hemia organiczna Lipidy budowa i znaczenie. Liposomy Lipidy to naturalnie występujące związki organiczne, izolowane z komórek i tkanek roślinnych lub zwierzęcych przez ekstrakcję rozpuszczalnikami niepolarnymi. Lipidy możemy podzielić na: Lipidy proste Woski (estry wyższych kwasów tłuszczowych oraz wyższych alkoholi), Tłuszcze właściwe (glicerydy, czyli estry wyższych kwasów tłuszczowych i glicerolu), Lipidy złożone Fosfolipidy (estry kwasu fosforowego), Glicerofosfolipidy (fosforanowe pochodne glicerolu), Sfingomieliny (fosforanowe pochodne sfingozyny), Sfingolipidy (niefosforanowe pochodne sfingozyny), eramidy (amidy kwasów tłuszczowych i sfingozyny), erebrozydy (glikoceramidy), Sacharolipidy (reszty kwasów tłuszczowych połączone są bezpośrednio z grupami hydroksylowymi polisacharydu), ochodne lipidów Terpeny, Steroidy, Kwasy tłuszczowe, rostaglandyny, Alkohole lipidowe. Funkcje lipidów w organizmie: zapasowa, magazynowanie energii niezbędnej do podtrzymania procesów życiowych, budulcowa (tworzą błony biologiczne i osłonki mielinowe; w skórze pełnią rolę spoiwa - tzw. cement międzykomórkowy, który łączy komórki warstwy rogowej), regulacyjna (hormony sterydowe, witamina A i D, kwasy żółciowe), ochronna (woski pokrywające liści i owoce; lipidy w skórze ludzkiej stanowią skuteczną zaporę dla wody oraz zabezpieczenie całego organizmu przed wnikaniem obcych substancji z zewnątrz, tkanka tłuszczowa wokół narządów utrzymuje je w stałym położeniu), izolacyjna (izolatory termiczne - tłuszczowa warstwa podskórna utrzymuje temperaturę ciała, chroni przed nadmiernym wydzielaniem ciepła, pozwala na adaptację w niskiej temperaturze; izolatory elektryczne - pozwalają na szybkie rozprzestrzenianie się fal depolaryzacyjnych wzdłuż włókien nerwowych), biorą udział w przesyłaniu sygnałów. Najbardziej rozpowszechnionymi w przyrodzie lipidami są fosfolipidy (glicerofosfolipidy oraz sfingofosfolipidy). Znajdują się one w każdej komórce, w szczególnie dużym stężeniu występują w tkankach nerwowych oraz błonie komórkowej. Większość lipidów stosowanych w codziennym życiu pochodzi z dojrzałych nasion roślin oleistych. Glicerofosfolipidy są pochodnymi kwasu glicerofosforowego, który powstaje przez połączenie jednej cząsteczki gliceryny z jedną cząsteczką kwasu orto-fosforowego. Estryfikacja kwasami tłuszczowymi pozostałych dwóch grup hydroksylowych reszty glicerynowej (I- i II-rzędowej) prowadzi do powstania kwasu fosfatydowego (fosfatydu,,2-diacyloglicerolo--fosforanu). ołączenie jednej z wolnych grup hydroksylowych reszty fosforanowej fosfatydu ze związkiem o charakterze polarnym, także wiązaniem estrowym, daje glicerofosfolipid: fosfatydyloetanoloaminę estryfikacja z etanoloaminą, fosfatydylocholinę (lecytynę) połączenie z choliną, fosfatydyloserynę estryfikacja z seryną, fosfatydyloinozytol połączenie z inozytolem.
