WYŻSZA SZKOŁA INŻYNIERII BEZPIECZEŃSTWA I
EKOLOGII W SOSNOWCU
LIPIDY
LIPIDY
BUDOWA I METABOLIZM
BUDOWA I METABOLIZM
WYŻSZA SZKOŁA INŻYNIERII BEZPIECZEŃSTWA I
EKOLOGII W SOSNOWCU
LIPIDY
LIPIDY
BUDOWA I METABOLIZM
BUDOWA I METABOLIZM
Lipidy
są
heterogenną
grupą
nierozpuszczalnych
w
wodzie
( hydrofobowych ) związków organicznych ,
które mogą być eksrtahowane z tkanek przy
użyciu rozpuszczalników niepolarnych. Z
powodu ich nierozpuszczalności w środowisku
wodnym rozmieszczenie lipidów w organizmie
jest bardzo nierównomierne.
Lipidy są głównym źródłem energii dla
organizmu ludzkiego. W organizmie ludzkim
najobficiej występującymi lipidami są kwasy
tłuszczowe,
ascyloglicerole,
fosfolipidy,
sfinogolipidy oraz cholesterol i jego liczne
pochodne.
arachidowy
stearynowy
palmitynowy
arachidonowy
3
erukowy
erukowy
oleinowy
oleinowy
linolowy
linolowy
linolenow
linolenow
y
y
Kwasy tłuszczowe składają się z łańcucha
węglowodorowego
zakończonego
grupą
karboksylową . W fizjologicznym pH grupa ta
występuje w postaci zjonizowanej (-COO-),
kwas tłuszczowy , którego grupa –COOH
została pozbawiona fragmentu –OH nosi
nazwę reszty acylowej lub grupy acylowej.
Ze względu na obecność wiązania podwójnego
nienasycone kwasy tłuszczowe mogą występować
w dwóch formach stereoizomerycznych: cis i trans
5
Kwas oleinowy Kwas elaidynowy
Nasycone kwasy tłuszczowe to kwasy tłuszczowe
nie zawierające podwójnych wiązań w cząsteczce.
W warunkach normalnych są zwykle białymi
ciałami stałymi. Kwasy zawierające w łańcuchu
więcej niż 10 atomów węgla są nierozpuszczalne
w wodzie i są nielotne.
7
Nazwa
zwyczajowa
kwasu
Nazwa
systematyczna
kwasu
Symbol
kwasu
Wzór
chemiczny
kwasu
Temperatura
topnienia
Masłowy
Butanowy
C 4:0
CH
3
(CH
2
)
2
COOH
- 7,9
Kapronowy
Heksanowy
C 6:0
CH
3
(CH
2
)
4
COOH
- 3,4
Kaprylowy
Oktanowy
C 8:0
CH
3
(CH
2
)
6
COOH
16,7
Kaprylony
Dekanowy
C 10:0
CH
3
(CH
2
)
8
COOH
31,6
Laurynowy
Dodekanowy
C 12:0
CH
3
(CH
2
)
10
COOH
44,2
Mirystynowy
Tetradekanowy
C 14:0
CH
3
(CH
2
)
12
COOH
53,9
Palmitynowy
Heksadekanowy
C 16:0
CH
3
(CH
2
)
14
COOH
63,0
Stearynowy
Oktadekanowy
C 18:0
CH
3
(CH
2
)
16
COOH
69,6
Arachidowy
Eikosanowy
C 20:0
CH
3
(CH
2
)
18
COOH
75,3
Behenowy
Doeikosanowy
C 22:0
CH
3
(CH
2
)
20
COOH
79,9
Nienasycone kwasy tłuszczowe są to kwasy
tłuszczowe zawierające wiązania podwójne. Są
one z reguły bezbarwnymi cieczami. W
większości z nich wszystkie wiązania podwójne
są w pozycji cis, a po każdym wiązaniu
podwójnym następuje 3n (gdzie n = 1, 2, 3...)
atomów węgla.
Wśród nienasyconych kwasów tłuszczowych
wyróżnia się grupę wielonienasyconych
kwasów tłuszczowych, które, jak sama nazwa
wskazuje, zawierają więcej niż jedno wiązanie
podwójne. Są one niezbędnym elementem
diety człowieka (stanowią grupę tzw. witamin
F, inaczej egzogenne lub niezbędne kwasy
tłuszczowe), gdyż są nam potrzebne do
tworzenia
ważnych
związków
(np.
prostaglandyn), a nie są syntezowane przez
nasze organizmy (mogą je syntezować
jedynie rośliny).
