В химии , особенно в биохимии , жирная кислота — это карбоновая кислота с алифатической цепью, которая может быть насыщенной или ненасыщенной . Большинство встречающихся в природе жирных кислот имеют неразветвленную цепь с четным числом атомов углерода, от 4 до 28. [1] Жирные кислоты являются основным компонентом липидов (до 70% по весу) в некоторых видах, таких как микроводоросли [2], но в некоторых других организмах они не встречаются в своей автономной форме, а вместо этого существуют в виде трех основных классов эфиров : триглицеридов , фосфолипидов и эфиров холестерина . В любой из этих форм жирные кислоты являются как важными источниками пищевого топлива для животных, так и важными структурными компонентами для клеток .
Понятие жирной кислоты ( acide gras ) было введено в 1813 году Мишелем Эженом Шеврёлем , [3] [4] [5], хотя изначально он использовал некоторые вариантные термины: graisse acide и acide huileux («кислотный жир» и «масляная кислота»). [6]
Жирные кислоты классифицируются по многим признакам: по длине, по насыщенности или ненасыщенности, по четному или нечетному содержанию углерода, по линейности или разветвленности.
Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей C=C. Они имеют формулу CH 3 (CH 2 ) n COOH, для разных n . Важной насыщенной жирной кислотой является стеариновая кислота ( n = 16), которая при нейтрализации гидроксидом натрия является наиболее распространенной формой мыла .
Ненасыщенные жирные кислоты имеют одну или несколько двойных связей C=C . Двойные связи C=C могут давать как цис- , так и транс- изомеры.
В большинстве природных ненасыщенных жирных кислот каждая двойная связь имеет три ( n−3 ), шесть ( n−6 ) или девять ( n−9 ) атомов углерода после себя, и все двойные связи имеют цис-конфигурацию. Большинство жирных кислот в транс -конфигурации ( трансжиры ) не встречаются в природе и являются результатом обработки человеком (например, гидрогенизации ). Некоторые трансжирные кислоты также встречаются в природе в молоке и мясе жвачных животных (например, крупного рогатого скота и овец). Они производятся путем ферментации в рубце этих животных. Они также встречаются в молочных продуктах из молока жвачных животных, а также могут быть обнаружены в грудном молоке женщин, которые получали их из своего рациона.
Геометрические различия между различными типами ненасыщенных жирных кислот, а также между насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами играют важную роль в биологических процессах и в построении биологических структур (например, клеточных мембран).
Большинство жирных кислот имеют четную цепь, например, стеариновая (C18) и олеиновая (C18), что означает, что они состоят из четного числа атомов углерода. Некоторые жирные кислоты имеют нечетное число атомов углерода; их называют жирными кислотами с нечетной цепью (OCFA). Наиболее распространенными OCFA являются насыщенные производные C15 и C17, пентадекановая кислота и гептадекановая кислота соответственно, которые содержатся в молочных продуктах. [11] [12] На молекулярном уровне OCFA биосинтезируются и метаболизируются немного иначе, чем их родственники с четной цепью.
Наиболее распространенные жирные кислоты являются линейными цепочечными соединениями , без дополнительных атомов углерода, связанных в качестве боковых групп с основной углеводородной цепью. Разветвленные жирные кислоты содержат одну или несколько метильных групп, связанных с углеводородной цепью.
Большинство встречающихся в природе жирных кислот имеют неразветвленную цепь атомов углерода с карбоксильной группой (–COOH) на одном конце и метильной группой (–CH3) на другом конце.
Положение каждого атома углерода в остове жирной кислоты обычно указывается путем подсчета от 1 на конце −COOH. Номер углерода x часто сокращается до C- x (или иногда C x ), где x = 1, 2, 3 и т. д. Это схема нумерации, рекомендованная ИЮПАК .
Другое соглашение использует буквы греческого алфавита в последовательности, начиная с первого углерода после карбоксильной группы. Таким образом, углерод α ( альфа ) — это C-2, углерод β ( бета ) — это C-3 и так далее.