hemia organiczna + N 2 2 2 fosfatydyloetanoloamina 2 N 2 2 fosfatydyloseryna 2 fosfatydyloinozytol 2 2 Najbardziej rozpowszechnionym fosfolipidem jest lecytyna, po raz pierwszy wyizolowana i scharakteryzowana przez francuskiego chemika i farmaceutę Teodora Gobley a w roku 845. N + - fosfatydylocholina (LEYTYNA) Lecytyna jest żółtawą masą o woskowatym wyglądzie i charakterystycznym zapachu. Surowcem do produkcji lecytyny (i innych fosfolipidów) są rośliny oleiste soja, rzepak i słonecznik, bogatym jej źródłem jest także żółtko jaj kurzych, mleko oraz ryby. W wodzie pęcznieje, rozpuszcza się w eterze, alkoholach, tłuszczach i olejach. Ze względu na strukturę wykazuje właściwości amfifilowe, dzięki czemu jest doskonałym naturalnym emulgatorem, stosowanym zarówno jako składnik kosmetyków czy środków farmaceutycznych jak i dodatek do żywności (lecytynę dodaje się do lodów, czekolady, margaryny, sosów sałatkowych, ponieważ pomaga mieszać tłuszcze z wodą, a przy okazji działa odżywczo). Lecytyna w organizmie człowieka: jest głównym składnikiem błon komórkowych, stanowi rezerwuar choliny, która bierze udział w procesach sygnałowych błon komórkowych oraz przekaźnictwie nerwowym, ułatwia zapamiętywanie i uczenie się, wzmacnia zdolność koncentracji, pomaga w stanach depresyjnych, bierze udział w wielu procesach przemiany materii; wspomaga przenikanie przez błony komórkowe tłuszczów i innych substancji odżywczych, uczestniczy w trawieniu tłuszczu oraz zapobiega jego gromadzeniu się w miejscach niekorzystnych dla zdrowia, chroni ściany żołądka, wzmaga przyswajanie witamin przez organizm oraz wzmacnia efekt ich działania, bierze udział w procesach odpornościowych - podwyższa aktywność grasicy, gruczołu dokrewnego, który reguluje odporność komórkową, wspomaga walkę z toksynami pochodzącymi ze środowiska, usprawnia transport tłuszczu w ścianach tętnic - odgrywa istotną rolę w gospodarce cholesterolem, obniża poziom złego cholesterolu (LDL) oraz podwyższa dobry (DL), zmniejsza ryzyko wystąpienia miażdżycy i związanych z nią chorób naczyniowo-sercowych. W kosmetologii lecytyna ma zastosowanie jako surowiec opóźniający procesy starzenia stosuje się ją w emulsjach przeciwzmarszczkowych, kremach odżywczych, maseczkach oraz kosmetykach do pielęgnacji włosów (nadaje im 2
hemia organiczna połysk). Lecytyna rozmiękcza i odżywia skórę, ułatwia wchłanianie czynnych składników preparatów kosmetycznych. Na skórze tworzy film zabezpieczający przed detergentami. Jej zaletą jest pełna kompatybilność ze skórą ludzką, co może mieć znaczenie w wypadku nadwrażliwości na syntetyczne emulgatory i detergenty. Wadą lecytyny jest wysoka podatność na procesy utleniania, co wynika z dużej zawartości nienasyconych kwasów tłuszczowych w jej cząsteczce. Ze względu na swoją budowę fosfolipidy właściwościami fizycznymi bardziej przypominają detergenty, niż tłuszcze. Z tego samego powodu fosfolipidy są doskonałymi emulgatorami. Jedna część cząsteczki fosfolipidu reszta kwasu fosforowego wraz z przyłączonym związkiem o polarnym charakterze ma właściwości hydrofilowe, druga część reszty kwasów tłuszczowych jest wyraźnie hydrofobowa. Układ taki, określany jako amfifilowy, w specyficzny sposób zachowuje się w wodzie. Na powierzchni wody związki amififilowe tworzą