоты могут проявлять три указанных вида активности—калорическую, конструктивную и функциональную—существуют важные индивидуальные отличия. Если полярная карбоксильная группа свойственна всем жирным кислотам, то различия между ними обусловлены неполярными группами. Мы обсудим указанный аспект жирных кислот в плане новых сведений о биологической роли этих веществ.

Прогорклость

Изучение изменений, происходящих in vitro у липидов и, особенно, жирных кислот, после того как они были выделены из организма, побудило нас рассмотреть возможный параллелизм между ними и изменениями, происходящими в организме. Таким образом, мы попытались применить сведения, полученные при изучении химического разрушения естественных жирных кислот, известного как прогорклость (28), для лучшего уяснения и систематизации многих процессов. протекающих in vivo.

Описано три типа прогорклости. При одном из них—гидролитической прогорклости — жиры разделяются на свободные жирные кислоты и глицерин (или моно- или диглицериды), благодаря вмешательству липолитических энзимов. Они часто продуцируются плесенями (Penicillium, Aspergillus, и так далее) или микробами, богатыми указанными липолитическими энзимами или даже липазой, присутствующей в тканях, из которых эти липиды получены. Для указанного типа прогорклости характерно вмешательство энзимов и появление, как результат, свободных жирных кислот.

При втором типе прогорклости, также встречающемся при участии энзимов, вовлечен и окислительный процесс. Для этого типа прогорклости характерно, что он воздействует почти всегда, если не исключительно, на насыщенные жирные кислоты, конвертируя их в метилкетоны, благодаря процессу бета окисления. Указанная "благоухающая прогорклость", названная так из-за запаха метилкетонов с семью, девятью или одиннадцатью атомами углерода происходит благодаря вмешательству пероксидазы, присутствующей в определенных плесенях (таких как penicillium glaucum). Одним из его свойств является то, что он происходит на насыщенных жирных кислотах с низким числом атомов углерода (8 - 12).

Третий тип прогорклости объединяет окислительные изменения, которые случаются в ненасыщенной неполярной группе липидов. Поскольку они являются результатом вмешательства двойных связей, реакции различаются в зависимости от присутствующего энергетического центра. При одном, происходящем при комнатной температуре только для конъюгированных жирных кислот, таких как элеостеариновая кислота, и при 100°C, только в некоторой степени, для олеиновой, линолевой и линоленовой кислоты, окисление приводит к появлению перекисей. (29) При другой форме указанного окисления, происходящей для олеиновой, линолевой и линоленовой жирных кислот при комнатной температуре, или ниже 50°C, образуется гидропероксиды, как показали Farmer и соавторы, сначала для резины (30), затем - для жиров (31). Другой важный факт, наблюдаемый при прогорклых изменениях является то, что атмосферное окисление poly-ethenoid жирных кислот может привести к смещению двойных связей с появлением конъюгированных изомеров. (32)

Изучение естественной прогорклости представило основной ориентир для проведения исследований и систематизации процессов, встречающихся в нормальной и патологической физиологии. Мы провели исследование и установили это подобие не только в общих чертах, но и в большинстве деталей.Обращаясь к процессам, обнаруживаемым при прогорклости, нам удалось идентифицировать, кроме энзиматического липолиза и энзиматического бета окисления Кнупа, которые возникают в организме, также и участие гидропероксидов, перекисей и конъюгации двойных связей. Не только сами процессы, но и условия, при которых они происходят, и их взаимосвязь, как было установлено, были идентичны in vivo тем, которые наблюдались in vitro.

Мы увидим при изучении жирных кислот, насколько далеко заходит эта аналогия биологического вмешательства

Обмен веществ калориями

Хотя все жирные кислоты, в конце концов, используются разными организмами в качестве калорических метаболитов, насыщенные и monoethenic члены представляются с этой точки зрения наиболее важными. Среди насыщенных и monoethenic жирных кислот члены с длинной цепью содержатся в резерве для калорических потребностей. Мы смогли показать, что главная форма калорического десмолизиса, бета окисление Knoop, происходит непосредственно, почти исключительно у членов со сравнительно короткими цепями, то есть максимум с 10-12 атомами углерода.

