В химии , особенно в биохимии , жирная кислота представляет собой карбоновую кислоту с алифатической цепью, которая может быть насыщенной или ненасыщенной . Большинство встречающихся в природе жирных кислот имеют неразветвленную цепь из четного числа атомов углерода, от 4 до 28. [1] Жирные кислоты являются основным компонентом липидов (до 70% по массе) у некоторых видов, таких как микроводоросли [2]. ] , но в некоторых других организмах они не встречаются в отдельной форме, а существуют в виде трех основных классов сложных эфиров : триглицеридов , фосфолипидов и эфиров холестерина . В любой из этих форм жирные кислоты являются одновременно важными пищевыми источниками топлива для животных и важными структурными компонентами клеток .
Понятие жирной кислоты ( acide gras ) было введено в 1813 году Мишелем Эженом Шеврёлем , [3] [4] [5], хотя первоначально он использовал некоторые варианты терминов: graisse acid и acide huileux («кислотный жир» и «масляная кислота»). ). [6]
Жирные кислоты классифицируются по-разному: по длине, по насыщенности и ненасыщенности, по четному и нечетному содержанию углерода, а также по линейному и разветвленному.
Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей C=C. Они имеют формулу CH 3 (CH 2 ) n COOH, для разных n . Важная насыщенная жирная кислота — стеариновая кислота ( n = 16), которая при нейтрализации гидроксидом натрия представляет собой наиболее распространенную форму 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 встречающихся в природе ненасыщенных жирных кислот каждая двойная связь имеет три ( n-3 ), шесть ( n-6 ) или девять ( n-9 ) атомов углерода после нее, и все двойные связи имеют цис-конфигурацию. Большинство жирных кислот в транс- конфигурации ( трансжиры ) не встречаются в природе и являются результатом переработки 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 содержатся в молочных продуктах из молока жвачных животных, а также 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 несколько иначе, чем их родственники с четными цепями.
Наиболее распространенные жирные кислоты представляют собой соединения с прямой цепью , без дополнительных атомов углерода, связанных в качестве боковых групп с основной углеводородной цепью. Жирные кислоты с разветвленной цепью 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 основной цепи жирной кислоты обычно указывается путем отсчета от 1 на конце -COOH. Число углерода x часто обозначается сокращением C- x (или иногда C x ), где x = 1, 2, 3 и т. д. Это схема нумерации, рекомендованная IUPAC .
Другое соглашение использует буквы греческого алфавита последовательно, начиная с первого атома 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 разную длину, согласно этому второму соглашению последний углерод в цепи всегда обозначается как ω ( омега ), что является последней буквой греческого алфавита. Третье соглашение о нумерации считает атомы углерода с этого конца, используя метки «ω», «ω-1», «ω-2». Альтернативно, метка «ω- x » пишется как «n- x », где «n» означает количество атомов углерода в цепи. [д]
В любой схеме 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) находится «в» положении C-12 или ω-6. . Название кислоты по ИЮПАК, такое как «октадек-12-еновая кислота» (или более произносимый вариант «12-октадекановая кислота»), всегда основано на нумерации «C».
Обозначение Δx , y , ... традиционно используется для обозначения жирной кислоты с двойными связями в положениях x , y ,.... (Заглавная греческая буква «Δ» ( дельта ) соответствует римскому «D», для двойная связь). Так, например, 20-углеродная арахидоновая кислота имеет Δ 5,8,11,14 , что означает, что она имеет двойные связи между атомами углерода 5 и 6, 8 и 9, 11 и 12, 14 и 15.
В контексте рациона человека и жирового обмена ненасыщенные жирные кислоты часто классифицируются по положению двойной связи, ближайшей 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 ) являются все они классифицируются как жирные кислоты «ω-6»; это означает, что их формула заканчивается на –CH=CH– CH.
2– СН
2– СН
2– СН
2– СН
3.
Жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода называются жирными кислотами с нечетной цепью , тогда как остальные являются жирными кислотами с четной цепью. Это различие имеет отношение к глюконеогенезу .
В следующей таблице описаны наиболее распространенные системы наименования жирных кислот.
