Rozdział 9 LIPIDY I I PRZEMIANA 9.1. gólna charakterystyka i klasyfikacja lipidów Do lipidów należą naturalne pochodne wyższych kwasów tłuszczowych ulegające przemianom w żywych organizmach. Są nierozpuszczalne w wodzie, a rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak: benzen, eter naftowy, eter siarkowy, aceton, chloroform, dwusiarczek węgla, alkohole metylowy i etylowy. d nazwy jednej z grup lipidów, czyli tłuszczów (z grec. lipos tłuszcz), pochodzi określenie stosowane dla całej klasy związków, przy czym ich różnorodność chemiczna wymaga osobnej charakterystyki dla każdej z nich. Większość lipidów i ich pochodnych należy do estrów specyficznych alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych. W zależności od składu i budowy chemicznej oraz funkcji, jakie pełnią w organizmie, związki te można klasyfikować następująco: 1. Lipidy proste, dwuskładnikowe, są estrami wyższych kwasów tłuszczowych i gliceryny lub wyższych, albo policyklicznych alkoholi. Należą do nich: tłuszcze (trójglicerydy) estry wyższych kwasów tłuszczowych i trójwodorotlenowego alkoholu gliceryny; woski estry wyższych kwasów tłuszczowych i wyższych alkoholi; sterydy estry wyższych kwasów tłuszczowych i policyklicznych alkoholi steroli. 2. Lipidy złożone, wieloskładnikowe, których komponenty są związkami o różnorodnej naturze chemicznej. Należą do nich: fosfolipidy, składające się z reszt wyższych kwasów tłuszczowych, gliceryny lub innych wielowodorotlenowych alkoholi oraz kwasu fosforowego i zasad azotowych; glikolipidy, zawierające w swoim składzie wraz z alkoholem wielowodorotlenowym i wyższym kwasem tłuszczowym także węglowodany. W ostatnim czasie zidentyfikowano dwie dodatkowe grupy związków, w składzie których występują zarówno lipidy proste, jak i złożone. Są to: lipidy diolowe etery i estry dwu- i wielowodorotlenowych alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych, zawierające dodatkowo kwas fosforowy, zasady azotowe i węglowodany; ornitynolipidy, zbudowane z reszt wyższych kwasów tłuszczowych, aminokwasu ornityny lub lizyny i w niektórych przypadkach alkoholu dwuwodorotlenowego. Lipidy proste i złożone łatwo ulegają zmydlaniu, jednak w całkowitej frakcji lipidowej, otrzymanej po ekstrakcji rozpuszczalnikami organicznymi, zawsze obecne są substancje o rozpuszczalności podobnej do lipidów, ale nie zdolne do zmydlania, w związku z czym nazywane są niezmydlającą się frakcją lipidów. W jej
304 Podstawy biochemii skład wchodzą wolne wyższe kwasy tłuszczowe, wyższe alkohole i alkohole policykliczne (sterole), pochodne steroli (sterydy), witaminy rozpuszczalne w tłuszczach oraz wyższe pochodne węglowodorów nasyconych. Według niektórych autorów niezmydlająca się frakcja lipidów powinna posiadać niezależną pozycję systematyczną w całej klasie związków. Wydaje się jednak, że nie ma wystarczających podstaw dla takiego rozszerzenia ich klasyfikacji. Z substancji wymienionych powyżej, tłuszcze, sterydy, fosfolipidy i lipidy diolowe charakteryzuje powszechne występowanie oraz znaczący udział w budowie struktur komórkowych i w procesach biochemicznych. Woski, natomiast ze względu na ograniczony charakter występowania, reprezentują grupę związków o mniejszym znaczeniu. Glikolipidy do czasu odnalezienia ich w chloroplastach, uważane były za swoiste tylko dla tkanki nerwowej. rnitynolipidy spotykane są w komórkach mikroorganizmów. Z wieloma związkami, szczególnie z makrocząsteczkowymi białkami i węglowodanami, lipidy tworzą kompleksy spełniające szereg ważnych funkcji biochemicznych. Kompleksy lipoproteinowe wchodzą w skład błon cytoplazmatycznych struktur komórek eukariotycznych oraz błon komórek bakterii. Przykładowo, w jądrach komórkowych lipidy stanowią ok. 15% suchej masy substancji, ok. 20% w mitochondriach, ok. 30% w retikulum endoplazmatycznym i ok. 10% w hialoplazmie, w której w ich składzie przewagę stanowią trójglicerydy (ok. 70%), podczas gdy pozostałe struktury komórkowe w ponad 90% zawierają fosfolipidy, sterydy i glikolipidy. Powszechnie znana jest aktywność lipidów, a szczególnie tłuszczów, jako substratów dla reakcji utleniania, dostarczających organizmowi energii. W następstwie rozpadu 1 g tłuszczu do 2 i 2, wydzielonych zostaje 38,9 kj energii, podczas gdy z przemiany 1 g węglowodanów lub białek uzyskiwanych jest tylko 16,1 kj. Utlenianie lipidów jest także źródłem metabolitów niezbędnych do syntezy innych związków. Istotną funkcją tych związków jest ich udział w tworzeniu podstawowego zrębu strukturalnego w postaci podwójnych warstw lipidowych błon niemalże wszystkich rodzajów komórek. Podwójna warstwa lipidowa tworzy najistotniejszą część błony, stanowiąc 15-50% jej suchej masy. Wymienione funkcje lipidów: energetyczna, zapasowa, strukturalna i metaboliczna, otrzymały nazwę kanonicznych. Udział lipidów w funkcjonowaniu i strukturze aparatu błonowego komórki wiąże ponadto tę grupę związków z wieloma ważnymi biologiczne procesami, takimi jak: regulacja aktywności szeregu hormonów i enzymów (obecnie znanych jest kilkaset enzymów zależnych od lipidów), transport metabolitów i makrocząsteczek, kontrola reakcji utleniania i przemian energii, związek z replikacją DNA i jej aktywnością matrycową, kompartmentalizacja procesów przemiany materii związana z tworzeniem struktur membranowych (chloroplastów, mitochondriów), udział we wzajemnych oddziaływaniach międzykomórkowych (szczególnie w embrio- i ontogenezie), zapewnienie pamięci molekularnej i piktograficznego mechanizmu zapisu informacji. Powyższe funkcje lipidów określa się jako niekanoniczne.