monowarstwę, w której grupy hydrofilowe stykają się z cząsteczkami wody i są przez nie solwatowane, natomiast grupy hydrofobowe wystają ponad powierzchnię wody. Zanurzone w wodzie związki amfifilowe tworzą micele kuliste agregaty cząsteczek, w których hydrofobowe fragmenty są skierowane do wnętrza, natomiast zewnętrzną część miceli stanowią hydratowane grupy hydrofilowe. Większość lipidów w organizmie człowieka jest transportowana właśnie w formie miceli. W roztworach wodnych, w zależności od warunków, fosfolipidy mogą także tworzyć warstwy podwójne oraz liposomy. Lipidowa warstwa podwójna: Lipidowa warstw podwójna o grubości 5 nm, tworzy się samorzutnie, gdy fosfolipidy zostaną wprowadzone do środowiska wodnego. ząsteczki fosfolipidów ustawiają się w taki sposób, że hydrofilowe grupy polarne, hydratowane przez cząsteczki wody, tworzą zewnętrzne części dwuwarstwy, natomiast hydrofobowe łańcuchy reszt kwasów tłuszczowych, skupione siłami van der Waalsa, są skierowane do jej wnętrza. samorzutnie rozprzestrzenia się na powierzchni wody aż do osiągnięcia odpowiedniej grubości, samoistnie dąży do zasklepienia brzegów, tak żeby łańcuchy węglowodorowe były skierowane do wnętrza, samouszczelnia wytworzone przerwy i ubytki. Liposomy pęcherzyki, wielkości 0-000 nm, uformowane z podwójnej warstwy lipidowej. odwójna warstwa lipidowa przyjmuje kształt kuli, pustej w środku, w taki sposób, że grupy hydrofilowe (lipofobowe) są skierowane na zewnątrz i do wewnątrz liposomu - wyściełają jego zewnętrzną powierzchnię oraz wewnętrzną kieszeń. Natomiast reszty hydrofobowe (lipofilowe) fosfolipidów są skierowane do wnętrza membrany. We wnętrzu liposomu można umieszczać roztwory lub zawiesiny wodne różnych substancji (np. proteiny, kolagen, ekstrakty roślinne), w tym także leków lub kwasów nukleinowych. Liposomy możemy podzielić na liposomy naturalne i sztuczne. Z uwagi na wielkość pęcherzyków oraz liczbę warstw otoczki liposomy dzielimy na jednowarstwowe (UV - ang. unilamellar vesicles, rozmiar 0,0 µm) oraz wielowarstwowe (MLV - ang. multillamellar vesicles, rozmiar 0,4 0 µm). Wśród liposomów jednowarstwowych wyróżniamy: małe liposomy jednowarstwowe (SUV - ang. small (or sonicated) unilamellar vesicles), rozmiar 0,02-0,0µm, duże liposomy jednowarstwowe (LUV - ang. large unilameller vesicles), rozmiar 0,05 - µm,
hemia organiczna olbrzymie liposomy jednowarstwowe (GUV - ang. giant unilamellar vesicles), rozmiar > µm. Z kolei liposomy wielowarstwowe można podzielić na: pęcherzyki oligolamelarne (LV - ang. oligolamellar vesicles), rozmiar 0,-µm, liposomy wielopęcherzykowe (MVV - ang. multivesicular vesicles), rozmiar > µm. Najważniejszymi komponentami lipidowymi do otrzymywania liposomów są lecytyny, sfingolipidy oraz lipidy obojętne. d momentu odkrycia liposomów opracowano wiele metod ich otrzymywania. Najprostszy sposób (wg Banghama) polega na rozpuszczaniu składników lipidowych w odpowiedniej ilości rozpuszczalnika organicznego, a następnie odparowaniu rozpuszczalnika w trakcie ręcznego wytrząsania. W wyniku zastosowania tej metody otrzymuje się głównie liposomy wielowarstwowe o różnej wielkości. Inne sposoby otrzymywania liposomów to m.in.: wstrzyknięcie etanolowe (wg Batzri i Korn), wstrzyknięcie eterowe (wg Deamera i Banghama), odparowywanie