Циркулируя в плазме (жирные кислоты плазмы), а не в виде своего эфира , жирные кислоты известны как неэтерифицированные жирные кислоты (НЭЖК) или свободные жирные кислоты (СЖК). СЖК всегда связаны с транспортным белком , таким как альбумин . [15]
СЖК также образуются из триглицеридов пищевых масел и жиров путем гидролиза, что приводит к характерному прогорклому запаху. [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 еще один источник. Некоторые жирные кислоты получают синтетическим путем гидрокарбоксилирования алкенов. [17]
У животных жирные кислоты образуются из углеводов преимущественно в печени , жировой ткани и молочных железах в период лактации. [18]
Углеводы превращаются в пируват путем гликолиза , что является первым важным шагом в превращении углеводов в жирные кислоты. [18] Затем пируват декарбоксилируется с образованием ацетил-КоА в митохондриях . 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 конденсацией 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 митохондрии в виде малата . [19] Цитозольный ацетил-КоА карбоксилируется ацетил-КоА-карбоксилазой в малонил-КоА , что является первой стадией синтеза жирных кислот. [19] [20]
Затем малонил-КоА участвует в повторяющейся серии реакций, которые удлиняют растущую цепь жирной кислоты на два атома 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, окружающие все органеллы внутри клетки, такие как ядро , митохондрии , эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи ). [18]
«Некомбинированные жирные кислоты» или «свободные жирные кислоты», обнаруженные в кровообращении животных, образуются в результате распада (или липолиза ) накопленных триглицеридов. [18] [21] Поскольку они нерастворимы в воде, эти жирные кислоты транспортируются в связанном виде с альбумином плазмы . Уровни «свободных жирных кислот» в крови ограничены наличием мест связывания альбумина. Их могут забирать из крови все клетки, имеющие митохондрии (за исключением клеток центральной нервной системы ). Жирные кислоты могут расщепляться только в митохондриях посредством бета-окисления с последующим сжиганием в цикле лимонной кислоты до CO 2 и воды. Клетки центральной нервной системы, хотя и обладают митохондриями, не могут забирать свободные жирные кислоты из крови, поскольку гематоэнцефалический барьер непроницаем для большинства свободных жирных кислот, за исключением жирных кислот с короткой цепью и жирных кислот со средней длиной цепи. жирные кислоты . [22] [23] Эти клетки должны производить свои собственные жирные кислоты из углеводов, как описано выше, чтобы производить и поддерживать фосфолипиды своих клеточных мембран и органелл. [18]
Исследования клеточных мембран млекопитающих и рептилий обнаружили, что клеточные мембраны млекопитающих состоят из более высокой доли полиненасыщенных жирных кислот ( DHA , жирные кислоты омега-3 ), чем у рептилий . [24] Исследования состава жирных кислот птиц отметили аналогичные пропорции с млекопитающими, но с содержанием жирных кислот омега-3 на 1/3 меньше по сравнению с омега-6 для данного размера тела. [25] Такой состав жирных кислот приводит к созданию более жидкой клеточной мембраны, но в то же время проницаемой для различных ионов ( H + и Na + ), в результате чего клеточные мембраны становятся более дорогостоящими в обслуживании. Утверждается, что эти затраты на техническое обслуживание являются одной из ключевых причин высокой скорости метаболизма и сопутствующей теплокровности млекопитающих и птиц. [24] Однако полиненасыщение клеточных мембран может также возникать в ответ на хронические низкие температуры. У рыб все более холодная среда приводит к увеличению содержания в клеточных мембранах как мононенасыщенных, так и полиненасыщенных жирных кислот, что обеспечивает большую текучесть (и функциональность) мембран при более низких температурах . [26] [27]
В следующей таблице представлен состав жирных кислот, витамина Е и холестерина некоторых распространенных пищевых жиров. [28] [29]
Жирные кислоты вступают в реакции, как и другие карбоновые кислоты, т.е. подвергаются этерификации и кислотно-основным реакциям.
Жирные кислоты не демонстрируют больших различий в своей кислотности, на что указывает их соответствующее значение pKa . Например, нонановая кислота имеет ap K a 4,96, что лишь немного слабее, чем у уксусной кислоты (4,76). По мере увеличения длины цепи растворимость жирных кислот в воде снижается, так что жирные кислоты с более длинной цепью оказывают минимальное влияние на pH водного раствора. При нейтральном pH жирные кислоты существуют в форме сопряженных оснований, например, олеата 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. доля гидролизованных триглицеридов .
