LIPIDEK Terpenoidok, Karotinoidok, Szteroidok, Eikozanoidok Triacilglicerinek (trigliceridek), Viaszok, Foszfolipidek, Glikolipidek
Lipidek Lipidek csoportosítása Lipidek - kémiailag igen változatos vegyületcsoportok gyűjtőneve. Közös megkülönböztető jegyük, hogy vízben oldhatatlanok.
Csoportosítás biológiai funkció alapján • energiatárolás, tápanyag raktározás (trigliceridek: zsírok, olajok) • biológiai membránok fő alkotórészei (foszfolipidek, glikolipidek, szterinek) • enzim kofaktorok, elektronszállítók, fényabszorbeáló molekulák, hidrofób horgonyok, emulzifikáló anyagok, hormonok, stb.
Csoportosítás kémiai szerkezet alapján - Nem hidrolizálható (egyszerű) lipidek: • Terpenoidok • Karotinoidok • Szteroidok • Eikozanoidok - Elszappanosítható/hidrolizálható (összetett) lipidek: • Triacilglicerinek (trigliceridek, zsírok, olajok) • Viaszok • Foszfolipidek (foszfogliceridek, szfingolipidek) • Glikolipidek (galaktolipidek, szulfolipidek, glikoszfingolipidek
Izoprén vázas vegyületek csoportosítása, szerkezete és hatásuk A növényvilágban nagyon gyakoriak azok a szénvegyületek, amelyeknek szénváza két vagy több izoprén egységet foglal magában. Az öt szénatomos izoprénváz nagyszámú és igen változatos szerkezetű és biológiai hatású vegyület építőegysége. Ezek a vegyületek két csoportra oszthatók, mégpedig a terpenoidokra és a karotinoidokra.
Karotinoidok
Terpenoidok
• a természetes anyagok legnagyobb csoportja, öt szénatomos izoprén egységek összekapcsolódásával jönnek létre. >35000 ismert vegyület.
Leopold Ruzicka 1887-1976 Kémiai Nobel-díj (1939)
• csak C és H atomot tartalmazó konjugált tetraterpének • heteroatomot is tartalmazó konjugált tetraterpének: xantofilek Otto Wallach 1847-1931 Kémiai Nobel-díj (1910)
A terpenoidok körében alapvegyületeknek tekinthetők a névadó terpének. Ezekre a szénhidrogénekre a (C5H8)n általános összegképlet jellemző, ahol n=2 vagy ennél nagyobb szám. Szerkezetvizsgálatuk szerint ezek a vegyületek az izoprén (C5H8) dimer, trimer, általában oligomer vagy polimer származékainak tekinthetők.
Összegképlet
Izoprénrészek száma, n
Monoterpének
C10H16
2
Szeszkviterpének
C15H24
3
Diterpének
C20H32
4
Szesterterpének
C25H40
5
Triterpének
C30H48
6
Tetraterpének
C40H64
8
Politerpének
(C5H8)n
n>8
Név
A (C5H8)n összegképletű, izoprén egységekből álló vegyületeket terpéneknek, az ezekből levezethető szénhidrogéneket és oxigéntartalmú származékaikat terpenoidoknak nevezzük.
A terpén nevet korábban csak C10H16 összegképletű vegyületekre alkalmazták, utalva a terpentinre (fenyőgyanta latinul terebenthinum), mely 95%-ban tartalmaz vizgőzzel illó C10H16 összegképletű szénhidrogéneket. Az elnevezést később valamennyi (C5H8)n összegképletű molekulára kiterjesztették. A ma használatos terpenoid gyűjtőnév nemcsak a terpéneket foglalja magában, hanem általában az egész számú izoprén egységekre tagolható szénhidrogéneket, akár aliciklusos akár ciklusos, valamint ezek oxigéntartalmú származékait is, például terpénalkoholokat, terpénketonokat stb.
Az izoprén szabály: A terpének szerkezetfelderítése során először Wallach (1883), majd később Ruzicka (1921) fogalmazta meg az izoprén szabályt, ami az izoprénegységek szabályos ún. fej-láb illeszkedésére (terpenoidokban az izoprén egységek kapcsolódásának egyik módja, ahol az egyik izoprén 1-es szénatomja (fej) a másik izoprén 4-es szénatomjához (láb) kötődik.)utal. Leopold Ružička 1921-ben megfigyelte, hogy az izoprénrészek illeszkedésmódja rendszerint fej–láb (vagy láb–fej). A láb–láb illeszkedés nagyon ritka.
Például a babérfa illóolajában található mircénben (7-metil-3-metilén-okta-1,3-dién) a két izoprén fejláb illeszkedése valósul meg. CH2 CH2
C
CH CH2
C
fej
H2C
láb
H2C
CH3 fej
CH2 CH C
láb H3C izoprén
CH
mircén
CH3 egyszerűsített vonalábra
Terpenoidok néhány váztípusa
Fej-láb illeszkedés Láb-láb illeszkedés
Fej (head)
Láb (tail)
Terpenoidok bioszintézise A terpenoidok bioszintézise szénhidrátokból kiindulva mevalonsavon át valósul meg, oly módon, hogy a mevalonsavból ún. aktív izoprén (izopentenil-pirofoszfát, IPP), keletkezik, ami a természetes izoprénvegyületek prekurzora.
