Липиды: классификация по функциям и омыляемости

Вопрос «классификация липидов» на семинаре коварен тем, что правильных схем сразу несколько, и от того, какую вы выберете, зависит весь дальнейший ответ. По строению липиды делят на простые, сложные и производные; по химическому поведению на омыляемые и неомыляемые; по роли в клетке на запасные, структурные, сигнальные и защитные; а в современной биохимии действует международная схема LIPID MAPS из восьми классов. Ниже разберём эти схемы и покажем, как они накладываются друг на друга, а форма под текстом соберёт запрос под ваше конкретное вещество.

Почему у липидов сразу несколько классификаций

Липиды это единственный класс биомолекул, который определён не по строению, а по свойству: они плохо растворимы в воде и хорошо в неполярных растворителях (хлороформ, эфир, бензол). Белки объединяет пептидная связь, нуклеиновые кислоты фосфодиэфирная, а у липидов общей связи нет. Под одну крышу попадают и триацилглицерол из подкожного жира, и холестерин, и витамин K, и простагландин.

Отсюда следствие: единой «правильной» классификации липидов не существует, каждая схема отвечает на свой вопрос. Химика интересует, что произойдёт при гидролизе, поэтому он делит липиды на омыляемые и неомыляемые. Физиолога интересует роль в организме, поэтому он говорит о запасных и структурных. Биоинформатику нужен однозначный код для базы данных, отсюда LIPID MAPS. Ошибка студента почти всегда одна: смешать основания деления и выдать список, где рядом стоят «фосфолипиды» и «гормоны».

Классификация по омыляемости: есть ли сложноэфирная связь

Это самое строгое химическое деление, потому что оно опирается на проверяемый признак. Омыляемые липиды содержат сложноэфирные (а у сфинголипидов амидные) связи и при нагревании со щёлочью распадаются на спирт и соли жирных кислот, то есть мыла. Сюда входят ацилглицеролы (жиры и масла), воски, глицерофосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды.

Рассчитать для своей задачи

Реакция для триацилглицерола записывается так:

$\text{TAG} + 3\,\text{NaOH} \rightarrow \text{глицерин} + 3\,\text{RCOONa}$

Неомыляемые липиды сложноэфирного каркаса не имеют и щёлочью не расщепляются. Это стероиды во главе с холестерином, терпены и пренолы, жирорастворимые витамины A, D, E, K, а также эйкозаноиды и свободные высшие спирты. Практическая ценность деления в том, что оно объясняет технологию: щелочной гидролиз жира даёт мыло и глицерин, а холестерин из той же смеси уходит в неомыляемую фракцию. Механизм самой реакции подробно разобран в материале про омыление жиров и получение мыла.

Классификация липидов по биологической функции

Функциональная схема отвечает на вопрос «зачем клетке эта молекула» и в вузовских ответах встречается чаще всего. Выделяют четыре основные группы.

Запасные (резервные) это триацилглицеролы адипоцитов. Их выгодность в энергетической плотности: полное окисление даёт около 38 кДж на грамм против 17 кДж у углеводов, и хранятся они безводно, тогда как гликоген связывает воду. Отсюда цифра из учебника: жировая ткань запасает примерно вдвое больше энергии на единицу массы.

Рассчитать для своей задачи

Структурные (мембранные) это глицерофосфолипиды, сфингомиелин, гликолипиды и холестерин. Их молекулы амфифильны: полярная голова обращена к воде, неполярные хвосты внутрь, и бислой собирается самопроизвольно. Холестерин здесь работает регулятором текучести, встраиваясь между хвостами. Как из этих молекул складывается рабочая граница клетки, показано в разборе строения плазматической мембраны.

Сигнальные (регуляторные) это стероидные гормоны (кортизол, тестостерон, эстрадиол), витамин D, эйкозаноиды (простагландины, тромбоксаны, лейкотриены) и инозитолфосфолипиды как источник вторичных посредников. Их концентрации ничтожны, а эффект системный.

Защитные и покровные это воски кутикулы растений и оперения птиц, кожное сало, а также липиды сурфактанта лёгких и миелиновой оболочки, где нужна электроизоляция. Сюда же логично относить механическую защиту околопочечного жира.

Восемь классов LIPID MAPS: современный стандарт

С 2005 года в научной литературе используют классификацию консорциума LIPID MAPS, построенную по типу биосинтетического предшественника. В ней восемь классов с двухбуквенными кодами: жирные ацилы (FA), глицеролипиды (GL), глицерофосфолипиды (GP), сфинголипиды (SP), стерольные липиды (ST), пренольные липиды (PR), сахаролипиды (SL) и поликетиды (PK).