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 305 Właściwości błon komórkowych jako nadrzędnych systemów regulacji metabolizmu oraz konformacyjne przebudowy związane ze zmianą ich lepkości zależne są od udziału różnego rodzaju związków lipidowych, ich stopnia utleniania, a także transportu między- i wewnątrzmembranowego. Wszystkie wymienione zjawiska mają istotne znaczenie dla zrozumienia prawidłowości funkcjonowania organizmu, dlatego biochemia błon komórkowych stopniowo przekształca się w biologię membran, która wyjaśnia szereg fundamentalnych prawidłowości rozwoju organizmów. 9.2. Lipidy proste Tłuszcze. Tłuszcze są związkami szeroko rozprzestrzenionymi w przyrodzie. Wchodzą w skład organizmu człowieka, zwierząt, roślin, bakterii, a także niektórych wirusów. Ich zawartość w niektórych tkankach i organach sięga 90%. Termin określający tę grupę związków używany jest w dwóch znaczeniach. W pierwszym, powszechnym substancje zaliczane do tłuszczów, takie jak np. tłuszcz wołowy czy masło śmietankowe, nie są określonymi związkami chemicznymi, a stanowią wieloskładnikowe mieszaniny różnych trójglicerydów wolnych wyższych kwasów tłuszczowych, barwników, związków aromatycznych, a niekiedy także i struktur komórkowych. W tym sensie tłuszcz jest pojęciem o charakterze morfologicznym lub technologicznym. Tłuszcze roślinne przyjęto nazywać olejami, natomiast morfologicznie wyodrębnione tłuszcze zwierzęce łojem. Spośród ponad 600 różnych rodzajów tłuszczów 420 jest pochodzenia roślinnego, 80 wyizolowano z tkanek zwierząt lądowych i ponad 100 z organizmów zamieszkujących zbiorniki wodne. Biorąc pod uwagę skład chemiczny, pod pojęciem tłuszcze należy rozumieć ściśle określone związki będące estrami wyższych kwasów tłuszczowych i trójwodorotlenowego alkoholu gliceryny, w związku z czym określa się je jako trójglicerydy. Naturalne trójglicerydy obejmują ponad 500 kwasów organicznych, wśród których dużą część stanowią związki z resztami wyższych kwasów jednokarboksylowych, zawierających 16 i więcej atomów węgla w cząsteczce. harakteryzują się obecnością w rodniku węglowodorowym podwójnych wiązań i grup hydroksylowych. W tabeli 9.1 podano listę kwasów najczęściej spotykanych w składzie tłuszczów wraz z wzorami i odpowiadającą im temperaturą topnienia. Z danych zamieszczonych w tabeli 9.1 wynika, że w składzie naturalnych tłuszczów początkowo identyfikowano niemalże tylko kwasy o parzystej liczbie atomów węgla w cząsteczce. Jedynie kwas izowalerianowy, odkryty w tłuszczu wątroby delfina, posiadał nieparzystą liczbę atomów węgla i rozgałęziony łańcuch.
306 Podstawy biochemii Tabela 9.1. Niektóre kwasy monokarboksylowe wyizolowane z tłuszczów naturalnych Nazwa kwasu i wzór Kwasy nasycone Masłowy 3(2)2 Izowalerianowy (3)22 Kapronowy 3(2)4 Kaprylowy 3(2)6 Kaprynowy 3(2)8 Laurynowy 3(2)10 Mirystynowy 3(2)12 Palmitynowy 3(2)14 Stearynowy 3(2)16 Arachidyowy 3(2)18 Begenowy 3(2)20 Lignocerynowy 3(2)22 erotynowy 3(2)24 Kwasy nienasycone z jednym wiązaniem = Palmitooleinowy 3(2)5=(2)7 leinowy 3(2)7=(2)7 Erukowy 3(2)7=(2)11 Nerwonowy cis-3(2)7=(2)13 Kwasy z kilkoma wiązaniami = Linolowy 3(2)3(2=2)2(2)7 Linolenowy 3(2=2)3(2)7 Arachidonowy 3(2)4(2=2)4(2)2 Kwasy z wiązaniem Tararynowy 3(2)10 (2)4 Kwasy cykliczne ydnokapronowy Temperatura topnienia, o -5,3-51,0-4,0 +16,0 +31,3 +43,5 +54,4 +62,9 +69,6 +75,4 +80,0 +84,2 +87,7 cis- +0,5 trans- +31,0 cis- +16,0 cis- +33,5 trans- +60,0 cis- +40,5 trans- +60,5 cis- -43,0 trans- -13,0-75,0-49,5 +50,0 +59,4 Przez kogo i kiedy został odkryty Schevralet (1820) Schevralet (1817) Schevralet (1820) Lerch (1844) Schevralet (1820) Marsson (1842) Plaifar (1841) Schevralet (1816) Schevralet (1816) Gessman (1854) Folker (1848) Gell i German (1880) Brodi (1848) Gofshtadter (1854) Schevralet (1815) Derbi (1849) umoto (1927) Sakk (1844) Khazura (1887) hartli (1909) Arnaud (1892) Pauer (1904) zalmugrowy ( 2 ) 10 +68,3 Moss (1879) ( 2 ) 12 cis- od +5,0 do +16,0 Saalmuller (1848) hromatograficzne metody rozdzielania (chromatografia cienkowarstwowa i gazowa) i badania struktury (spektroskopia w podczerwieni) wyższych kwasów tłuszczowych pozwoliły na wykrycie w składzie naturalnych tłuszczów szeregu ich nowych przedstawicieli, m.in. o budowie cyklicznej z nieparzystą liczbą atomów węgla i rozgałęzionym szkieletem węglowym. Związki te znacząco obniżają temperaturę topnienia tłuszczów, a ponadto posiadają właściwości bakteriobójcze i bakteriostatyczne oraz wysoką specyficzność w odniesieniu do danego rodzaju