Az izopentenil-pirofoszfát (IPP) izomeráz enzim hatására savkatalizált folyamatban dimetilallil-pirofoszfáttá (DMAPP) alakul. Ebből a pirofoszfát anion lehasadásával egy dimetilallil kation keletkezik, ami prenil-transzferáz enzim közreműködésével IPP-vel reagálva geranil-pirofoszfátot ad. Ez lesz a különböző terpenoidok szintézisének kulcs intermediere.
A geranil-pirofoszfátból (GPP) a pirofoszfát lehasadásával keletkező kationból számos monoterpén levezethető. Amennyiben ez a kation egy IPP molekulával reagál, akkor a szeszkviterpénekhez juthatunk. További láncnövekedéssel és enzimatikus átalakulással minden származék levezethető belőle.
A terpenoidok bioszintézise szénhidrátokból kiindulva mevalonsavon át valósul meg, oly módon, hogy a mevalonsavból ún. aktív izoprén (izopentenil-pirofoszfát, IPP), keletkezik, ami a természetes izoprénvegyületek prekurzora. A bonyolult szintézisút egyes átalakulási lépései általában enzimkatalizáltak, amelyekben fontos szerepet töltenek be a koenzimek. A további átalakulás során az IPP savkatalizált reakcióban dimetilallilpirofoszfáttá (DMAP) izomerizálódik át. Az enzimatikus folyamatban a kettős kötés protonálódik az olefineknél megismert orientációs szabály szerint, amit azután protonkihasadás követ. Ezt követően két C5-egység fej-láb illeszkedéssel összekapcsolódik. A dimerizációt elősegíti az, hogy a pirofoszfát jó távozó csoport és az így képződő reaktív allilkation enzim hatásra könnyen addícionálódik egy másik IPP-re.
OH
H3C szénhidrát
CH2 OH
C H2C
CH3
enzim
C
CH2
CH2
H2C
CH2 OPP
HOOC 3,5-dihidroxi-3-metilvaleriánsav mevalonsav CH3
+H enzim
CH3
-H
C H3C
CH2
izopentenil-pirofoszfát IPP
C
CH2 OPP
H3C
CH
CH2 OPP
DMAPP CH3 C - OPP
H3C
prenil transzferáz
CH3
CH
CH2
+
C H2C
CH2
CH2 OPP
-H
IPP
C H3C
O
CH3
CH3 CH2 CH
CH2
C CH2
CH
PP = OPP
P OH
O O
P
OH
OH
geranil-pirofoszfát
A koenzimek olyan reagensmolekulák, amelyekre a biológiai folyamatokat katalizáló enzimeknek (fehérjéknek) átmenetileg feltétlenül szükségük van az általuk megkötött metabolitmolekulák átalakításához.
Az így keletkező geranilpirofoszfátból levezethető az összes monoterpén, például hidrolízisével nyíltláncú alkoholok [(E)-izomer: geraniol és (Z)-izomer: nerol] képződhetnek. Az izomerizációt az allil típusú kation mezomer határszerkezetei teszik lehetővé. A karbokation intermedier intramolekuláris AdE reakcióban monociklusos monoterpénné (pl. limonénné) alakulhat, illetve a ciklusos kationból biciklusos vegyületek (pl. -pinén és -pinén) képződésére is van lehetőség. Királis vegyületek (pl. pinén, limonén) esetében bizonyos növényekben egyik vagy a másik enantiomer is képződhet. A geranil-pirofoszfátból újabb IPP egységek hozzákapcsolódásával levezethető valamennyi terpénféleség bioszintézise.
CH2 OPP
CH2
H
CH2
H
H
- OPP geranil-pirofoszfát rotáció
H2O - OPP -H
CH2OH
H
H
CH2OH
geraniol (E-izomer)
H
H2O
H
CH2
-H
nerol (Z-izomer)
CH2
AdE
AdE -H
-pinén
-H -H
H3C
CH3 limonén
-pinén
Izopentenil-pirofoszfát alapon felépülő természetes anyagok
• A terpenoidok leggyakrabban növényekben fordulnak elő. A monoterpének általában alacsony forráspontú, kellemes illatú vegyületek (illóolajok), melyek az izoprén egységeken kívül tartalmazhatnak egyéb funkciós csoportokat (OH; CHO; C=O)
• A monoterpének (két izoprén egységből felépülő vegyületek) szerkezetük szerint lehetnek aliciklusosak, monociklusosak vagy biciklusosak.
