Липиды и фосфолипиды +

1
Липиды и фосфолипиды
1. Строение липидов и фосфолипидов
2. Химический синтез глицеридов и фосфоглицеридов
3. Производство микробного жира.
1. Строение липидов и фосфолипидов
К липидам (греч. lypos – жир) относят органические вещества, которые извлекаются
из клеток животных, растений и микроорганизмов неполярными органическими растворителями (бензол, гексан, эфир и др.) и по химическому составу содержащие до 90% углеводородов. Они несут в организме в основном две функции – служат источником (и запасом)
клеточной энергии и являются одним из основных компонентов биологических мембран и
клеточных структур.
В основе большинства липидов лежат глицериды (глицеролипиды), которые представляют собой сложные эфиры глицерина с высшими жирными кислотами. В качестве метаболического топлива и запаса клеточной энергии живые клетки часто используют
триглицериды (1), которые относят к простым липидам или нейтральным жирам:
O
Остатки кислот
где
H2C-O-C-R
1а R = -(CH2)10-CH3 - лауриновая
O
-(CH2)14-CH3 - пальмитиновая
1б
HC-O-C-R
1в
-(CH2)16-CH3 - стеариновая
O
1г -(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-CH3 - олеиновая
H2C-O-C-R
и другие
1
К сложным липидам относят фосфолипиды, среди которых наиболее широко распространенными являются глицерофосфолипиды (2), т.е. фосфолипиды на основе глицеридов
следующего общего строения:
где 2а Х = -CH2-CH2-NH2
O
+ CH3
H2C-O-C-R1
- гидрофобный
-CH
-CH
-N-CH
2б
2
2
3 Cl
O
остаток
CH3
R2C-O-CH
O
2в
-CH2-CH-COOH
H2C-O-P-O-X - гидрофильная
NH2
головка
OH
R1, R2 - остатки жирных кислот
2
Наличие в фосфолипидах гидрофильной «головки» (эфиры фосфорной кислоты) и
гидрофобного остатка (сложные эфиры жирных кислот) определяют их участие в построении клеточных структур и биологических мембран. Помимо глицерофосфолипидов эти
функции выполняют также сфингозины (3а) и сфинганины (3б), которые имеют некоторое
внешнее сходство с глицерофосфолипидами, а по своей химической структуре они являются
производными 1-алкил-2-дезокси-2-аминоглицеринов:
H
HO-C-R
где R = -CH=CH-(CH2)12-CH3
сфингозин 3а
O
HC-NH-C-CnHm
сфинганин 3б
R = -(CH2)14-CH3
O
H2C-O-P-O-X
3
OH
Поскольку химия и методы синтеза фосфоглицеридов, сфингозина и сфинганина
имеют много общего, то здесь рассматриваются методы получения глицеридов и глицерофосфолипидов.
2
2. Химический синтез липидов и фосфолипидов
Синтез триглицеридов осуществляется классической реакцией исчерпывающей этерификации глицерина жирными кислотами, их галогенангидридами или эфирами:
O
где X = -OH
H2C-OH
H2C-O-C-R
O
X
-Cl, -Br, -I
HC-OH
R-C-O-CH
3 C-R
-OEt
O
O
H2C-OH
H2C-O-C-R
R= -CnHm
4
5
1
Однако синтез таких симметричных триглицеридов практически не применяется для
получения липидов, поскольку они не представляют особой практической ценности. Для исследовательских и практических целей более часто синтезируются моно- и диглицериды с
целью дальнейшего их превращения в фосфолипиды.
Моноацилглицерины получают обычно ацилированием изопропилиденовых или бензилиденовых производных:
OH
O CH3
OH
O CH3 O
CH3
H,+H 2 O
олеум
OH
O CH
OH + O=C
O CH + C-R 2
3
HCl
3
O-C-R
O-C-R
OH
CH3
Cl
OH
O
7
8 O
9
2,3-Изопропилиденглицерин (7) получают в условиях аналогичных синтезу диизопропилиденсорбозы, а именно – путем обработки безводной смеси глицерина и ацетона олеумом на холоду. Далее оставшуюся свободной гидроксильную группу ацилируют
хлорангидридом соответствующей жирной кислоты и получают изопропилиденглицерид 8.
Удаление изопропилиденовой группы осуществляют в условиях, позволяющих избирательно
гидролизовать изопропилиденовый остаток, не затрагивая сложноэфирной группы моноглицерида 9.