В то время как жирные кислоты с короткими цепями участвуют непосредственно в этих калорических изменениях, имеющие более длинную углеродную цепь претерпевают предварительные изменения перед вступлением в калорический метаболизм. Десатурация, меняющая насыщенную жирную кислоту в моноэтеновую, представляет первый шаг в калорическом метаболизме членов с длинной цепью. Таким образом, моноэтиноиды можно рассматривать в качестве промежуточных форм между насыщенными резервными и короткоцепочечными, легко метаболизируемыми жирными кислотами.

Двойная связь у этих моноэтеновых кислот будет, таким образом, иметь две цели: первая,уменьшить точку плавления ниже температуры тела и, таким образом, разрешит быструю мобилизацию, и второе, индуцировать изменения, ведущие к разрыву длинной молекулы на две боле короткие, которые могут быть метаболизированы через окисление Knoop.

Все данные указывают на то, что указанное расщепление не происходит в области двойной связи, а через много более сложный процесс. Первое изменение состоит из присоединения кислорода у атома углерода возле двойной связи. Это ведет к появлению гидропероксидной группы. И только в последующий шаг молекула разрывается между этим атомом углерода возле двойной связи и самой двойной связью, приводя к появлению коротких цепей, имеющих четное число атомов углерода, способных прямо метаболизироваться через бета окисление. (Заметки 4)

Положение двойной связи у естественно встречающихся моноэтеновых жирных кислот, отделяющей почти всегда группу из девяти атомов углерода в направлении карбоксильного или метилового конца, (Заметки 5) имеет особое значение для разрыва молекул для калорических нужд.

Десатурация насыщенных жирных кислот, представляющая первый шаг в направлении разрешения для них участвовать в метаболических калорических изменениях, обычно происходящая в печени, очевидно, через те же процессы, благодаря которым полиненасыщенные жирные кислоты частично насыщаются. (Заметки 6)

Интересным аспектом калорического метаболизма насыщенных и S моноэтеновых жирных кислот, который будет показан ниже, является их сочетание с глицерином для образования триглицеридов.

Роль состава

Хотя насыщенные и моноэтеновые жирные кислоты вступают в образование граничных мембран, ди-, три- и тетраеновых членов, вероятно, играют особо важную роль в конструктивной функции жирных кислот. Некоторые из них вступают непосредственно в образование мембраны; некоторые образуют сложные липоиды, такие как лецитин с глицерофосфорным радикалом и азотсодержащим основанием. Как правило, эти последние представляют липоидический субстрат, который будет действовать как нейтральный натуральный растворитель, присутствующий в мембранах, и в качестве такового, вмешивается в создание двухфазной среды на уровне граничного образования. Указанная среда в большой степени будет обеспечивать ориентацию жирных кислот на поверхности раздела и формирование проницаемых липидных слоев.

Функциональная роль

Третья роль жирных кислот - функциональные агенты, участвующие в определенных реакциях. Указанная активность, как было установлено, сильно связана с двумя факторами: присутствием несочетанных карбоксильных групп и энергетическое влияние двойных связей неполярной части полиненасыщенных членов.

Свободные жирные кислоты оказались функционально активными, в то время как комбинированные обычно неактивны. Активность связана только частично с непосредственной способностью карбоксила реализовывать новые комбинации. Это происходит в результате индукции, оказываемой карбоксилом на неполярную группу. Так называемые жирные кислоты организма, вероятно, связаны в лабильной форме с протеинами, однако указанная связь не вызовет эффект индукции, оказываемый в отношении неполярной группы. Интенсивно положительный атом углерода карбоксила, вместе с зигзагообразным расположением молекулы жирной кислоты, вызывает индуктивный эффект, заряжая последующие атомы углерода цепи. Поэтому у них и будут альтернативные заряды. Четные атомы углерода обнаруживают отрицательный характер, в то время как нечетные являются положительными. Тот факт, что кислород комбинируется с положительными атомами углерода объясняет не только, почему, как при окислении Кнупа, эта связь имеется у С3, который является сильно положительным, но также объясняет так называемое переменное окисление (33) в котором другие следующие нечетные атомы углерода связывают атомы кислорода. Благодаря влиянию, оказываемому карбоксилом, двойная связь обнаруживает особую активность, которая заслуживает изучения.