faz odwróconych oraz otrzymywanie wielowarstwowych liposomów przez dehydratację-rehydratację. Metody te pozwalają otrzymać mieszaninę liposomów jedno- i wielowarstwowych o różnej wielkości. Liposomy jednowarstwowe otrzymuje się z liposomów wielowarstwowych: działaniem ultradźwięków, metodą ekstruzji, homogenizacji, wstrzykiwania eterowych lub etanolowych roztworów lipidów do fazy wodnej. Liposomy wytwarzane sztucznie znajdują zastosowanie głównie w przemyśle farmaceutycznym oraz kosmetycznym, a także w badaniach naukowych, jako model błony biologicznej, gdyż ze względu na swoją budowę mogą służyć do przenoszenia substancji aktywnych, w tym leków, w głąb tkanek. Zamknięcie w fazie wodnej leku o charakterze hydrofilowym umożliwia przekraczanie bariery krew-mózg. Warstwa niepolarna liposomu pomiędzy przestrzeniami w swojej strukturze, oprócz aktywnych lipidów, również może zawierać lipofilowe substancje biologicznie czynne (np. witaminy, olejki eteryczne i inne). Szczególne znaczenie ma to w przypadku leków nierozpuszczalnych w wodzie, sprawiających trudności przy podawaniu dożylnym. Substancja czynna z liposomu zostaje uwolniona na kilka sposobów np. poprzez włączenie do błony komórkowej miejsca docelowego lub na zasadzie fagocytozy - czyli wchłonięcia do wnętrza komórki. owierzchnię liposomów można modyfikować przez pokrycie jej różnymi polimerami np. polietylenoglikolem (EG), co może skutkować wydłużeniem okresu półtrwania. Modyfikowane liposomy, zawierające w otoczce białka, antygeny lub inne substancje biologiczne mogą służyć do projektowania leków działających wybiórczo na konkretną tkankę. oprzez modyfikacje powierzchni liposomów można zmienić dostęp rozpuszczalników do wnętrza liposomu oraz zapobiec interakcjom z innymi substancjami czy też wiązaniu przez elementy morfotyczne krwi. Zalety liposomów: łatwo się wchłaniają i są dobrze przyswajalne przez skórę, przywracają spoistość i gładkość naskórka przez łączenie z jego warstwą powierzchniową, umożliwiają transport środków leczniczych, zabezpieczają substancje aktywne przed bezpośrednim działaniem czynników zewnętrznych, enzymów, zwiększając trwałość preparatu leczniczego, pozwalają na stosowanie mniejszych stężeń substancji aktywnych, wolno uwalniają substancje aktywne ze swego wnętrza, co zwiększa szanse bardziej kontrolowanego działania substancji aktywnej. Steroidy są lipidami, których wspólną cechą jest występowanie w ich cząsteczkach szkieletu węglowego w formie czterech sprzężonych pierścieni czyli gonanu (steranu, cyklopentanoperhydrofenantrenu). oszczególne grupy steroidów różnicuje przede wszystkim wzajemny układ (konfiguracja cis/trans) skondensowanych pierścieni A/B, B/, stopień nienasycenia, rodzaj i długość łańcuchów bocznych znajdujących się w pozycjach 0, i 7 oraz obecność i położenie grup funkcyjnych takich jak hydroksylowa czy karbonylowa. rawie we wszystkich steroidach podstawnikami R i R 2 są grupy metylowe. 2 R 2 R 2 7 D 6 R 9 4 0 8 5 A B 7 5 4 6 Struktura gonanu wraz z oznaczeniem pierścieni i numeracją atomów 4