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 307 substancji. Jednym z ich przedstawicieli jest kwas mykolowy, otrzymany z komórek bakterii powodujących gruźlicę: 25 51 2 ( 6 13 )()()( 16 33 )( 24 49 ) Najczęściej i w największym udziale w składzie naturalnych tłuszczów występuje kwas oleinowy (ponad 30%) i palmitynowy (15-50%), w związku z czym oba rodzaje związków zaliczane są do kategorii głównych kwasów tłuszczowych. Pozostałe kwasy tłuszczowe występują w naturalnych tłuszczach z reguły w ilości nie przekraczającej kilku procent i tylko w niektórych rodzajach tłuszczów naturalnych ich zawartość jest mierzona w dziesiątkach procentów. Na przykład kwas masłowy i kapronowy spotykany jest w tłuszczach pochodzenia zwierzęcego, a kwas kaptylowy i kaprynowy w oleju roślin kokosowych. Dużą zawartość kwasu laurynowego obserwuje się w oleju laurowym, kwasu mirystynowego w oleju orzecha muszkatołowego, a kwasów: arachinowego, begenowego oraz lignocerynowego w oleju arachidowym i sojowym. Polienowe, wyższe kwasy tłuszczowe, takie jak linolowy i linolenowy, stanowią podstawowy składnik oleju lnianego, konopnego, słonecznikowego, oleju otrzymywanego z bawełny oraz innych olejów roślinnych. Kwas stearynowy znajduje się w znacznej ilości (25% i więcej) w niektórych stałych tłuszczach zwierzęcych (izolowanych ze zwierząt, takich jak baran i wół) i w olejach roślin tropikalnych (olej kokosowy). Tłuszcze pochodzenia roślinnego i zwierzęcego różnią się określonymi właściwościami. Tłuszcze zwierzęce charakteryzują się większą różnorodnością budujących je wyższych kwasów tłuszczowych, wśród których przeważają kwasy zawierające 20-24 atomów węgla w cząsteczce. W składzie tłuszczów roślinnych około 90% stanowią nienasycone wyższe kwasy tłuszczowe, podczas gdy z nasyconych tylko kwas palmitynowy występuje w ilości 10-15%. Trójglicyrydy są związkami o budowie prostej lub złożonej. Pierwsze z nich są estrami gliceryny i jednego z wyższych kwasów tłuszczowych, np: 2 ( 2 ) 14 3 2 ( 2 ) 7 ( 2 ) 7 3 ( 2 ) 14 3 ( 2 ) 7 ( 2 ) 7 3 2 ( 2 ) 14 3 2 ( 2 ) 7 ( 2 ) 7 3 Trójpalmityna Trójoleina Drugie zbudowane są z reszt gliceryny i wyższych kwasów tłuszczowych różnego pochodzenia: 2 ( 2 ) 14 3 2 ( 2 ) 14 3 2 ( 2 ) 16 ( 2 ) 7 3 ( 2 ) 7 3 2 ( 2 ) 16 ( 2 ) 16 3 3 Palmitylostearylooleina Palmitylodistearyna
308 Podstawy biochemii W tłuszczach naturalnych, stanowiących mieszaniny różnych trójglicerydów, występuje nieznaczna ilość trójglicerydów prostych, podczas gdy zawartość trójglicerydów złożonych może być bardzo wysoka. Na przykład z 8 różnych trójglicerydów odnalezionych w słoninie tylko 1% przypada na trójpalmitynę i 3% na trójoleinę. Pozostałych 6 trójglicerydów tłuszczu słoniny stanowią związki o charakterze złożonym, wśród których przeważają palmitylodioleina (53%) oraz palmitylo-stearylooleina (27%). W oleju kokosowym i palmowym zidentyfikowano stearylo- i oleodipalmitynę, mirystodipalmitynę, mirystodilaurynę, palmitylodimirystyrynę oraz laurodimirystynę. Niezależnie więc od źródła pochodzenia czy miejsca występowania tłuszcze naturalne są zawsze złożonymi mieszaninami różnych trójglicerydów. Właściwości fizyczne trójglicerydów zależne są od budowy chemicznej wyższych kwasów tłuszczowych wchodzących w skład ich cząsteczek. Zależność ta uwidacznia się sczególnie w trakcie analiz wartości temperatur topnienia poszczególnych trójglicerydów. Jeżeli w ich składzie przewagę stanowią nasycone kwasy tłuszczowe, wówczas posiadają one stałą konsystencję. Jeżeli natomiast wyższy jest udział nienasyconych kwasów tłuszczowych, o niskich temperaturach topnienia, to w normalnych warunkach trójgliceryd jest cieczą. Podobną zależność obserwuje się w przypadku tłuszczów naturalnych. W obecności trójglicerydów nasyconych wchodzących w skład tłuszczów temperatura ich topnienia jest wysoka, w przypadku trójglicerydów nienasyconych niska. Tłuszcz izolowany z tkanek baranów ma temperaturę topnienia średnio o 10 o wyższą od pochodzącego z tkanek świni ze względu na różny udział palmitylodioleiny (odpowiednio 46% i 53%) i większy oleodipalmityny (odpowiednio 13% i 5%). Niska temperatura topnienia wielu olejów roślinnych odpowiada zwiększonej zawartości kwasów nienasyconych w składzie ich trójglicerydów. Na przykład trójglicerydy ciekłego oleju słonecznikowego w normalnych warunkach (T top = - 21 o ) zawierają 39% kwasu oleinowego i 46% kwasu linolowego, podczas gdy stałe masło kakaowe (T top = 30-34 o ), zawiera 35% kwasu palmitynowego i 40% kwasu stearynowego. Trójglicerydy tworzą izomery optyczne i geometryczne w związku z występowaniem w reszcie gliceryny asymetrycznego atomu węgla oraz jednego lub kilku podwójnych wiązań = w rodnikach reszt kwasowych. Liczne kombinacje pojawiające się w wyniku przestawienia grup acylowych w trójglicerydach złożonych, dają początek rodzinom izomerów strukturalnych. harakterystyczne jest, że nienasycone wyższe kwasy tłuszczowe wystepują w cząsteczkach trójglicerydów z reguły w pozycji cis, nadając im określony kształt (rys. 9.1).