Двойные связи

Отмечена некоторая тенденция рассматривать двойную связь как слабую, легко разрываемую, точку молекулы. На самом деле она представляет важный центр активности. Благодаря способности становиться полуполярным центром, а в итоге, связывать или терять радикалы, двойная связь является энергетическим центром молекулы. Важным ее свойством является способность вызывать подобные изменения, не повреждая цепь самой молекулы. Поскольку указанный тип реакции является обратимым и может быть повторен у той же молекулы, двойная связь, как оказалось, представляет функциональный объект. Поскольку реакция главным образом вовлекает неметаллические элементы, ненасыщенная жирная кислота принимает активное участие в метаболизме, в котором указанные элементы появляются.

Исследование прогорклости помогло нам, по аналогии, систематизировать окислительные процессы, протекающие in vivo. В дополнение к бета окислению по Кнупу, существуют еще несколько других типов окисления, при которых двойные связи участвуют более непосредственно. Двойная связь с ее полуполярным характером влияет на соседние атомы углерода, делая их высокореактогенными. При одной форме окисления молекулярный кислород связан с соседним атомом углерода, образуя гидропероксид, как было показано в условиях in vitro в работе Farmer. (31) Когда, при определенных обстоятельствах, эта связь кислорода становится обратимой, жирная кислота освобождает кислород. Появляется большая вероятность того,что во время подобного процесса кислород будет высвобождаться в качестве свободного радикала, при этом весь указанный процесс будет соответствовать активации кислорода. Изменение молекулярного кислорода в свободный радикал будет представлять физиологическую роль ненасыщенных жирных кислот в окислительных процессах.

Присутствие двух двойных связей в непараллельном положении, что обычно для большинства естественно встречающихся полиненасыщенных жирных кислот, является даже более значимым; эти две двойные связи оказывают особенно сильное влияние на особый атом углерода, находящейся в промежуточном положении между ними. Благодаря переменной индукции, причиной которой является сильно положительный атом углерода карбоксила, углеродные атомы цепи обладают переменными характерами, положительным и отрицательным. Когда и промежуточный атом углерода имеет сильно положительный характер, он оказывается особенно способным присоединять кислород. Этот сильно положительный промежуточный атом углерода, появляющийся в естественных полиненасыщенных жирных кислотах с более чем двумя двойными связями, может служить причиной той важной роли, которую играют указанные кислоты, когда они действуют в качестве неотъемлемых жирных кислот в организме. (Заметки 7)

Изучение явления прогорклости также показало, что в то время, как in vitro окисление ненасыщенной жирной кислоты под влиянием таких мягких условий, как комнатная температура, ведет к появлению гидроперекисей, окисление при более высокой температуре приведет к другой фиксации кислорода, в этот раз - к самой двойной связи. Будут появляться Эпоксиды, или перекиси, в зависимости от ионного или молекулярного состояния кислорода. Этот чрезвычайно важный процесс также происходит при прогорклости под влиянием энзима. Имеется большая вероятность того, что подобный процесс происходит in vivo при таких патологических состояниях, когда перекиси появляются в моче. Облучение, определенные воспалительные процессы (особенно являющиеся результатом воздействия стрептококков), назначение препаратов селена или высокополиненасыщенных жирных кислот приводят к появлению указанных окисляющих веществ в моче. Как уже отмечалось выше, когда эти вещества появляются, также повышается содержание индоксила и глюкуроновой кислоты, что может расцениваться, в определенной мере, как результат ненормально интенсивного окисления, происходящего on tryptophane and glucose. (See below.) В то время как активация кислорода является физиологическим процессом, перекиси появляются при ненормальных состояниях.