Нейтрализация жирных кислот, одна из форм омыления (приготовление мыла), является широко практикуемым способом получения металлического мыла . [31]
Гидрирование ненасыщенных жирных кислот широко практикуется. Типичные условия включают давление H 2 2,0–3,0 МПа , температуру 150 °C и никель на кремнеземе в качестве катализатора. Эта обработка дает насыщенные жирные кислоты. Степень гидрирования обозначается йодным числом . Гидрогенизированные жирные кислоты менее склонны к прогорканию . Поскольку насыщенные жирные кислоты имеют более высокую температуру плавления , чем ненасыщенные предшественники, этот процесс называется отверждением. Соответствующая технология используется для переработки растительных масел в маргарин . Гидрирование триглицеридов (по сравнению с жирными кислотами) выгодно, поскольку карбоновые кислоты разлагают никелевые катализаторы, образуя никелевые мыла. В ходе частичного гидрирования ненасыщенные жирные кислоты могут изомеризоваться из цис-конфигурации в транс- конфигурацию. [32]
Более интенсивное гидрирование, т.е. использование более высокого давления H 2 и более высоких температур, превращает 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 какой-то момент имела отношение к выяснению структуры.
Ненасыщенные жирные кислоты и их эфиры подвергаются автоокислению , которое включает замену связи CH на связь CO. Процесс требует кислорода (воздуха) и ускоряется наличием следов металлов, которые служат катализаторами. Дважды ненасыщенные жирные кислоты особенно склонны к этой реакции. Растительные масла в небольшой степени противостоят этому процессу, поскольку содержат антиоксиданты, такие как токоферол . Жиры и масла часто обрабатывают хелатирующими агентами, такими как лимонная кислота , для удаления металлических катализаторов.
Ненасыщенные жирные кислоты подвержены разложению под действием озона. Эту реакцию практикуют при производстве азелаиновой кислоты ((CH 2 ) 7 (CO 2 H) 2 ) из олеиновой кислоты . [32]
Жирные кислоты с короткой и средней цепью всасываются непосредственно в кровь через капилляры кишечника и проходят через воротную вену , как и другие всасываемые питательные вещества. Однако длинноцепочечные жирные кислоты не попадают непосредственно в капилляры кишечника. Вместо этого они впитываются жировыми стенками ворсинок кишечника и снова собираются в триглицериды . Триглицериды покрыты холестерином и белком (белковая оболочка) в соединение, называемое хиломикроном .
Изнутри клетки хиломикрон попадает в лимфатический капилляр, называемый млечным , который сливается с более крупными лимфатическими сосудами. Он транспортируется через лимфатическую систему и грудной проток к сердцу (где артерии и вены крупнее). Грудной проток выводит хиломикроны в кровоток через левую подключичную вену . На этом этапе хиломикроны могут транспортировать триглицериды в ткани, где они хранятся или метаболизируются для получения энергии.
Жирные кислоты расщепляются внутриклеточными митохондриями до CO 2 и воды посредством бета-окисления и цикла лимонной кислоты . На заключительном этапе ( окислительное фосфорилирование ) реакции с кислородом выделяют много энергии, захватываемой в виде большого количества АТФ . Многие типы клеток могут использовать для этой цели либо глюкозу , либо жирные кислоты, но жирные кислоты выделяют больше энергии на грамм. Жирные кислоты (поступающие либо с пищей, либо с использованием триглицеридов, хранящихся в жировых тканях) распределяются по клеткам и служат топливом для мышечных сокращений и общего метаболизма.