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 309 Rys. 9.1. Struktura i kształt cząsteczki trójglicerydu W ten sposób dochodzi do potencjalnej możliwości występowania dużej ilości specyficznych form cząsteczek trójglicerydów. Jednak w związku z brakiem dostatecznej wiedzy na temat izomerii przestrzennej i specyficzności tłuszczów nie jest znany faktyczny zasięg ich różnorodności. Woski. Stanowią one grupę lipidów prostych, które są estrami wyższych alkoholi i wyższych kwasów jednokarboksylowych. Prócz wspomnianych estrów, naturalne woski zawierają niewielką ilość wolnych wyższych alkoholi i wyższych kwasów, węglowodory o nieparzystej liczbie atomów węgla (27-33) oraz substancje barwne i aromatyczne, których ogólna ilość dochodzi do 50%. Woski, pełniące przede wszystkim funkcje ochronne, spotykane są zarówno w organizamch zwierzęcych, jak i roślinnych. U roślin pokrywają cienką warstwą liście, łodygi i owoce, chroniąc je przed szkodliwym działaniem m.in. wody i mikroorganizmów. d jakości pokrywającego wosku zależy na przykład czas przechowywania owoców. Powłoka wosku pszczelego ochrania warstwy miodu i rozwijające się larwy pszczół. Inny rodzaj wosku, tj. lanolina zwierząt, jest substancją zabezpieczającą włosy i skórę przed niepożądanym wpływem wody. Wszystkie woski to ciała stałe o barwie w zależności od pochodzenia, najczęściej żółtej lub zielonkawej, o temperaturze topnienia wynoszącej 30-90 o. W tabeli 9.2 przedstawiono przykłady niektórych z kilkudziesięciu wyższych kwasów tłuszczowych i alkoholi wchodzących w skład wosków w stanie wolnym lub w formie zestryfikowanej.
310 Podstawy biochemii Tabela 9.2. Kwasy tłuszczowe i alkohole wchodzące w skład wosków Składnik Wzór chemiczny Źródło Kwasy Palmitynowy Lignocerynowy erotynowy Montanowy Melisionowy Lacerynowy Alkohole etylowy erylowy Montanowy Mirycylowy 3(2)14 3(2)22 3(2)24 3(2)26 3(2)28 3(2)30 3(2)142 3(2)242 3(2)262 3(2)282 Pszczeli wosk, spermacet Wosk roślin motylkowych Pszczeli wosk, wosk wszystkich liści oraz owoców Spermacet Pszczeli wosk Pszczeli wosk, wosk wszystkich liści oraz owoców Zarówno wosk pszczeli, jak i pokrywający powierzchnię liści i owoców roślin zawiera alkohole i kwasy tłuszczowe o 32 i 34 atomach węgla w cząsteczce. Składnikiem jednego z rodzajów wosku japońskiego są wyższe kwasy dwukarboksylowe, a w tłuszczu ryb i wielorybów wykryto wyższe alkohole nienasycone, takie jak np. alkohol oleilowy. Nienasycone kwasy tłuszczowe występują w woskach stosunkowo rzadko. Spermacet to wosk pochodzenia zwierzęcego, uzyskiwany z oleju spermacetowego jam czaszkowych kaszalota na drodze wymrażania i tłoczenia. Ponad 90% jego zawartości stanowi palmitynian cetylu o wzorze 3 ( 2 ) 14 2 ( 2 ) 14 3. Spermacet ma stałą konsystencję i temperaturę topnienia w zakresie 41-49 o. Frakcja uzyskiwana po oddzieleniu spermacetu od oleju spermacetowego kaszalota jest woskiem stanowiącym ciekłą mieszaninę estru oleino-olejowego ( 3 ( 2 ) 7 =( 2 ) 7 2 ( 2 ) 7 =( 2 ) 7 3 ) z estrami, w skład których wchodzą kwas oleinowy lub alkohol olejowy. Wosk pszczeli, oprócz występującego w przeważającej ilości estru palmitylomirycylowego ( 3 ( 2 ) 14 2 ( 2 ) 28 3 ), zawiera także do 13,5% wolnych wyższych kwasów tłuszczowych i do 12,5% węglowodorów. Temperatura topnienia wosku pszczelego jest równa 62-70 o. Wosk brazylijskiej palmy opernicia cerifera, nazywany również woskiem karnauba, składa się głównie z estru cyrotylomirycylowego ( 3 ( 2 ) 24 2 ( 2 ) 28 3 ). Jest to substancja koloru żółtoszarego, która pokrywając liście palmy zabezpiecza je przed utratą wilgoci. Ekstrakcja rozpuszczalnikami organicznymi węgla brunatnego lub torfu pozwala na wydzielenie wosku montana o temperaturze topnienia 72-74 o, w skład którego wchodzą kwas montanowy i jego estry. W odróżnieniu od tłuszczów woski charakteryzują się większą odpornością na działanie światła, utleniaczy, na nagrzewanie i działanie innych czynników fizycznych, natomiast trudniej ulegają hydrolizie. Znane są przypadki dużej trwałości tych substancji, np. zdolności wosku pszczelego do utrzymywania się w nie zmie-