rózsaillatú
nehézszagú gólyaorr
parfümökben használják
babérfa bazsalikomban, a komlóban, a mangóban és a kannabiszban is megtalálható
karvon
fodormenta
köménymag
Fájdalomcsillapító Antibakteriális citromfű Antidiabetikus Gyulladáscsökkentő Inszomnia ellenes/Altató hatású Antiproliferatív/Antimutagén Antipszichotikus – Nyugtató hatása enyhíti a pszichózis tüneteit Görcsrcsoldó
borsmenta antiszeptikus, fungicid hatású
kakukkfű
hűsítő, csiraölő hatású
Kitekintés – kiralitás és szerepe a biológiai hatásban
Az enantiomerek nem feltétlenül rendelkeznek azonos biológiai hatással
A biciklusos monoterpéneknek számos szerkezetileg érdekes képviselője ismert a természetben, melyek közül a tuján és a tujon (a tuja illóolajában fordul elő) biciklo[3,1,0]hexán gyűrűrendszert tartalmaz. • a tujon mentol illatú vegyület • a GABA (g-aminobutánsav – legfontosabb inhibitora az idegi ingerület átvitelnek) receptorra hat. Nem okoz hallucinációkat. • Erre a receptorra hatnak a barbiturátok, benzodiazepám, kábítószerek. • Elenyésző mennyiségben az abszint is tartalmazza. (szabályozzák a mennyiségét) Az abszint egy alkoholtartalmú ital, mely főleg fehér ürömből, ánizsból és édesköményből készül. A smaragdzöld folyadék általában rendkívül magas (50%-nál több) alkoholtartalmú és kesernyés ízű. Ebből kifolyólag vízzel hígítva és cukor hozzáadásával fogyasztják. Amikor vízzel keverjük, érdekes hatásnak lehetünk tanúi, ugyanis az abszint a víz hatására opálos fehér-zöld színt vesz fel. Ennek oka az italban található illóolajok, főleg az ánizsolaj nagyon rossz vízoldhatósága, melyek a hígítás során kicsapódnak az oldatból.
• Jellegzetes szagú, fehér, áttetsző, viaszos, szilárd kristályos anyag, illékony, hűsítő, keringést fokozó és fertőtlenítő hatású vegyület. Molyirtó szerként is használják. • Már szobahőmérsékleten is jelentős mértékben szublimál. • Trópusi növényekben található.
1,7,7-trimetilbiciklo[2.2.1]heptán-2-on kámforfa
Szeszkviterpének (C15H24)
Gyöngyvirágillatú • hársfavirág • ciklámen
narancsvirág
guajakfa Lignum vitae, „élet fája”
gyulladáscsökkentő
bors
antibakteriális, antioxidáns hatású
Karotinoidok szerkezete és csoportosításuk A karotinoidok zsírban oldódó természetes eredetű pigmentek. A nyolc izoprénegységből felépülő karotinoidok közös szerkezeti sajátossága a folytonos konjugációt alkotó polién struktúra. A vegyületcsalád neve a sárgarépából (Daucus carota) izolált pigmentre, a karotinra utal. A karotin három hasonló szerkezetű vegyület, mégpedig az -, - és g-karotin keveréke. A paradicsom piros színanyagának a likopinnak is hasonló szerkezete van.
Xantofillok
(sárga)
(sárga)
(sárga)
Narancs-sárgás, oxigént is tartalmazó karotinoid színezőanyagok. Nevük a göröx xanthos (sárga) és phyllon (levél) szavakból ered. Előfordulás: A természetben csaknem minden növény levelében és az állatokban is megtalálhatók. Előfordulnak pl. az emberi szemben vagy a tojás sárgájában is.
(narancssárga)
A lutein és a zeaxantin alapvetően fontos a látáshoz. A két anyag együtt alkotja a makulát, amely kiszűri a káros kék fényt.
Az emberi és állati szervezetek nem képesek szintetizálni a karotinoidokat, így e létfontosságú vegyületekhez csak a táplálék útján juthatnak. A -karotinnak Avitaminhatása van, mivel a szervezetben enzim hatására 2 mol retinol (A-vitamin) képződik belőle. Az A-vitamin a csontnövekedéshez, a retina működéséhez, az embrionális fejlődéshez, a reprodukciós folyamatokhoz, valamint a hám normális szerkezetének fenntartásához nélkülözhetetlen zsírban oldódó vitamin.
A β-karotint és a szubsztituálatlan β-jonon-gyűrűt tartalmazó karotinoidok a szervezetben A-vitaminaldehiddé (retinal), majd A-vitaminná (retinol) alakulnak
β-jonon-gyűrű
Az A-vitamin Az A-vitamin vagy hétköznapi nevén retinol a zsírban oldódó vitaminok családjába tartozik, és az egyik legfontosabb funkciója, hogy a szürkületben való látást biztosítsa. A szem ideghártyájában a fény érzékeléséért felelős rodopszin vagy látóbíbor képződéséhez szükséges.
Az A1-vitamin tengeri halak májából, az A2-vitamin édesvízi halak májából izolálható. A-vitamin-hiány esetén szürkületi vakság lép fel.