hemia organiczna W steroidach pierścienie A/B mogą być ustawione wobec siebie w konfiguracji cis, takie steroidy określono jako normalne z racji tego, że zostały odkryte jako pierwsze. Natomiast steroidy zawierające pierścienie A/B w układzie trans są określane jako allo (inny). odział steroidów ze względu na układ A/B i rozmiary łańcuchów R: R 2 R R szkielet normalny R 2 R R szkielet allo R R 2 R Nazwa układu A/B cis (nomalny) A/B trans (allo) testan androstan estran 2 pregnan allopregnan ( ) 2 2 cholan allocholan ( )( 2 ) ( ) 2 koprostan cholestan Ważną grupę steroidów stanowią sterole, które w pozycji posiadają grupę hydroksylową (-). Sterole mają szkielet cholestanu (A/B trans) lub koprostanu (A/B cis), różnią się także obecnością i położeniem podwójnych wiązań w pierścieniu B oraz w łańcuchu bocznym R, a także budową tego łańcucha. Typowym sterolem, pochodzenia zwierzęcego jest cholesterol; jego odpowiednikiem w świecie roślinnym jest ergosterol (wiązania podwójne pomiędzy 5-6 i 7-8, R = -( )-=-( )-( )- ). ząsteczka cholesterolu ma strukturę cholestanu (układ 2 pierścieni A/B trans, allo) i posiada jedno wiązanie podwójne 27 22 24 pomiędzy 5 i 6 atomem węgla. bie grupy metylowe znajdują się w 8 20 2 25 pozycjach aksjalnych wobec płaszczyzny pierścieni, natomiast grupa 2 7 26 hydroksylowa zajmuje pozycję ekwatorialną (położenie β). Stąd 9 6 9 4 5 inna nazwa cholesterolu to β-cholest-5-en--ol. ząsteczka 2 0 8 cholesterolu posiada aż 8 asymetrycznych atomów węgla, są to 5 7 holesterol 4 6 atomy znajdujące się w układzie cyklicznym oznaczone numerami, 8, 9, 0,, 4, 7 oraz atom węgla łańcucha R oznaczony (S,8S,9S,0R,R,4S,7R)-0,-dimetylo-7-[(2R) numerem 20. Teoretycznie cząsteczka cholesterolu powinna -6-metyloheptan-2-ylo]-2,,4,7,8,9,,2,4,5,6,7- posiadać 256 (2 8 ) izomerów optycznych, jednakże jako cząsteczka dodekahydro--cyklopenta[a]fenantren--ol pochodzenia naturalnego występuje tylko w jednej formie. holesterol nie rozpuszcza się w wodzie, trudno w alkoholu etylowym, dobrze w rozpuszczalnikach organicznych o niskiej lub średniej polarności (węglowodory i ich chlorowcopochodne, octan etylu, tetrahydrofuran, dioksan, aceton). Do celów przemysłowych pozyskiwany jest przez ekstrakcję zmydlonych tkanek zwierzęcych oraz z wełny owczej (właściwie z lanoliny - wosku pozyskiwanego z wełny). holesterol ulega tym reakcjom chemicznym, jakim ulegają grupy funkcyjne, które cząsteczka cholesterolu posiada. Może więc reagować jak alken biorąc udział w reakcji addycji elektrofilowej (uwodornienie do cholestanolu, przyłączenie bromu, przyłączenie l itp.). becność grupy hydroksylowej (II-rzędowej) sprawia, że cholesterol może ulec utlenieniu do ketonu, dając cholest-5-en--on, może też tworzyć estry poprzez połączenie z różnymi grupami acylowymi. holesterol i jego pochodne znajdują się w każdej komórce ssaków. W stanie wolnym lub w postaci estrów występuje w błonie komórkowej, gdzie stabilizuje ją i decyduje o wielu jej własnościach, stanowi naturalną barierę ochronną, redukuje przepuszczalność dla kationów wodoru i sodu. holesterol występuje w podskórnej tkance tłuszczowej, w nerkach i innych narządach, w wątrobie jest substratem do syntezy m.in. kwasów żółciowych i hormonów płciowych, w tkankach nerwowych wchodzi w skład otoczki mielinowej, stanowiąc ok. 5% suchej masy mózgu. Krąży we krwi w postaci lipoprotein, w stanach patologicznych tworzy złogi w postaci kamieni żółciowych albo płytki miażdżycowej odkładającej się na ścianach tętnic. 5