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 311 nionej formie nawet przez tysiąclecia. Między innymi właśnie dlatego woski mogą pełnić w organizmach funkcję ochronną. Sterydy. Dużą grupę lipidów prostych stanowią sterydy, czyli estry cyklicznych alkoholi (steroli) i wyższych kwasów tłuszczowych. Tworzą one zmydlającą się frakcję lipidów. Znacznie szerzej jednak niż sterydy rozpowszechniona jest frakcja niezmydlajacych się wolnych steroli i ich związków pokrewnych. W organizmie człowieka tylko 10% steroli występuje w formie zestryfikowanej, wchodząc w skład sterydów, natomiast pozostałe 90% występuje w stanie wolnym i tworzy niezmydlającą się frakcję. Poziom steroli i sterydów jest różny w zależności od tkanki lub płynu ustrojowego organizmu. Podczas gdy w wątrobie ich udział jest porównywalny, to w żółci występują tylko wolne sterole. Podstawą budowy cząsteczki steroli jest cykliczne ugrupowanie atomów, składające się ze zredukowanego fenantrenu, tzw. perhydrofenantrenu i cyklopentanu, tworzące związek zwany cyklopentanoperhydrofenantrenem lub steranem. Steran posiadający łańcuch boczny zbudowany z atomów węgla oraz dwie grupy 3 ułożone przy 10 i 13 atomie węgla pierścieni cyklicznych, nazywany jest cholestanem: 2 3 1 10 5 11 9 12 8 7 13 14 15 17 16 2 19 3 1 10 4 6 A B 3 5 7 26 25 27 4 6 yklopentanoperhydrofenantren 3 3 holestan W węglowodorach atomy węgla oznaczane są zgodnie z zasadą przyjętą dla fenantrenu (atomy węgla 1-14), następnie w czwartym pierścieniu (15-17) i w końcu w łańcuchach bocznych. Pierścienie cykliczne przyjęto oznaczać dużymi literami alfabetu łacińskiego. Ulegając utlenieniu przy 3 w pierścieniu A, cholestan przekształca się w policykliczny alkohol cholestanol, który daje początek klasie steroli: 11 9 12 8 18 3 3 13 14 D 15 17 16 21 20 24 22 23 3 3 3 3 3 holestanol
312 Podstawy biochemii W naturalnych warunkach sterole nie powstają jednak podczas redukcji fenantrenu, a syntetyzowane są drogą cyklizacji z prekursorów poliizoprenoidowych. harakterystyczny układ pierścieni cholestanolu odtwarzany jest we wszystkich sterolach z nieznacznymi zmianami. Sprowadzają się one albo do utworzenia podwójnego wiązania = pomiędzy atomami węgla 5-6 i 7-8 pierścienia B lub atomami węgla 22-23 łańcucha bocznego, albo też do włączenia w pozycję 24 w łańcuchu bocznym rodnika 3 ; = 2 ; - 2 5 ; =- 3. Poniżej podano wzory najważniejszych naturalnych steroli: 3 3 3 3 3 3 3 3 holesterol 3 3 3 Ergosterol 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Stigmasterol 2 5 3 3 3 3 Sitosterol 3 3 3 3 Fukosterol holesterol (grec. hole żółć) jest głównym sterolem zwierząt i człowieka, zalicznym do grupy zoosteroli. Ergosterol występuje u grzybów. Sitosterol i stigmasterol to fitosterole typowe dla roślin, z których pierwszy spotykany jest, np. w oleju sojowym, a drugi w oleju zarodków ziaren pszenicy. Fukosterol występuje u brunatnic. becność określonego sterolu jest specyficzna dla danej klasy lub rodziny zwierząt albo roślin. Przykładem mogą być gąbki, zawierające szereg unikalnych steroli z 28 i 29 atomami węgla w cząsteczce, oraz gwiazdy morskie i strzykwy ze specyficznymi stellasterolami. Zależność pomiędzy stopniem skomplikowania budowy organizmu a różnorodnością charakterystycznych dla niego steroli jest odwrotnie proporcjonalna. U organizmów prymitywnych odnajdywanych jest wiele przedstawicieli tych związków, podczas gdy u człowieka występuje
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 313 tylko jeden, tzn. cholesterol. becnie znanych jest ponad 60 zoosteroli i około 140 fitosteroli. harakterystyczną cechą steroli jest obecność ich izomerów konformacyjnych. Przykładem odmiany izomerycznej cholesterolu jest koprostanol, posiadający odmienne ułożenie przestrzenne pierścieni cyklicznych A i B: A 3 3 8 17 B holestanol D 3 3 Analizując wzory cholestanolu i koprostanolu można zauważyć, że w przypadku pierwszego pierścienie A i B ułożone są względem siebie w pozycji trans-, a w przypadku drugiego w położeniu cis-. holestanol obecny jest w niewielkiej ilości w tkankach zwierząt, odpowiednio do dużego udziału cholesterolu, który w postaci zredukowanej jako koprostanol wydalany jest z organizmu i w takiej formie wykrywany w ekskrementach zwierząt. harakterystyczną cechą naturalnych izomerów konformacyjnych steroli jest występowanie po tej samej stronie pierścienia grupy przy atomie węgla 3 i grupy 3 przy atomie węgla 10. Taką konformację oznacza się jako β, podczas gdy przeciwną do niej jako α. Sterole są