A látás fotokémiája (addíció, elimináció, izomerizáció): Az emberi szem kétfajta receptor sejtet tartalmaz: pálcikákat és csapokat • pálcikák (retina peremén helyezkednek el, gyenge fényviszonyoknál aktívak színlátásra nem alkalmasak.) • csapok (retina központi részén találhatók, erős fényviszonyok között aktívak, színlátásért felelősek) Állatvilágban: • galambok (csak csapok: csak nappal látnak), • baglyok (csak pálcika: színvakság, viszont szürkületben is látnak) A pálcikákban található a rodopszin kromofórja a 11-cisz-retinal. A rodopszin kialakulása során a retinal karbonilcsoportjára addicionálódik a fehérje (opszin) egy aminocsoportja (AdN-reakció), majd egy vízmolekula eliminációjával jön létre az imin (ez a rodopszin, látóbíbor). A látást a pálcikákban található rodopszin biztosítja, mely fény hatására elhalványodik, lebomlik. A fényérzékeny komponens, a retinén, egy foton hatására cisz konfigurációja all- transz konfigurációra változik, elhagyja a fehérjemolekulát, melynek ekkor bekövetkező konfigurációváltozása megváltoztatja a membránpermeabilitást. Így alakul ki a látásinger. Sötétség hatására a rodopszin újratermelődik.
A látóbíborban az A-vitamin (retinol) A-vitamin-aldehiddé (retinal) oxidálódik, majd 11-ciszformájában (sztérikusan gátolt cisz-izomer!) az opszin nevű fehérjével rodopszinná kapcsolódik.
A szem ideghártyáján az ideg-végződésekben sötétben egy bíborszínű összetett fehérje, a rodopszin (látóbíbor) halmozódik fel. Fényenergia (ΔE = h ∙ ν) hatására a rodopszinban kötött 11-cisz-retinal a stabilabb össz-transz-retinallá izomerizálódik át, s ez rögtön lehasad a rodopszinról. Enzim hatására az össz-transz-retinal 11-cisz-retinallá izomerizálódik át, amely opszinnal kapcsolódva újra rodopszinná alakulhat (a rodopszin tehát regenerálódik)
Periplanone B Amerikai csótány sexferomonja
„Egyszerű” vegyület, de mennyire egyszerű a kémiai szintézise?
Still, W.C; J. Am. Chem. Soc., 101, 2493 (1979)
26
Mentol (terpénalkohol)
3500 tonna / év
Az élelmiszeriparban cukorkák és drazsék készítésére használják. Az orvosi gyakorlatban is felhasználják különböző célokra, por vagy kenőcs alakjában. Köhögéscsillapító szirupok adalékanyaga.
Szteroidok A szteroidok a természetes szénvegyületek egyik legfigyelemreméltóbb csoportját alkotják, mivel fontos szerepet játszanak az életfolyamatokban és nélkülözhetetlenek a gyógyításban. A szteroid név a vegyületcsoport legrégebben izolált tagjára a koleszterinre utal, amit epekőből (görögül kholeepe, sztereoszszilárd) nyertek ki.
Valamennyi szteroidmolekulára jellemző az ún. szteroid alapváz, ami kémiai szerkezetére nézve perhidro-1,2-ciklopentanofenantrén. Legfontosabb szteroid alapvázak
A tetraciklusos szénhidrogénben az egymáshoz kapcsolódó gyűrűk téralkata különböző lehet. A természetben előforduló szteroidok esetében ezek közül három lehetséges gyűrűkapcsolódás valósul meg, amit az androsztán alapvázon mutatunk be.
.29
A gyűrűrendszer felső oldalán elhelyezkedő szubsztituensek -, míg az alsó térfélen elhelyezkedőek -térállásúak.
A szteroidok csoportosítása és fontosabb képviselői SZTERINEK: olyan szteroid alkoholok, melyek állatokban (zooszterinek), növényekben (fitoszterinek) vagy gombákban (mikoszterinek) képződnek. Zooszterinek: legfontosabb képviselője a koleszterin, ami minden állati szervezetben előfordul, különösen sok található például a tojássárgájában és az emberi epekőben. A koleszterin fontos szerepet játszik a szteroid hormonok és az epesavak bioszintézisében. A D3-vitamin ipari szintézisének is kiindulási anyaga.
21
H3C 22 18 H 20 12 CH3 19 1 2
CH3 10
3
HO
4
5
17
11 9
H
H 8
13 14
H
16
26
24 23
CH3 25
CH3
27
15
7 6
koleszt-5-én-3-ol koleszterin
•A koleszterin minden emberi és állati sejtben megtalálható. Különösen nagy mennyiségben fordul elő egyes szervekben, pl. a mellékvesében, idegrendszerben. •A koleszterint a szervezet a májban állítja elő, és a sejthártyák felépítésében van fontos szerepe, valamint sokféle hormon alapanyaga. •A koleszterin meghatározásából következtetni lehet a máj működési állapotára. • A vér koleszterin tartalma cukorbetegség (diabetes), sárgaság, a pajzsmirigy csökkent működése, vesebetegségek és érelmeszesedés esetén fokozott lehet. •A koleszterin lerakódva az erek falában annak rugalmasságát csökkenti, és elősegíti az érelmeszesedés kialakulását. •Csökken a koleszterinszint máj-, és fertőző betegségekben, és Basedow-betegségekben (hipertireózis).