Хотя жирные кислоты могут иметь различную длину, в этом втором соглашении последний углерод в цепи всегда обозначается как ω ( омега ), что является последней буквой в греческом алфавите. Третье соглашение о нумерации подсчитывает углероды с этого конца, используя метки "ω", "ω−1", "ω−2". В качестве альтернативы, метка "ω− x " записывается как "n− x ", где "n" означает количество углеродов в цепи. [d]
В любой из схем нумерации положение двойной связи в цепи жирной кислоты всегда указывается путем указания метки углерода, ближайшего к карбоксильному концу. [d] Таким образом, в 18-углеродной жирной кислоте двойная связь между C-12 (или ω−6) и C-13 (или ω−5) считается «в» положении C-12 или ω−6. Наименование кислоты по ИЮПАК, например «октадец-12-еновая кислота» (или более произносимый вариант «12-октадекановая кислота»), всегда основано на нумерации «C».
Обозначение Δ x , y ,... традиционно используется для указания жирной кислоты с двойными связями в положениях x , y ,.... (Заглавная греческая буква «Δ» ( дельта ) соответствует римской «D», для двойной связи). Так, например, 20-углеродная арахидоновая кислота имеет обозначение Δ 5,8,11,14 , что означает, что она имеет двойные связи между углеродами 5 и 6, 8 и 9, 11 и 12 и 14 и 15.
В контексте диеты человека и метаболизма жиров ненасыщенные жирные кислоты часто классифицируются по положению двойной связи, наиболее близкой к ω углероду (только), даже в случае множественных двойных связей, таких как незаменимые жирные кислоты . Таким образом, линолевая кислота (18 атомов углерода, Δ 9,12 ), γ-линоленовая кислота ( 18 атомов углерода, Δ 6,9,12 ) и арахидоновая кислота (20 атомов углерода, Δ 5,8,11,14 ) классифицируются как «ω−6» жирные кислоты; это означает, что их формула заканчивается на –CH=CH– CH
2– Ч.
2– Ч.
2– Ч.
2– Ч.
3.
Жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода называются жирными кислотами с нечетной цепью , тогда как остальные — жирными кислотами с четной цепью. Разница имеет отношение к глюконеогенезу .
В следующей таблице описаны наиболее распространённые системы наименования жирных кислот.
При циркуляции в плазме (жирные кислоты плазмы), а не в их эфире , жирные кислоты известны как неэтерифицированные жирные кислоты (NEFAs) или свободные жирные кислоты (FFAs). FFAs всегда связаны с транспортным белком , таким как альбумин . [15]
Свободные жирные кислоты также образуются из триглицеридов пищевых масел и жиров путем гидролиза, что способствует появлению характерного прогорклого запаха. [16] Аналогичный процесс происходит в биодизеле с риском коррозии деталей.
Жирные кислоты обычно производятся в промышленности путем гидролиза триглицеридов с удалением глицерина (см. олеохимикаты ). Фосфолипиды представляют собой другой источник. Некоторые жирные кислоты производятся синтетически путем гидрокарбоксилирования алкенов. [17]
У животных жирные кислоты образуются из углеводов преимущественно в печени , жировой ткани и молочных железах во время лактации. [18]
Углеводы преобразуются в пируват путем гликолиза в качестве первого важного шага в превращении углеводов в жирные кислоты. [18] Затем пируват декарбоксилируется с образованием ацетил-КоА в митохондрии . Однако этот ацетил-КоА необходимо транспортировать в цитозоль , где происходит синтез жирных кислот. Это не может произойти напрямую. Чтобы получить цитозольный ацетил-КоА, цитрат (полученный путем конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом ) удаляется из цикла лимонной кислоты и переносится через внутреннюю митохондриальную мембрану в цитозоль. [18] Там он расщепляется АТФ-цитратлиазой на ацетил-КоА и оксалоацетат. Оксалоацетат возвращается в митохондрию в виде малата . [19] Цитозольный ацетил-КоА карбоксилируется ацетил-КоА-карбоксилазой в малонил-КоА , что является первым шагом в синтезе жирных кислот. [19] [20]
Затем малонил-КоА участвует в повторяющейся серии реакций, которые удлиняют растущую цепь жирных кислот на два углерода за раз. Таким образом, почти все природные жирные кислоты имеют четное число атомов углерода. Когда синтез завершен, свободные жирные кислоты почти всегда соединяются с глицерином (три жирные кислоты на одну молекулу глицерина) с образованием триглицеридов , основной формы хранения жирных кислот и, следовательно, энергии у животных. Однако жирные кислоты также являются важными компонентами фосфолипидов, которые образуют фосфолипидные бислои , из которых построены все мембраны клетки ( клеточная стенка и мембраны, которые охватывают все органеллы внутри клеток, такие как ядро , митохондрии , эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи ). [18]