związkami krystalicznymi, dobrze rozpuszczalnymi w chloroformie, eterze siarkowym i gorącym alkoholu, praktycznie nie rozpuszczalne w wodzie i odporne na działanie czynników hydrolizujących. W organizmach zwierzęcych, ulegając utlenieniu, dają początek grupie pochodnych, mających ogólną nazwę steroidów. Należy do nich szereg związków, a wśród nich wymienione poniżej. Kwasy cholowe to ważniejsze składniki żółci, zapewniające prawidłowe wchłanianie kwasów tłuszczowych w jelicie ludzi i zwierząt. Estradiol i testosteron to odpowiednio żeński i męski hormon płciowy. Estry zoo- i fitosteroli i wyższych kwasów tłuszczowych tworzą grupę zmydlających się substancji, czyli sterydów: A B Koprostanol D 8 17
314 Podstawy biochemii Z wyższych kwasów tłuszczowych w skład sterydów wchodzą przede wszystkim kwas palmitynowy, stearynowy i oleinowy. Jednak w sterydach reprezentujących główny składnik lanoliny, stanowiącej frakcję tłuszczową wełny owiec, wykrywane są kwasy mirystynowy, arachidonowy oraz cerotynowy, a także specyficzne wyższe kwasy tłuszczowe z rozgałęzionym łańcuchem węglowym, takie jak np. kwas lanopalmitynowy i lanostearynowy. Wszystkie sterydy i sterole (grec. stereos stały) są stałymi, bezbarwnymi substancjami, występującymi w organizmach zwierzęcych w kompleksach z białkami, zadaniem których jest transport steroli, steroidów i sterydów oraz udział w budowie błon biologicznych. Wraz ze zwiększeniem zawartości steroli i sterydów we frakcji lipidowej zmniejsza się przepuszczalność, ruchliwość oraz aktywność szeregu enzymów błon komórkowych, a wzrasta ich lepkość. Sterydy i sterole regulują również inne procesy zachodzące w organizmie. kreślone pochodne tych związków są substancjami sprzyjającymi rozwojowi nowotworów, podczas gdy inne, takie jak testosteronpropionian, stosowane są w leczeniu niektórych rodzajów tych schorzeń. Duży udział sterydów i steroli w składzie tkanki nerwowej człowieka i zwierząt sprawia, że ich znaczenie i funkcje są aktywnie badane.
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 315 9.3. Lipidy złożone Fosfolipidy to estry alkoholi wielowodorotlenowych i wyższych kwasów tłuszczowych, zawierające reszty kwasu fosforowego i związane z nimi dodatkowe ugrupowania azotowe, aminokwasowe, lub alkoholowe, np. gliceryny czy inozytolu. prócz gliceryny alkoholami wchodzącymi w skład fosfolipidów są mioinozytol oraz sfingozyna, w związku z czym można je podzielić na trzy grupy: glicerofosfolipidy, inozytofosfolipidy oraz sfingofosfolipidy. 3 ( 2 ) 12 2 N 2 Mioinozytol (optycznie nieczynna mezoforma; linią przerywaną oznaczona oś symetrii) Stingozyna (trans-1,3-dihydroksy- 2-amino-oktadecen-4 ) Glicerofosfolipidy, pochodne kwasu fosfatydowego, nazywane są fosfatydami, natomiast inozynofosfolipidy, fosfoinozytydami. Z wyższych kwasów tłuszczowych w cząsteczkach fosfolipidów spotykane są kwasy palmitynowy, stearynowy, linolowy, linolenowy oraz arachidowy, a także lignocerynowy, nerwonowy i inne (zob. tabela 9.1). W zależności od rodzaju fosfolipidu w budowie jego cząsteczki biorą udział jedna lub dwie reszty wyższego kwasu tłuszczowego. W fosfolipidach kwas fosforowy występuje z reguły w postaci pojedynczej cząsteczki, natomiast dwie lub więcej jego reszt zawierają niektóre rodzaje inozynofosfolipidów. Z rożnorodnych składowych azotowych fosfolipidów najczęściej spotykane są etanolamina, cholina oraz seryna. Budowa chemiczna fosfolipdów wskazuje na obecność w ich cząsteczkach fragmentów niezdolnych do oddziaływania z cząsteczkami rozpuszczalnika. Węglowodorowy rodnik reszt wyższych kwasów tłuszczowych ma charakter hydrofobowy, a reszty kwasu fosforowego i zasady azotowe zdolne do jonizacji, są hydrofilowe. Dzięki tej właściwości fosfolipidy wchodzące w skład błon komórkowych nadają tym strukturom jednostronną, ograniczoną przepuszczalność. Fosfolipidy to tłuszczopodobne ciała stałe. Bezbarwne, ale szybko ciemniejące pod wpływem utleniającego działania powietrza, w wyniku rozerwania podwójnych wiązań =, wchodzących w ich skład nienasyconych kwasów tłuszczowych. Dobrze rozpuszczalne w benzenie, eterze naftowym, chloroformie, a w alkoholu, acetonie i w eterze etylowym zależnie od grupy, do której należą. Nie rozpuszczają się w wodzie, tworząc trwałe emulsje, lub w niektórych przypadkach roztwory koloidalne.