A trigliceridek, a koleszterin és észterei hidrofób (víztaszító) molekulák, melyeket a plazma vizes közegében kell szállítani. A szállítást bonyolult biokémiai struktúrák, a lipoproteinek végzik, melyek a hidrofób molekulákat hidrofil burokba zárják, elválasztva azokat a vizes közegtől. A különböző lipoproteinekben mások a burokban található fehérjék, és más a fehérje/zsír arány (a denzitás): Lipoprotein
Röv.
Kilomikron
Fehérje (%)
Lipid (%)
1–2
98–99
Nagyon alacsony sűrűségű lipoprotein
VLDL
7–10
90–93
Közepes sűrűségű lipoprotein
IDL
15–20
80–85
Alacsony sűrűségű lipoprotein
LDL
20–25
75–80
Magas sűrűségű lipoprotein
HDL
40–55
50–55
A sejtek hártyájában található LDL-receptorok az LDL burkában levő B-100-as fehérjét „ismerik meg”, így veszi át a sejthártya építéséhez szükséges koleszterint, ill. a zsír égetésére képes sejtek a trigliceridet. A HDL a sejtekből és az erek falából a májba szállítja vissza a felesleges koleszterint, amely ott újrahasznosul vagy epesavvá alakulva kiválasztódik az emésztőrendszerbe. Ez a „jó” koleszterin.
Lipoprotein struktúra (kilomikron) ApoA, ApoB, ApoC, ApoE (apolipoproteinek); T (triglicerid); C (koleszterin); zöld (foszfolipidek)
Míg az LDL-koleszterin a vérben feldúsulva az erek falában rakódik le, a HDL-koleszterin magas aránya azért kedvező, mert e zsírcseppecskékben az erekben már lerakódott koleszterin szállítódik vissza az érfalból a májba, ahol lebontódik.
Bioszintézis
Koleszterinből képződő hormonok
A mikoszterinek közül a legfontosabb az ergoszterin, amit elsőként egy a rozson élősködő gombából az anyarozsból (Claviceps purpurea) izoláltak. A vegyület neve az anyarozs francia nevéből (ergot) származik. Az ergoszterin UV-besugárzás hatására a C9–C10 kötés homolitikus hasadását követően D2-vitaminná alakul.
A fitoszterinek növényekben fordulnak elő. Egyik legelterjedtebb képviselőjük a sztigmaszterin, amit szójaolajból állítanak elő, és egyes nemi hormonok előállításához használják kiindulási anyagként.
A legfontosabb epesavak az 5-androsztán hidroxikarbonsav származékai. Az epében aminosavakkal (glicin, taurin) képzett peptidszerű vegyületeik az ún. páros epesavak nátriumsó formájában fordulnak elő. Az epesavak szerepe a vízben nem oldódó zsírok felszívódásának elősegítése.
Szívre ható glikozidok és varangymérgek: gyógyászati szempontból nagyon fontosak. Növényekben (pl. a Digitalis- és Strophantus-fajokban), tengeri hagymákban (Scilla maritima) és egyes békafajokban (Bufofajok) fordulnak elő. A csoport valamennyi tagja 5,14-androsztán alapvázat tartalmaz, melyhez 3- és 14-helyzetben két hidroxilcsoport, 17-helyzetben pedig egy laktongyűrű kapcsolódik, valamint a 3hidroxilcsoport különböző szénhidrátokkal glikozidos kötést alkot. A glikozidos kötés már enyhe savas hidrolízis hatására is felszakad, és a szénhidrátok mellett aglikon (pl. genin) is izolálható. A gyógyászatban alkalmazott vegyületeket szokás kardenolidoknak vagy digitalisz-glikozidoknak nevezni. A legfontosabbak ezek közül a digitoxin és a digoxin.
Hatásuk: dózistól függően növelik a szív összehúzódási erejét, ami szívelégtelenség esetén jelentősen csökkent. Ezt a hatást úgy fejtik ki, hogy a szívizomsejtekben egyes ioncsatornák működését gátolva megváltoztatják a sejtekben az ioneloszlást. A sejt belsejében megnő a kalcium tartalom a normálishoz képest, ami növeli az összehúzódások erejét. A szív így kevesebb erőfeszítéssel több vért tud kilökni. Azonos munkához kevesebb oxigént igényel, és jobb hatásfokkal dolgozik. A túladagolás során kialakuló túlzottan magas kalcium szint azonban káros, mert túl hamar idézhet elő újabb ingert az összehúzódáshoz. Csökkentik a káliumszintet, ami túladagolás esetén lehet nagy fontosságú. A nagyon alacsony káliumszint ugyanis szintén extra ütésekhez vezethet, ami ritmuszavart vagy túl gyors szívverést válthat ki.