«Несвязанные жирные кислоты» или «свободные жирные кислоты», обнаруженные в кровообращении животных, поступают из распада (или липолиза ) хранящихся триглицеридов. [18] [21] Поскольку они нерастворимы в воде, эти жирные кислоты транспортируются связанными с альбумином плазмы . Уровни «свободных жирных кислот» в крови ограничены доступностью участков связывания альбумина. Они могут быть извлечены из крови всеми клетками, имеющими митохондрии (за исключением клеток центральной нервной системы ). Жирные кислоты могут быть расщеплены только в митохондриях посредством бета-окисления с последующим дальнейшим сжиганием в цикле лимонной кислоты до CO2 и воды. Клетки центральной нервной системы, хотя и обладают митохондриями, не могут извлекать свободные жирные кислоты из крови, поскольку гематоэнцефалический барьер непроницаем для большинства свободных жирных кислот, [ необходима ссылка ] за исключением короткоцепочечных жирных кислот и среднецепочечных жирных кислот . [22] [23] Эти клетки должны производить собственные жирные кислоты из углеводов, как описано выше, чтобы производить и поддерживать фосфолипиды своих клеточных мембран и мембран своих органелл. [18]
Исследования клеточных мембран млекопитающих и рептилий обнаружили, что клеточные мембраны млекопитающих состоят из более высокой доли полиненасыщенных жирных кислот ( DHA , омега-3 жирная кислота ), чем у рептилий . [24] Исследования состава жирных кислот птиц отметили схожие пропорции с млекопитающими, но с 1/3 меньшим количеством омега-3 жирных кислот по сравнению с омега-6 для данного размера тела. [25] Этот состав жирных кислот приводит к более жидкой клеточной мембране, но также и к проницаемости для различных ионов ( H + и Na + ), в результате чего клеточные мембраны становятся более дорогими в обслуживании. Утверждается, что эта стоимость обслуживания является одной из ключевых причин высокой скорости метаболизма и сопутствующей теплокровности млекопитающих и птиц. [24] Однако полиненасыщенность клеточных мембран может также возникать в ответ на хронические низкие температуры. У рыб все более холодная среда приводит к повышению содержания в клеточной мембране как мононенасыщенных, так и полиненасыщенных жирных кислот, что позволяет поддерживать большую текучесть мембраны (и ее функциональность) при более низких температурах . [26] [27]
В следующей таблице приведен состав жирных кислот, витамина Е и холестерина некоторых распространенных пищевых жиров. [28] [29]
Жирные кислоты вступают в реакции, подобные реакциям других карбоновых кислот, то есть вступают в реакции этерификации и кислотно-основные реакции.
Жирные кислоты не показывают большого изменения в своей кислотности, на что указывает их соответствующий p K a . Нонановая кислота , например, имеет ap K a 4,96, будучи лишь немного слабее уксусной кислоты (4,76). По мере увеличения длины цепи растворимость жирных кислот в воде уменьшается, так что жирные кислоты с более длинной цепью оказывают минимальное влияние на pH водного раствора. Вблизи нейтрального pH жирные кислоты существуют в своих сопряженных основаниях, т. е. олеате и т. д.
Растворы жирных кислот в этаноле можно титровать раствором гидроксида натрия, используя фенолфталеин в качестве индикатора. Этот анализ используется для определения содержания свободных жирных кислот в жирах; т. е. доли триглицеридов, которые были гидролизованы .
Нейтрализация жирных кислот, одна из форм омыления (мыловарения), является широко практикуемым способом получения металлических мыл . [31]
Широко практикуется гидрогенизация ненасыщенных жирных кислот. Типичные условия включают давление H2 2,0–3,0 МПа , 150 °C и никель, нанесенный на кремний в качестве катализатора. Такая обработка дает насыщенные жирные кислоты. Степень гидрогенизации указывается йодным числом . Гидрогенизированные жирные кислоты менее склонны к прогорканию . Поскольку насыщенные жирные кислоты имеют более высокую температуру плавления, чем ненасыщенные предшественники, процесс называется закалкой. Схожая технология используется для преобразования растительных масел в маргарин . Гидрогенизация триглицеридов (по сравнению с жирными кислотами) выгодна, поскольку карбоновые кислоты разрушают никелевые катализаторы, давая никелевые мыла. Во время частичной гидрогенизации ненасыщенные жирные кислоты могут изомеризоваться из цис- в транс -конфигурацию. [17]
Более форсированная гидрогенизация, т.е. использование более высоких давлений H 2 и более высоких температур, преобразует жирные кислоты в жирные спирты . Однако жирные спирты легче получить из эфиров жирных кислот .