316 Podstawy biochemii Fosfolipidy zostały wykryte w organizmach roślinnych i zwierzęcych, szczególnie w dużej ilości w tkance nerwowej kręgowców. Poziom fosfolipidów w układzie nerwowym bezkręgowców jest o 2-3 razy niższy. rganami o dużej zawartości fosfolipidów są nasiona roślin, serce i wątroba zwierząt oraz jaja ptaków. Specyficzne związki fosfolipidowe wystepują u mikroorganizmów. Fosfolipidy łatwo wchodzą w kompleksy z białkami i w postaci fosfolipoprotein obecne są we wszystkich komórkach organizmów żywych jako składniki błony komórkowej oraz systemów błon wewnątrzkomórkowych. Glicerofosfolipidy (lub fosfatydy) są estrami gliceryny i kwasu fosforowego, reszta którego połączona jest z zasadą azotową. Są pochodnymi kwasu fosfatydowego, skąd też określa się je jako fosfolipidy: 2 2 P W zależności od charakteru zasady azotowej wśród fosfatydów wyróżnia się fosfatydylocholinę (lecytynę), fosfatydylokolaminę (kefalinę), fosfatydyloserynę oraz fosfatydylotreoninę: R R Kwas fosfatydowy 2 ( 2 ) 14 3 2 ( 2 ) 22 3 ( 2 ) 7 ( 2 ) 7 3 ( 2 ) 7 ( 2 ) 7 3 2 2 3 P - 2 N + P - N + Fosfatydyloseryna Fosfatydylotreonina
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 317 2 ( 2 ) 14 3 ( 2 ) 16 3 2 ( 2 ) 14 ( 2 ) 16 3 3 2 P - 3 2 2 N + 3 3 2 P 2 2 N + - Lecytyna (fosfatydylocholina) Kefalina (fosfatydylokolamina) Z wymienionych związków fosfatydowych najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie są lecytyny. Trzy pierwsze rodzaje fosfatydów zawierające azot różnią się tylko składem zasad azotowych i mogą ulegać wzajemnym przekształceniom, według nastepującego schematu: Dekarbo Metylo 2 ()N 2 ( 2 ) 2 N 2 [ 2 ( 3 ) 2 N + ( 3 ) 3 ] - ksylowanie wanie Seryna Kolamina holina (etanolamina) Fosfatydy, które zostały odkryte stosunkowo niedawno, nie zawierają zasady azotowej, a jej miejsce w cząsteczce zajmuje gliceryna oraz jej pochodne: 2 2 R R' 2 P 2 2 2 R R' P 2 2 P 2 2 R'' R''' Fosfatydylogliceryna Difosfatydylogliceryna (kardiolipina) Fosfatydylogliceryna jest istotnym składnikiem chloroplastów, w niewielkiej ilości występuje także w komórkach bakterii i w tkankach zwierząt. Kardiolipina jest składnikiem błon mitochondrialnych, szczególnie w komórkach mięśnia sercowego, a ponadto wykrywana jest w komórkach bakterii i roślin. Fosfatydylogliceryna i kardiolipina, ulegając aminoacylowaniu z udziałem reszty gliceryny, tworzą aminoacylofosfatydylo- oraz aminoacylodifosfatydyloglicerydy, zwane także kwasami lipaminowymi, stanowiącymi w chloroplastach rezerwę aminokwasów dla biosyntezy białek. W związku z obecnością asymetrycznego atomu węgla 2 reszty gliceryny fosfatydy są optycznie czynne i występują w postaci odmian stereoiozomerycznych. harakterystyczna jest też dla nich izomeria warunkowana zamianą położenia reszt wyższych kwasów tłuszczowych z pozycji α na β lub odwrotnie. Fosfolipidy inozytolowe należą do grupy fosfolipidów. Intensywne badania dotyczące syntezy chemicznej tych związków pozwoliły na poznanie ich budowy
318 Podstawy biochemii w ciągu ostatnich 10-15 lat. ząsteczka monofosfoinozynianu, najprostszego z przedstawicieli tej grupy, zbudowana jest następująco: P 2 Można zauważyć, że cząsteczka monofosfoinozynianu ma budowę podobną do cząsteczki fosfatydu z tą różnicą, że zasada azotowa jest zastąpiona resztą alkoholową inozytolu. W cząsteczce fosfatydyloinozytolu wszystkie reszty kwasu fosforowego związane są z resztą inozytolu. Związki tego typu zostały wyizolowane z mózgu oraz otrzymane na drodze syntetycznej. Szczególnie dużą zawartością fosfatydyloinozytolu charakteryzują się błony włókien nerwowych rdzenia kręgowego. Szybkość przemiany grup fosforanowych fosfoinozytolodifosforanów jest znacznie większa od szybkości podobnych przemian innych fosfolipidów. Dzięki obecności zdolnych do dysocjacji grup fosforanowych, fosfoinozytylodifosforany umożliwiają przepływ jonów przez błony biologiczne, stanowiąc element wtórnych przekaźników, ulegających odszczepieniu w odpowiedzi m.in. na sygnały hormonalne. Wiele z nich zawiera w swoim składzie węglowodany, aminy, aminokwasy i sfingozynę. Sfingofosfolipidy, w odróżnieniu od wyżej wymienionych fosfatydów i fosfolipidów inozytolowych, zawierają resztę wyższego kwasu tłuszczowego połączoną wiązaniem peptydowym z grupą aminową aminoalkoholu, zwanego sfingozyną: R' 2 R 3 ( 2 ) 12 * 3 ( 2 ) 22 N * 2 P 2-2 N + 3 3 3 Sfingolipid Pozostałymi składnikami są kwas fosforowy i cholina, połączone ze sobą tak jak w przypadku fosfatydów. W związkach tych wykrywane są w znacznych ilościach kwasy lingocerynowy i nerwonowy, rzadko występujące w pozostałych grupach fosfolipidów.