Более распространен синтез 1,2-диацилглицеринов (12), которые являются ключевыми соединениями в синтезе природных фосфолипидов. Их получение нередко осложняется
за счет ацильной миграции, приводящей к 1,3-диацилроизводным. Для предотвращения такой миграции один из первичных гидроксилов глицерина предварительно подвергается временной защите. В качестве защиты применяют бензильную или трет-бутильную, с
получением промежуточного простого моноэфира 10, после его ацилирования хлорангидридом жирной кислоты защитную группу в 11 удаляют каталитическим гидрированием:
+
OH
OH
OH
OH
+ ClCH2Ph
- HCl
OH
Cl
+
O-CH2Ph
10
C-R
2
O
- 2 HCl
O
R-C-O
11
O
O-C-R
H2 / Kt
O
- HOCH2Ph R-C-O
O-CH2Ph
12
O
O-C-C-R
OH
Для получения смешанных 1,2-диацилглицеринов часто применяются метод сочетающие химические и ферментативные превращения. Так, панкреатическая липаза может
избирательно расщеплять первичную сложноэфирную группу в 12, не затрагивая вторичную
и защитную группу в виде простого эфира:
O
O
O-C-R2
O
O-C-R2
O
OH
O
Cl
липаза
C-R2
R1C-O
R
C-O
R
C-O
+
1
12
1
O
OH
O-CH2Ph
O-CH2Ph
13
14
15
3
4
В результате образуется смешанный диэфир 13, который подвергается реакции этерификации следующей жирной кислотой с образованием 14. На заключительной стадии синтеза защитную группу удаляют каталитическим гидрированием и получают несимметричный диглицерид 15, содержащий остатки двух различных жирных кислот.
Фосфолипиды могут синтезироваться с помощью методов, которые иллюстрируются
на примере получения фосфатидилхолинов (1,2-диацил-sn-глицеро-3-фосфохолин). Фосфатидилхолины одни из самых распространенных фосфолипидов, они составляют основу лецитинов и являются компонентами многих биологических мембран. По одному из вариантов
фосфатидилхолины (17) получают из диацилглицеринов (15) фосфорилированием их дихлорфосфорным эфиром с последующим взаимодействием промежуточного хлорфосфотидила 16 с холинхлоридом:
O
O-CO-R1
_
O-C-R2
O
O
+
HO(CH2)2N(CH3)3Cl
R
CO-O
O
R1C-O
15 + Cl-P-Cl
2
O
+
O-Ph
O-P-O(CH2)2N(CH3)3
O-P-Cl
_
O
O-Ph
16
17
Другой вариант синтеза фосфотидилхолина основан на реакции этерификации фосфатидовой
кислоты (18) тозилатом или ацетатом холина в присутствии подходящих конденсирующих
средств, например, трихлорацетонитрила:
O-CO-R1
_
CCl3CN
+
+ HO(CH2)2N(CH
17
R2CO-O
O
3)3] X
O-P-OH
_
_
OH
18
где X = AcO или n-CH3C6H4SO3
Этерификацией фосфатидовой кислоты можно получить и другие фосфолипиды:
фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин. Синтез различных фосфолипидов может быть
осуществлен и путем ферментативного трансфосфатидилирования под воздействием фермента фосфолипазы D, в присутствии которого остаток холина обменивается на другой
спирт, имеющий первичную гидроксильную группу:
H2O
Фосфолипаза D
O-CO-R1
R2CO-O
17
Глицерин
Фосфолипаза D
O
+
O-P-O(CH2)2N(CH3)3
_
O
где Gl =
Серин
Фосфолипаза D
O-CO-R1
R2CO-O
Этаноламин
Фосфолипаза D
O
Gl O-P-OH
OH
Фосфатидовая кислота
18
O
Gl O-P-O-CH2-CH-CH2OH
OH
OH
Фосфатидилглицерин
O
Gl O-P-O-CH2-CH-COOH
OH
NH2
Фосфатидилсерин
O
Gl O-P-O-CH2-CH2-NH2
OH
Фосфатидилэтаноламин
Таким образом, из весьма доступных лецитинов ферментативным синтезом можно
получить как различные природные фосфолипиды, так и широкий ряд их синтетических аналогов.
3.
Производство
микробного жира
Биосинтез липидов не так широко распространен, как биосинтез белковых концентратов, но постоянно расширяющаяся область применения микробного жира определяют актуальность и практическую важность этой задачи. В настоящее время микробный жир находит
применение в горнодобывающей промышленности (флотация руд), металлообработке (прокат, волочение), в текстильной промышленности, в получении новых полимерных материалов в качестве пластификаторов, а также в изготовлении косметических товаров, мыла,
стиральных порошков и пр.
Липиды входят в состав всех микроорганизмов в количестве от десятых долей процентов до 10 % от сухой биомассы. Однако имеются культуры, способные к «сверхсинтезу»
липидов, которые в благоприятных условиях могут содержать до 60-70 % микробного жира.