A szteroidszaponin gyűjtőnév az idesorolt vegyületek vizes oldatának szappanhoz hasonló habzására utal. A szaponinok hatgyűrűs alapvázat tartalmazó glikozidok, melyeknek jellegzetes szerkezeti eleme a spiroketál gyűrűrész. Legfontosabb képviselőjük a Dioscoreafajokban előforduló dioszcin, melynek aglikonja a dioszgenin. A dioszgenin fontos kiindulási anyaga a sztereoid hormonok, például a progeszteron félszintetikus előállításának.
A szteroid alkaloidok nitrogéntartalmú szteránvázas vegyületek, amelyek főként a Solanum fajokban fordulnak elő glikozidjaik formájában. Néhány képviselőjük (pl.a szolaszodin és a tomatidin) szerkezete sok hasonlóságot mutat a szaponinok gyűrűrendszerével, csak a spiroketál rész hattagú gyűrűjében oxigénatom helyett nitrogén található.
A szteroid hormonok egy része a nemi funkciókat szabályozza – ezek a nemi hormonok, más részük pedig a szervezet anyagcseréjét (cukor- és sóháztartás) befolyásolják – ezeket az előfordulásukra utalva mellékvesekéreg-hormonoknak (vagy kortikosztereoidoknak) nevezzük. A hormonok nagyon változatos funkciókat töltenek be, ennek ellenére azonban szerkezetük sok tekintetben hasonló. A 17-helyzetben a hosszú oldallánc vagy gyűrű helyett általában hidroxi-, oxovagy acetil-csoportot tartalmaznak.
A női nemi hormonok egy része (ösztrogének) a másodlagos nemi jelleg kialakulásáért felelősek – ezek az ösztradiol, ösztriol és az ösztron. Közös jellemzőjük, hogy az A-gyűrű mindhárom vegyületben aromás.
A női nemi hormonok másik csoportját a terhesség fenntartását biztosító gesztagének alkotják, melyeknek egyetlen természetes képviselője a progeszteron.
A férfi nemi hormonok (androgének) közé a másodlagos nemi jelleg kialakulásáért felelős tesztoszteron és annak átalakulásával képződő androszteron tartozik.
A mellékvese nagy számú kortikoszteroidot termel. Közülük a kortizolt szintetikusan is előállítják, ez a hidrokortizon, amely gyulladáscsökkentő hatású szer. Néhány szintetikus szteroid hasonló hatást mutat, ilyen például a prednizolon.
Bármely gyulladásos folyamatban hatékonyak, így reumatoid artritiszben és egyéb kötőszöveti betegségekben, szklerózis multiplexben, illetve sürgősségi esetekben, például agyduzzadásban, asztmás rohamban és súlyos allergiás reakciókban is. Mivel a gyulladásos válasz elnyomásával csökkentik a szervezet fertőzésekkel szembeni védekezőképességét, csak nagyon óvatosan adhatók fertőzésben. Alkalmazásuk ronthat a magas vérnyomáson, a szívelégtelenségen, a cukorbetegségen, a peptikus fekélyen, a veseelégtelenségen és a csontritkuláson, és ezen esetekben csak akkor adhatók, ha nagyon szükséges.
Prosztaglandinok és eikozanoidok A prosztaglandinok a C20 lipidek közé tartoznak, és szerkezetükre jellemző az 5 tagú gyűrű, amihez két oldallánc kapcsolódik. Számos biológiai hatással rendelkeznek: vérnyomáscsökkentő hatás, vérlemezke aggregációt növelő hatás sérülések esetén, gyomorsav kiválasztás csökkentő hatás, gyulladás csökkentő hatás; vese funkcióit befolyásolja, méh összehúzó hatás, stb.. Prosztaglandinok a tromboxánokkal és a leukotriénekkel alkotják az eikozanoidok csoportját (parakrin hormonok, amelyek a képződés helye közelében fejtenek ki hatást), mivel e vegyületek mind az 5,8,11,14-eikozatetraénsavból más néven arakidonsavból képződnek. Prosztaglandinokra (PG) jellemző a ciklopentán gyűrű a két oldallánccal; a tromboxánok (TX) hat tagú oxigén heterociklust tartalmaznak, míg a leukotriének (LT) nyíltláncúak.
5,8,11,14-eikozatetraénsav
Hidrolizálható lipidek csoportosítása
A zsírsavak hosszú szénatom számú karbonsavak (C4- C36), melyekben a szénlánc lehet telített, de tartalmazhat 1 vagy több kettős kötést is. 43
Természetes telített zsírsavak szerkezete
Természetes telítetlen zsírsavak szerkezete
6
3
9
Esszenciális zsírsavak: -3 és -6
Esszenciális zsírsavak: -3 és -6
Az esszenciális zsírsavak többszörösen telítetlen vegyületek, melyek között van omega-6 zsírsav (a linolsav) és omega-3 zsírsav (-linolénsav, ALA) is. Ezek nélkülözhetetlenek az emberi táplálkozásban, mert nem tudja őket a szervezet előállítani. Az emberi test képes szintetizálni telített, vagy omega-9 egyszeresen telítetlen zsírsavakat, de nem képes kettős kötéseket vinni az omega-3 illetve az omega-6 helyekre, ezért az ilyen zsírsavakat kívülről kell pótolni. (Ezért ezeket „Fvitaminnak” is nevezik.) Az esszenciális zsírsavak fontos szerepet töltenek be az immunrendszer megfelelő működésében, gyulladáscsökkentésben, a vérnyomás szabályozásában, illetve olyan fontos vegyületcsoport előanyagaként, mint a prosztaglandinok.