В реакции Варрентраппа некоторые ненасыщенные жирные кислоты расщепляются в расплавленной щелочи, и эта реакция в свое время имела значение для выяснения структуры.
Ненасыщенные жирные кислоты и их эфиры подвергаются автоокислению , которое включает замену связи CH на связь CO. Процесс требует кислорода (воздуха) и ускоряется присутствием следов металлов, которые служат катализаторами. Дважды ненасыщенные жирные кислоты особенно склонны к этой реакции. Растительные масла в небольшой степени сопротивляются этому процессу, поскольку они содержат антиоксиданты, такие как токоферол . Жиры и масла часто обрабатывают хелатирующими агентами, такими как лимонная кислота, чтобы удалить металлические катализаторы.
Ненасыщенные жирные кислоты подвержены деградации под действием озона. Эта реакция практикуется при производстве азелаиновой кислоты ((CH 2 ) 7 (CO 2 H) 2 ) из олеиновой кислоты . [17]
Коротко- и среднецепочечные жирные кислоты всасываются непосредственно в кровь через капилляры кишечника и перемещаются через воротную вену, как и другие всасываемые питательные вещества. Однако длинноцепочечные жирные кислоты не высвобождаются напрямую в капилляры кишечника. Вместо этого они всасываются в жировые стенки ворсинок кишечника и снова собираются в триглицериды . Триглицериды покрываются холестерином и белком (белковая оболочка) в соединение, называемое хиломикрон .
Изнутри клетки хиломикрон высвобождается в лимфатический капилляр, называемый млечным , который сливается с более крупными лимфатическими сосудами. Он транспортируется через лимфатическую систему и грудной проток в место около сердца (где артерии и вены крупнее). Грудной проток выбрасывает хиломикроны в кровоток через левую подключичную вену . В этот момент хиломикроны могут транспортировать триглицериды в ткани, где они хранятся или метаболизируются для получения энергии.
Жирные кислоты расщепляются на CO2 и воду внутриклеточными митохондриями через бета-окисление и цикл лимонной кислоты . На последнем этапе ( окислительное фосфорилирование ) реакции с кислородом высвобождают много энергии, которая захвачена в виде большого количества АТФ . Многие типы клеток могут использовать для этой цели либо глюкозу , либо жирные кислоты, но жирные кислоты высвобождают больше энергии на грамм. Жирные кислоты (поступающие либо с пищей, либо из триглицеридов, хранящихся в жировых тканях) распределяются по клеткам, чтобы служить топливом для мышечного сокращения и общего метаболизма.
Жирные кислоты, которые необходимы для хорошего здоровья, но не могут быть получены в достаточном количестве из других субстратов и, следовательно, должны быть получены из пищи, называются незаменимыми жирными кислотами. Существует два ряда незаменимых жирных кислот: одна имеет двойную связь на расстоянии трех атомов углерода от метильного конца; другая имеет двойную связь на расстоянии шести атомов углерода от метильного конца. Люди не способны вводить двойные связи в жирные кислоты за пределами 9-го и 10-го атомов углерода, если считать со стороны карбоновой кислоты. [32] Две незаменимые жирные кислоты — это линолевая кислота (LA) и альфа-линоленовая кислота (ALA). Эти жирные кислоты широко распространены в растительных маслах. Человеческий организм имеет ограниченную способность преобразовывать ALA в длинноцепочечные омега-3 жирные кислоты — эйкозапентаеновую кислоту (EPA) и докозагексаеновую кислоту (DHA), которые также можно получить из рыбы. Жирные кислоты омега-3 и омега-6 являются биосинтетическими предшественниками эндоканнабиноидов с антиноцицептивными , анксиолитическими и нейрогенными свойствами. [33]
Жирные кислоты крови принимают различные формы на разных стадиях кровообращения. Они всасываются через кишечник в хиломикронах , но также существуют в липопротеинах очень низкой плотности (ЛПОНП) и липопротеинах низкой плотности (ЛПНП) после обработки в печени. Кроме того, при высвобождении из адипоцитов жирные кислоты существуют в крови в виде свободных жирных кислот .