Жирные кислоты, которые необходимы для хорошего здоровья, но не могут быть получены в достаточном количестве из других субстратов и поэтому должны поступать из пищи, называются незаменимыми жирными кислотами. Существует две серии незаменимых жирных кислот: одна имеет двойную связь на расстоянии трех атомов углерода от метильного конца; другой имеет двойную связь в шести атомах углерода от метильного конца. У людей отсутствует способность вводить двойные связи в жирных кислотах за пределами атомов углерода 9 и 10, если считать со стороны карбоновой кислоты. [33] Двумя незаменимыми жирными кислотами являются линолевая кислота (LA) и альфа-линоленовая кислота (ALA). Эти жирные кислоты широко распространены в растительных маслах. Человеческий организм имеет ограниченную способность превращать АЛК в длинноцепочечные жирные кислоты омега-3 — эйкозапентаеновую кислоту (ЭПК) и докозагексаеновую кислоту (ДГК), которые также можно получить из рыбы. Жирные кислоты омега-3 и омега-6 являются биосинтетическим предшественником эндоканнабиноидов , обладающих антиноцицептивными , анксиолитическими и нейрогенными свойствами. [34]
Жирные кислоты крови принимают различные формы на разных этапах кровообращения. Они всасываются через кишечник в виде хиломикронов , но также существуют в виде липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП) и липопротеинов 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 и пировиноградной кислотами , специфична и позволяет животным с острым обонянием различать особей. [35]
Роговой слой – самый внешний слой эпидермиса – состоит из терминально дифференцированных и энуклеированных корнеоцитов внутри липидного матрикса. [36] Вместе с холестерином и церамидами свободные жирные кислоты образуют водонепроницаемый барьер, который предотвращает потерю воды при испарении . [36] Как правило, эпидермальный липидный матрикс состоит из эквимолярной смеси церамидов (около 50% по массе), холестерина (25%) и свободных жирных кислот (15%). [36] Насыщенные жирные кислоты с длиной 16 и 18 атомов углерода являются доминирующими типами в эпидермисе, [36] [37] , в то время как ненасыщенные жирные кислоты и насыщенные жирные кислоты различной длины также присутствуют. [36] [37] Относительное содержание различных жирных кислот в эпидермисе зависит от участка тела, который покрывает кожа. [37] Существуют также характерные изменения жирных кислот эпидермиса, которые возникают при псориазе , атопическом дерматите и других воспалительных состояниях . [36] [37]
Химический анализ жирных кислот в липидах обычно начинается со стадии переэтерификации , которая расщепляет их исходные эфиры (триглицериды, воски, фосфолипиды и т. д.) и превращает их в метиловые эфиры, которые затем разделяются газовой хроматографией [38] или анализируются газовым методом. хроматография и средне- инфракрасная спектроскопия .
Разделение ненасыщенных изомеров возможно с помощью тонкослойной хроматографии, дополненной ионами серебра . [39] [40] Другие методы разделения включают высокоэффективную жидкостную хроматографию (с короткими колонками, заполненными силикагелем со связанными группами фенилсульфоновой кислоты, атомы водорода которых заменены на ионы серебра). Роль серебра заключается в его способности образовывать комплексы с ненасыщенными соединениями.
Жирные кислоты в основном используются при производстве мыла , как в косметических целях, так и, в случае металлического мыла , в качестве смазочных материалов. Жирные кислоты также превращаются через свои метиловые эфиры в жирные спирты и жирные амины , которые являются предшественниками поверхностно-активных веществ, моющих средств и смазочных материалов. [32] Другие применения включают их использование в качестве эмульгаторов , текстурирующих агентов, смачивающих агентов, пеногасителей или стабилизирующих агентов. [41]
Эфиры жирных кислот с более простыми спиртами (такими как метил-, этил-, н-пропил-, изопропил- и бутиловые эфиры) используются в качестве смягчающих средств в косметике и других продуктах 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, используются для ухода за собой и очистки воды, а также используются в качестве синтетических смазок или жидкостей для металлообработки.
Этот процесс графически представлен на стр. 73.
Поглощение вальпроевой кислоты снижалось в присутствии жирных кислот со средней длиной цепи, таких как гексаноат, октаноат и деканоат, но не пропионата или бутирата, что указывает на то, что вальпроевая кислота попадает в мозг через транспортную систему для среднецепочечных кислот. жирные кислоты с короткой цепью, а не жирные кислоты с короткой цепью. ... На основании этих сообщений считается, что вальпроевая кислота транспортируется в двух направлениях между кровью и мозгом через ГЭБ с помощью двух различных механизмов: переносчиков, чувствительных к монокарбоновой кислоте, и переносчиков, чувствительных к среднецепочечным жирным кислотам, для оттока и поглощения соответственно.
Известно, что переносчики монокарбоксилатов (MCT) опосредуют транспорт монокарбоксилатов с короткой цепью, таких как лактат, пируват и бутират. ... MCT1 и MCT4 также связаны с транспортировкой короткоцепочечных жирных кислот, таких как ацетат и формиат, которые затем метаболизируются в астроцитах [78].