Zsírsavak szerkezete és olvadáspontja I. A zsírsavak fizikai tulajdonságait erősen befolyásolja a szénlánc hossza, és telítettségi foka. Az apoláris alkil lánc miatt vízben oldhatatlanok. Az olvadáspontjuk szintén függ a lánc hosszától és telítettségi fokától. A telített zsírsavak (12:0 – 24:0) viaszos szilárd vegyületek, míg a telítetlen származékok olajok. Op. 69.6 °C
sztearinsav
elaidinsav
olajsav
Zsírsavak szerkezete és olvadáspontja II.
Zsírsavak szerkezete és olvadáspontja III.
49
Trigliceridek A glicerin zsírsavakkal alkotott triészterei.
• Vízben oldhatatlanok – poláris funciós csoportok hiánya • A természetes trigliceridek általában vegyes gliceridek – különböző zsírsavakat tartalmaznak • Jobb „üzemanyagok” a szénhidrátoknál: - alacsonyabb oxidációs állapot miatt több energia nyerhető az elégetésük során; apolárisak, nem hidratált formában tárolódnak a szervezetben – kisebb tömegűek!
50
Zsírok: Trigliceridek szobahőmérsékleten szilárd halmazállapotú keverékei. Főleg telített zsírsavakat tartalmaznak.
Olajok: Trigliceridek szobahőmérsékleten folyadék halmazállapotú keverékei. Főleg telítetlen zsírsavakat tartalmaznak.
Néhány természetes zsír és olaj összetétele
51
52
Szappanok • A szappan a legősibb mesterséges mosószer. • A szappanok a hosszú szénatomszámú karbonsavak nátrium- vagy káliumsói. • Az első szappanok már kr.e. 600-ban ismertek voltak. A házilag készült szappant a következő technológiai lépésekben gyártották: Zsíros és faggyús állati anyagokat (például a disznóvágásból kimaradtakat) NaOH-val (nátriumhidroxid, lúgkő) együtt főzték, melynek során glicerin és a karbonsavak nátriumsója keletkezett. Mivel a glicerin és az említett só még összekevert állapotban volt, az oldatba konyhasót adagoltak és ennek hatására a szappan kivált az oldatból.
53
Hogyan működnek a szappanok?
Vízben történő oldáskor a szappanmolekula anionra (zsírsavmaradék-ion) és kationra (nátriumion) disszociál. A zsírsavmaradék (pl. palmitát) anion hosszú apoláros szénláncból és rövid negatív töltésű karboxilátcsoportból áll. Az apoláros lánc a zsírokban, a poláros karboxilátcsoport a vízben oldódik jól. Ezért a ruhán lévő zsíros szennyeződésre a szappanmolekulának a karbonsav szénláncú vége tapad (oldódik benne), míg a karboxilát a víz irányában helyezkedik el. Sok-sok ilyen szappanmolekula elválasztja egymástól, apróra darabolja a zsírcseppeket, a karboxilátvégződések pedig a víz irányba rendeződve biztosítják, hogy az így létrejött molekulacsoport (micella) a vízben mozoghasson, a felületről eltávolodhasson.
Viaszok A viaszok zsírsavaknak hosszú szénatomszámú alkoholokkal képzett észterei. A viasz szó jelentése nem pontosan meghatározott, de általában olyan anyagot jelent, ami tulajdonságaiban a méhviaszra hasonlít, tehát: • szobahőmérsékleten plasztikus (formálható) • olvadáspontja 45 °C fölött van • megolvasztva alacsony a viszkozitása • vízben nem oldható, hidrofób azaz víztaszító, vízlepergető. A legközönségesebb viasz a méhviasz, mely főtömegében a palmitinsavnak miricilalkohollal képezett észteréből (C15H31COOC30H61) áll. A bőrgyógyászatban előszeretettel használják a bálnaviaszt vagy cetaceumot (spermacet-et), mely a bálna-félék koponyaüregében található, és főleg a palmitinsav cetilalkohollal képezett észteréből (C15H31COOC16H33) áll. A kínai viasz a rovarok anyagcsereterméke és cerotinsavas cerilészterből (C25H51COOC26H53) áll. Az állati eredetű viaszok közül említésre méltó még a gyapjúzsír (lanolin), mely a gyapjún keletkezik és a gyógyszer-, valamint a kozmetikai iparban alkalmazzák. A carnauba-viasz viszont, melyet pl. paraffingyertyák fehérítésére használnak, növényi eredetű és főalkotója a cerotinsavas miricilészter, C25H51COOC30H61.
méhviasz
Hidrolizálható lipidek
A biológiai membránok fontos szerkezeti eleme a lipid kettős réteg, melyen keresztül történik a molekulák és ionok transzportja. A membrán alkotó lipidek amfipatikus molekulák, a molekula elkülönülten tartalmaz hidrofil és hidrofób részeket is. A foszfolipidek a foszforsav észter származékai.