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 319 Pomimo że związki zaliczane do tej grupy fosfolipidów charakterystyczne są dla organizmów zwierzęcych, mają one także swoich przedstawicieli u roślin. Jednym z nich jest wyizolowany z ziarna kukurydzianego aminoalkohol odpowiadający sfingozynie: 3 ( 2 ) 13 ()()(N 2 ) 2 Fitosfingozyna Wykryty został on także w komórkach drożdży i grzybów, a ponadto w mózgu i nerkach człowieka. Fakt ten wskazuje na możliwość występowania analogicznych fosfolipidów w organizmach roślin i zwierząt. Sfingofosfolipidy nie rozpuszczają się w eterze etylowym i dlatego pod wpływem jego działania mogą być oddzielane od fosfatydów. harakteryzuje je także ograniczona rozpuszczalność w acetonie i większa od fosfatydów odporność na działanie utleniaczy. ząsteczki sfingolipidów posiadają charakterystyczne konfiguracje przestrzenne warunkowane obecnością dwóch asymetrycznych atomów węgla, co wiąże się z możliwością występowania izomerii optycznej oraz izomerii cis-trans w miejscu podwójnego wiązania. Specyfika sfingolipidów zależy także od wchodzącego w ich skład wyższego kwasu tłuszczowego, którym w sfingolopidach mózgu jest kwas nerwonowy. Glikolipidy są drugą grupą lipidów złożonych, których polarna reszta mono- lub oligosacharydu (glukozy, galaktozy, glukozaminy, galaktozaminy ich N-acylowych pochodnych) poprzez resztę gliceryny lub sfingozyny łączy się z niepolarnymi rodnikami wyższych kwasów tłuszczowych (palmitynowego, stearynowego, oleinowego, lignoserynowego, nerwonowego, cerebronowego) wiązaniem glikozydowym i estrowym. Przykładami takich związków są monogalaktozylogliceryna i cerebron (od. łac. cerebrum mózg) odpowiednio: 3 ( 2 ) 12 2 R 3 ( 2 ) 21 N 2 2 R' 2 2 Monogalaktozylodiacylogliceryna (gliceroglikolipid) erebron (glikosfingolipid)
320 Podstawy biochemii Gliceroglikolipidy i glikosfingolipidy są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Na szczególną uwagę zasługują globozydy, glikosfingolipidy zawierające oligosacharydowy komponent: 3 ( 2 ) 12 R N 2 N 3 2 2 2 2 N-acetylo-Gal-β-1 3-Gal-α-1 4-Gal-β-1 4-Glu-β-1 1-ceramid Ponad 110 znanym globo-, lakto- i gangliosfingolipidom przypisuje się funkcje regulatorów wzrostu, rozwoju i różnicowania komórek oraz markerów transformacji komórek prawidłowych w nowotworowe. Uczestniczą one ponadto w tworzeniu układu blastomerów podczas segmentacji jaja i oddziałują z toksynami białkowymi. Udowodniono także ich aktywność w procesach recepcji hormonów, czynników wzrostowych i leukinów, w regulacji wzrostu oraz specjalizacji komórek, są także immunomodulatorami. Lipidy diolowe. W naturalnych lipidach wiązania estrowe pomiędzy resztami wyższych kwasów tłuszczowych a kwasem fosforowym wraz z wiązaniami eterowymi reszt wyższych alkoholi i węglowodanów mogą tworzyć alkohole dwuwodorotlenowe, tzw. etanodiole, a także propanodiole, butanodiole oraz pentanodiole. Związki takie nazywane są lipidami diolowymi. W komórkach roślin, zwierząt i mikroorganizmów występują w charakterze dodatkowego składnika frakcji lipidowej lub, jak w przypadku morskich bezkręgowców i ryb, stanowią główną frakcję lipidów zapasowych. Są też strukturalnymi elementami błon siateczki śródplazmatycznej. Nie zostały zidentyfikowane w mitochondriach. harakteryzuje je wyższe tempo przemian w porównaniu z lipidami zawierającymi glicerynę. Znanych jest 9 grup lipidów diolowych, wyizolowanych z różnych organizmów. rnitynolipidy. Pierwsze wzmianki o istnieniu tego rodzaju lipidów pochodzą z roku 1963. W ciągu dwóch następnych dziesięcioleci opisano strukturę i prawdopodobne funkcje wielu z ich przedstawicieli.
Rozdział 9. Lipidy i ich przemiana 321 rnitynolipidy są związkami specyficznymi dla mikroorganizmów. Stałymi składnikami ich cząsteczek są wyższe β-hydoksykwasy tłuszczowe, aminokwasy ornityna lub lizyna, a ponadto reszta glikolu etylenowego lub 1,3-propanodiolu. Najczęściej spotykane ornitynolipidy zbudowane są według następującego wzoru: R(R) 2 N[( 2 ) 3 N 2 ], gdzie R alkil ( 11 15 ) Reszta wyższego Reszta ornityny β-hydroksykwasu tłuszczowego rnitynolipidy bakteryjne mogą przejmować funkcję fosfatydyloetanoloaminy jako strukturalnego elementu błon cytoplazmatycznych, szczególnie w przypadku niedoboru fosforanów. 9.4. Przemiana lipidów Przemiana tłuszczów (trójglicerydów). Pierwszą fazą przemiany tłuszczów (trójglicerydów) jest ich hydroliza, w rezultacie której uwalniana jest gliceryna i wyższe kwasy tłuszczowe. Reakcję hydrolizy trójglicerydów katalizuje hydrolaza estrów gliceryny, tzw. lipaza. ydroliza trójglicerydów ma przebieg wielostopniowy. Początkowo rozpadowi ulegają dwa zewnętrzne α-wiązania estrowe. Równania tej reakcji przedstawiono w rozdziale 3. W ten sposób pod wpływem działania lipazy trzustki (M = 48.000, monomer) dochodzi w jelicie do hydrolizy trójglicerydów. β-monoglicerydy są akumulowane w ścianie jelita, gdzie mogą ulegać powtórnej syntezie w trójglicerydy, albo rozpadają się pod wpływem niespecyficznych esteraz katalizujących reakcje hydrolizy estrów drugorzędowych alkoholi. Przykładem może być hydroliza β-monoglicerydu w obecności aliesterazy: 2 2 Aliesteraza 15 31 + 2 + 15 31 (karboksyloesteraza) 2 2 β-monogliceryd Glicerol Kwas palmitynowy Lipazom występującym w nasionach i organach wegetatywnych roślin nie przypisuje się specyficzności w odniesieniu do określonych α- i β-glicerydów, podobnie jak monomerowi o masie cząsteczkowej 55.000 Da, zawierającemu 7% węglowodanów, który występuje w komórkach drożdży i również ma zdolność rozrywania wiązań α i β. Wśród różnorodnych form lipaz znajdujących się w komórkach grzybów wyróżnia się lipazy proste, katalizujące uwalnianie wyższych kwasów tłuszczowych z wolnych trójglicerydów, oraz lipazy lipoproteinylowe, biorące udział w reakcji hydrolizy lipidów związanych z białkami.