Предполагается, что смесь жирных кислот, выделяемых кожей млекопитающих, вместе с молочной кислотой и пировиноградной кислотой , является отличительной и позволяет животным с острым обонянием различать особей. [34]
Роговой слой — самый внешний слой эпидермиса — состоит из окончательно дифференцированных и энуклеированных корнеоцитов в липидной матрице. [35] Вместе с холестерином и церамидами свободные жирные кислоты образуют водонепроницаемый барьер, который предотвращает испарение воды . [35] Как правило, эпидермальная липидная матрица состоит из эквимолярной смеси церамидов (около 50% по весу), холестерина (25%) и свободных жирных кислот (15%). [35] Насыщенные жирные кислоты длиной 16 и 18 атомов углерода являются доминирующими типами в эпидермисе, [35] [36] в то время как ненасыщенные жирные кислоты и насыщенные жирные кислоты различной другой длины также присутствуют. [35] [36] Относительное обилие различных жирных кислот в эпидермисе зависит от участка тела, покрываемого кожей. [36] Существуют также характерные изменения жирных кислот эпидермиса, которые наблюдаются при псориазе , атопическом дерматите и других воспалительных состояниях . [35] [36]
Химический анализ жирных кислот в липидах обычно начинается с этапа переэтерификации , в ходе которого их исходные эфиры (триглицериды, воски, фосфолипиды и т. д.) расщепляются и преобразуются в метиловые эфиры, которые затем разделяются с помощью газовой хроматографии [37] или анализируются с помощью газовой хроматографии и среднеинфракрасной спектроскопии .
Разделение ненасыщенных изомеров возможно с помощью тонкослойной хроматографии с добавлением ионов серебра . [38] Другие методы разделения включают высокоэффективную жидкостную хроматографию (с короткими колонками, заполненными силикагелем со связанными группами фенилсульфоновой кислоты, атомы водорода которых были заменены на ионы серебра). Роль серебра заключается в его способности образовывать комплексы с ненасыщенными соединениями.
Жирные кислоты в основном используются в производстве мыла , как в косметических целях, так и в случае металлических мыл в качестве смазок. Жирные кислоты также преобразуются через их метиловые эфиры в жирные спирты и жирные амины , которые являются предшественниками поверхностно-активных веществ, моющих средств и смазок. [17] Другие применения включают их использование в качестве эмульгаторов , текстурирующих агентов, смачивающих агентов, антивспенивающих агентов или стабилизирующих агентов. [39]
Эфиры жирных кислот с более простыми спиртами (такими как метил-, этил-, н-пропил-, изопропил- и бутиловый эфиры) используются в качестве смягчающих средств в косметике и других средствах личной гигиены, а также в качестве синтетических смазок. Эфиры жирных кислот с более сложными спиртами, такими как сорбит , этиленгликоль , диэтиленгликоль и полиэтиленгликоль , употребляются в пищу или используются для личной гигиены и очистки воды, или используются в качестве синтетических смазок или жидкостей для металлообработки.
этот процесс графически изложен на странице 73
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI inactive as of September 2024 (link)Поглощение вальпроевой кислоты снижалось в присутствии жирных кислот со средней длиной цепи, таких как гексаноат, октаноат и деканоат, но не пропионат или бутират, что указывает на то, что вальпроевая кислота поступает в мозг через транспортную систему для жирных кислот со средней длиной цепи, а не для жирных кислот с короткой цепью. ... На основании этих отчетов предполагается, что вальпроевая кислота транспортируется двунаправленно между кровью и мозгом через ГЭБ посредством двух различных механизмов: транспортеров, чувствительных к монокарбоновым кислотам, и транспортеров, чувствительных к жирным кислотам средней цепи, для оттока и поглощения соответственно.
MCT4 также связаны с транспортом короткоцепочечных жирных кислот, таких как ацетат и формиат, которые затем метаболизируются в астроцитах [78].