Например, среди мицелиальных грибов некоторые представители родов Penicilium, Rhizopus,
Fusarium могут содержать от 40 до 70 % липидов. Примерно такое же количество липидов
синтезируют дрожжи родов Cryptococcus, Lipomyces, Sporobolomyces. Из бактерий интересны
микобактерии, способные накапливать до 40 % липидов. Некоторые микроформы водорослей могут содержать до 60 % липидов. Состав липидов, синтезируемых микроорганизмами,
неодинаков и весьма разнороден. Фосфолипиды составляют основную массу микробного
жира у бактерий, а мицелиальные грибы, наряду с фосфолипидами, содержат значительное
количество воска. Среди отдельных фракций дрожжевых липидов наибольший удельный вес
занимают триацилглицериды.
Продуцентами липидов, имеющие практическое значение, являются липидные дрожжи Cryptococcus terricolus, Lipomyces, Sporobolomyce и другие. Общие требования к их росту
– сбалансированная питательная среда с определенным соотношением источников углерода
и азота в среде и строго аэробный метаболизм, полное исключение брожения.
Однако липиды как самостоятельный продукт в качестве кормовых добавок не производят, так как они в достаточном количестве поступают в организм животных с различными
кормами. Более того, в некоторых производствах белковых концентратов, содержащих повышенное содержание липидов, осуществляют их отделение от белкового концентрата с целью получения отдельно микробного жира и обезжиренного белкового концентрата. Таким
образом, с одной стороны, это позволяет получать сбалансированные по своему составу
кормовые добавки для сельскохозяйственных животных, с другой - получать технический
микробный жир в качестве сырья для указанных выше целей и очищенные липиды для изготовления косметических средств и лекарственных препаратов (в качестве основы для кремов,
мазей, суппозиторий и пр.).
Совместное производство обезжиренного белкового концентрата и биожира выглядит
следующим образом.
Кормовые дрожжи получают выращиванием дрожжей рода Candida на обычных гидролизатах или парафинах нефти (см. с……). Содержание липидов в клетках дрожжей относительно невысокое (16-20 % на сухую биомассу). Однако выделение липидов из дрожжей
экономически выгодно, так как кормовые дрожжи производятся в больших количествах, а
излишнее содержание липидов является в ряде случаев нежелательным для белковых концентратов.
Принцип отделения липидов от белковой массы дрожжей весьма прост: их экстрагируют неполярным растворителем, чаще всего гексаном, фильтрованием отделяют нерастворимый в гексане белковый шрот, и после удаления растворителя выделяют смесь липидов –
микробный жир. Для более полного извлечения липидов из дрожжевой массы необходима
предварительная обработка кормовых дрожжей, выращенных в дрожжерастительных аппаратах и высушенных в распылительной сушилке.
Полученные после распылительной сушки дрожжи, прежде всего, гранулируют путем
продавливания увлажненной массы через фильеры гранулятора. Гранулы поступают на
вальцы вальцовой дробилки, где они измельчаются (расплющиваются), при этом происходит
разрушение дрожжевых клеток, что необходимо для более полной экстракции липидов из
5
дрожжей. Далее тонко растертую массу сушат в пневматической сушилке до полного удаления влаги (остатки влаги приводят к загрязнению микробного жира водорастворимыми пептидами), просеивают и направляют на стадию экстракции.
Экстракция проводится по принципу экстракции из твердых веществ в типовых экстракторах или в батарее диффузоров. В качестве экстрагента используют гексан, который
весьма эффективно экстрагирует липиды и легко регенерируется с минимальными потерями.
Полученный в результате экстракции раствор биожира называется мисцелла. Мисцеллу отделяют от белкового шрота на пресс-фильтрах и направляют на стадию дистилляции для отгонки растворителя. Система отгонки состоит из двух ступеней. На первой ступени отгонка
гексана проводится в роторно-пленочном испарителе до концентрации биожира около 90%.
Окончательное удаление растворителя проводится в вакуум-дистилляторах. Гексан возвращается на стадию экстракции, а полученный технический биожир фасуют в тару и направляют потребителю.
Обезжиренная белковая масса (шрот) поступает в специальный аппарат – десольвентор, где она обрабатывается острым паром. Под действием пара и высокой температуры белковый концентрат полностью освобождается от растворителя и далее поступает на
грануляцию и сушку. Таким образом, в данном производстве осуществляется выпуск двух
видов продукции: биожира и обезжиренного белкового концентрата.
Технологическая блок-схема совместного получения биожира и
обезжиренного белкового концентрата
Гранулированные кормовые дрожжи
Размол (вальцевание) и сушка
Экстракция
Гексан
Фильтрование
Белковый шрот
Сушка
Обезжиренные кормовые
дрожжи
Экстракт (мисцелла)
Отгонка растворителя
Микробный жир
(биожир)