Foszfolipidek • A foszfolipidek két fő típusa: a glicerofoszfolipidek és a szfingolipidek (szfingomielinek).
Glicerofoszfolipidek • A glicerofoszfolipidek alapja a foszfatid sav (R = H), ami glicerinből, ahhoz észter kötéssel kapcsolódó zsírsavakból (2 db) és foszforsavból áll. • Jóllehet bármely C12 – C20 zsírsav előfordulhat ezekben a vegyületekben, azonban leggyakrabban a glicerin C1 hidroxil csoportját telített, míg a C2 hidroxil csoportját általában telítetlen zsírsav észteresíti. • A C3 hidroxilcsoporton található foszforsav egység aminoalkoholokkal, mint például koline, etanolamin vagy a szerin van észteresítve.
Szfingolipidek • A szfingolipidekben a szfingozin amino csoportját egy zsírsav molekula acilezi, míg a C1 hidroxil csoporton a foszfát egység található, ami kolinnal van észteresítve. • E molekulákban a foszfát rész semleges pH-n is negatív töltésű (hidrofil), míg a zsírsav egység és a szfingozin oldallánca a hidrofób rész. • A C3 hidroxil csoport gyakran glikozileződik (pl: glukozilkeramid)
Ceramide
Hidrolizálható lipidek csoportosítása
Glikoszfingolipidek I. Glikoszfingolipidek a plazmamembrán külső oldalán találhatóak, és a ceramid egység C1 hidroxil csoportja van glikozilezve. Szerepük a felismerésben (vírusok, baktériumok) és a sejtek közötti kommunikációban van.
Glikoszfingolipidek II. Az AB0(H) vércsoport antigének
O-Glikoproteinek
Glikoszfingolipidek határozzák meg a vércsoportot. Az emberi vércsoportokat (O, A, B) meghatározó antigének a glikoszfingolipidekben található eltérő oligoszacharid egységekben különböznek egymástól (glu: glökóz; Gal: galaktóz; GalNAc: N-acetil-galaktózamin; Fuc: fukóz)
Galaktolipidek Galaktolipidekben egy vagy két galaktóz egység kapcsolódik glikozidos kötéssel az 1,2-diacilglicerin C3 hidroxilcsoportjához. A növényi sejtmembránok szulfolipideket is tartalmaznak, melyekben A C6 helyzetben szulfonált glükóz egységek találhatóak. Ezek a molekulák is amfipatikusak a foszfolipidekhez hasonlóan, és a molekula hidrofil része negatív töltésű.
A foszfo- és glikolipidek amfipatikus molekulák A poláros és az apoláros részek/atomcsoportok elkülönülnek
Apoláros (hidrofób) farok
Poláros (hidrofil) fej
Egy amfipatikus szteroid: a membránalkotó koleszterin (a membrán merevségét fokozza)
Szteránváz
Koleszterin
Amfipatikus molekulákból felépülő szerkezetek Micella
Kettős réteg Liposzóma
Sejtmembrán
A biológiai membránok A biológiai membránok vékony, rugalmas hártyák, amelyek alapvázát foszfolipidek alkotják. A foszfolipid molekulák kettős rétegbe rendeződnek, poláris részük a membrán két felszíne, apoláris részük pedig a membrán belseje felé néz. A membránok tehát határoló felületet képeznek a sejt és környezete, valamint a sejtalkotók és a sejtplazma alapállománya között. A foszfolipid rétegbe fehérjemolekulák ágyazódnak. A foszfolipid molekulák apoláris részei egymás felé fordulnak, és van der Waalskötésekkel rögzülnek egymáshoz. A poláris rész a kettős réteg felszínén helyezkedik el. A kapcsolatot itt is elsősorban a van der Waals-kötések biztosítják.
A membránfehérjék sokféle feladatot láthatnak el: szabályozzák egyes anyagok átjutását a membránon, vagy különböző biokémiai átalakulások katalizátorai. A több lépésből álló anyagcsere-folyamatokat katalizáló enzimek az átalakulás sorrendjének megfelelően, egymás mellett helyezkednek el a membránban, azaz enzimrendszereket alkotnak. Az enzimrendszerekben az egyik enzim terméke a kiindulási anyaga a mellette lévő enzimnek, és így tovább. Így érthető, hogy az enzimrendszerek kialakulása jelentősen növeli az anyagcsere-folyamatok sebességét. Az eukarióta sejtekben a legtöbb sejtalkotót membrán határolja, emiatt a sejtalkotók belső terei elkülönülnek a sejt alapállományától. A sejt belsejének tagolódása lehetővé teszi az egyes biokémiai folyamatok térbeli elkülönülését, ami növeli az anyagcsere-folyamatok rendezettségét és hatékonyságát. Az eukarióta sejtek evolúciós előnye a prokariótákkal szemben egyértelműen a sejten belüli membránrendszerek kialakulásának köszönhető.