Логика здесь не «из чего состоит», а «из какого блока собрано»: всё, что растёт из кетоацильных единиц, попадает в первые четыре класса, всё, что из изопреновых, в стеролы и пренолы. Для студенческого ответа достаточно назвать схему, привести число классов и один-два примера: триацилглицерол это GL, фосфатидилхолин это GP, холестерин это ST. Полное перечисление восьми классов уместно только в реферате по биохимии липидов.

Жирные кислоты как общий строительный блок

Почти во всех омыляемых липидах присутствуют остатки жирных кислот, поэтому их собственная классификация встроена во все схемы. По насыщенности их делят на насыщенные (без двойных связей), мононенасыщенные (одна) и полиненасыщенные (две и больше). Записывают формулой «число углеродов : число двойных связей»: пальмитиновая $C_{16:0}$, стеариновая $C_{18:0}$, олеиновая $C_{18:1}$, линолевая $C_{18:2}$, арахидоновая $C_{20:4}$.

Рассчитать для своей задачи

Положение двойной связи указывают от карбоксильного конца символом $\Delta$ или от метильного греческой буквой омега. Отсюда привычные обозначения: линолевая кислота относится к семейству $\omega$-6, альфа-линоленовая к $\omega$-3. Эти две кислоты незаменимы: организм человека не умеет ставить двойную связь дальше девятого атома углерода и должен получать их с пищей.

Насыщенность объясняет физическое состояние продукта. Прямые цепи насыщенных кислот плотно упаковываются, и жир твёрдый; изгиб при цис-двойной связи мешает упаковке, температура плавления падает, и масло остаётся жидким. Тот же изгиб делает мембрану текучей, поэтому у обитателей холодных вод доля ненасыщенных кислот выше.

Как соединить схемы в одном ответе

Схемы не конкурируют, а пересекаются, и сильный ответ показывает эти пересечения. Триацилглицерол одновременно простой по строению, омыляемый по химии, запасной по функции и GL по LIPID MAPS. Фосфатидилхолин это сложный, омыляемый, структурный и GP. Холестерин это производный, неомыляемый, одновременно структурный и предшественник сигнальных молекул, а по коду ST.

Удобный приём: взять три-четыре вещества и провести каждое через все основания деления. Такая матрица занимает пять минут, зато закрывает любой вопрос преподавателя. Отдельно про то, как устроено деление по строению молекулы, написано в разборе структурной классификации липидов.

Частые ошибки

• Смешивают основания деления. В одном списке оказываются «фосфолипиды, стероиды, гормоны, жиры»: первые два по строению, третье по функции, четвёртое по бытовому признаку.
• Считают холестерин жиром. Это неомыляемый стероид из четырёх конденсированных колец, жирных кислот в его молекуле нет.
• Путают неомыляемые с нерастворимыми. Омыляемость это про наличие сложноэфирной связи, а не про растворимость: неполярны обе группы.
• Забывают о сигнальной функции. Ответ «липиды нужны для запаса и мембран» неполон: стероидные гормоны и эйкозаноиды тоже липиды.
• Относят сфинголипиды к неомыляемым из-за отсутствия глицерина. Связь там амидная, но щёлочью она расщепляется, поэтому группа омыляемая.

FAQ

Какая классификация липидов считается основной? Универсальной нет. В школьном и общебиологическом курсе основной считают функциональную (запасные, структурные, защитные), в химии липидов деление на омыляемые и неомыляемые, в научной литературе LIPID MAPS. Уточните у преподавателя основание деления, иначе ответ будет мимо вопроса.

Чем классификация по омыляемости отличается от деления на простые и сложные? Разные признаки. Простые и сложные это про число компонентов молекулы: только спирт с кислотами или ещё фосфат и сахар. Омыляемые и неомыляемые это про наличие гидролизуемой сложноэфирной связи. Триглицерид простой и омыляемый, фосфолипид сложный и омыляемый, холестерин производный и неомыляемый.

Куда относят жирорастворимые витамины и эйкозаноиды? Витамины A, D, E, K по строению производные липиды, по химии неомыляемые, по функции регуляторные; D и A относятся к пренольным и стерольным линиям. Эйкозаноиды это производные полиненасыщенных жирных кислот, класс FA по LIPID MAPS, функционально сигнальные молекулы местного действия.

Коротко

Классификация липидов зависит от основания деления: по химическому поведению их делят на омыляемые (ацилглицеролы, воски, фосфо-, сфинго- и гликолипиды) и неомыляемые (стероиды, терпены, витамины A, D, E, K, эйкозаноиды); по биологической роли на запасные, структурные, сигнальные и защитные; в научном стандарте LIPID MAPS на восемь классов по типу предшественника. Общим строительным блоком омыляемых липидов служат жирные кислоты, а их насыщенность объясняет и агрегатное состояние жира, и текучесть мембраны. В ответе называйте основание деления первым, а конкретные классы уже внутри него.