Nazwa
zwyczajowa
kwasu
Nazwa
systematyczna
kwasu
Nazwa
skrótowa
kwasu
Wzór chemiczny kwasu
Tetradecenowy
9 – tetradecenowy
14:1 9
CH
3
(CH
2
)
3
CH=CH(CH
2
)
7
COOH
Oleinowy
9 – oktadecenowy
18:1 9
18:1 (n-9)
CH
3
(CH
2
)
7
CH=CH(CH
2
)
7
COOH
Eikosenowy
9 - eikosenowy
20:1 9
CH
3
(CH
2
)
9
CH=CH(CH
2
)
7
COOH
Erukowy
13 - doeikosenowy
22:1 13
CH
3
(CH
2
)
7
CH=CH(CH
2
)
11
COOH
Nerwonowy
15 - tetraeikosenowy
24:1 15
CH
3
(CH
2
)
7
CH=CH(CH
2
)
13
COOH
Linolowy
9,12 -
oktadekadienowy
18:2 9,12
18:2 (n-9)
CH
3
CH(CH=CHCH
2
)
3
(CH
2
)
6
COOH
Linolenowy
9,12,15 -
oktadekatrienowy
18:3 9,12,15
18:3 (n-3)
CH
3
CH
2
(CH=CHCH
2
)
3
(CH
2
)
6
COOH
Eikosatrienowy
5,8,11 - eikosatrienowy
20:3 5,8,11
20:3 (n-9)
CH
3
(CH
2
)
7
(CH=CHCH
2
)
3
(CH
2
)
2
COOH
Arachidonowy
5,8,11,14 -
eikosatetraenowy
20:4
5,8,11,14
20:4 (n-6)
CH
3
(CH
2
)
4
(CH=CHCH
2
)
4
(CH
2
)
2
COOH
10
kwas a-linolenowy -
C18:3;9,12,15
kwas linolowy – C 18:2;9,12
11
Kwasy w-3 i w-6
nie mogą być syntetyzowane w
organizmie
muszą być dostarczone z
pożywieniem
Występują w:
olejach roslinnych
olejach z ryb
ze względu na budowę chemiczną należą do estrów
składnik alkoholowy – glicerol
składnik kwasowy – jednokarboksylowe wyższe
kwasy tłuszczowe
najczęściej są to mieszaniny triacylogliceroli różnych
kwasów tłuszczowych
12
W acyloglicerolach drugorzędowa grupa hydroksylowa położona jest
po lewej stronie atomu wegla
Do oznakowania pozycji kwasów tłuszczowych stosuje się system
numeracji stereospecyficznej (sn), umieszczając przedrostek –sn przed
nazwą reszty glicerolowej, np. 1,2,3 – triacylo-sn-glicerol
13
H
2
C – OH C 1 sn-1
HO – C – H C 2 sn-2
H
2
C – OH C 3 sn-3
Glicerol
triacyloglicerol
O
O H
2
C – O – C – R
1
R
2
– C – O – C – H
H
2
C – O – C – R
3
O
Węglowodany nie są jedynym substratem w szeregu
reakcji określanych jako oddychanie komórkowe.
Miejscem łączącym utlenianie kwasów tłuszczowych
z ogólnymi szlakami oddychania komórkowego jest
cykl Krebsa, do którego kwasy tłuszczowe włączane
są jako acetylo-CoA Aby mogło do tego dojść, lipidy
przechodzą szereg reakcji określanych jako β-
oksydacja,
której
ostatecznym
efektem
jest
wytworzenie acetylo-CoA.
Proces utleniania lipidów pełniących funkcję materiałów
zapasowych – triacylogliceroli – rozpoczyna się od ich
hydrolizy. Reakcja ta przeprowadzana jest przez lipazy. W
efekcie procesu hydrolizy triacylogliceroli – lipolizy –
powstają kwasy tłuszczowe oraz glicerol. Alkohol ten ulega
fosforylacji przeprowadzanej przez kinazę glicerolową ze
zużyciem
cząsteczki
ATP.
Powstały
3-fosfoglicerol
przekształcany
jest
przez
dehydrogenazę
glicerolofosforanową do fosfodihydroksyacetonu. Podczas
dehydrohenacji redukcji ulega jedna cząsteczka NAD
+
.
Powstały fosfodihydroksyaceton jest jednym z metabolitów
glikolizy, w którą jest włączany.
Acylo-CoA utleniany jest w kilku cyklicznych reakcjach.
Pierwszą z nich przeprowadza dehydrogenaza acylo-CoA.
Podczas tej reakcji redukowany jest także FAD stanowiący
grupę prostetyczną dehydrogenazy acylo-CoA. Enzym ten,
podobnie jak kompleks II łańcucha oddechowego,
zlokalizowany jest na wewnętrznej stronie wewnętrznej
błony mitochondrialnej. Reakcję przeprowadza hydrataza
enoilo-CoA , określana także jako krotonaza lub hydroliaza
3-hydroksyacylo-CoA. W reakcji uwodnienia powstaje L-3-
hydroksyacylo-CoA
utleniany
następnie
przez
dehydrogenazę L-3-hydroksyacylo-CoA do 3-ketoacylo-CoA.
Schemat przebiegu β-oksydacji. 1 –
syntaza acylo-CoA, 2 –
dehydrogenaza acylo-CoA, 3 –
hydrataza enoilo-CoA, 4 –
dehydrogenaza L-3-hydroksyacylo-
CoA, 5 – β-ketoliaza.
W przypadku kwasów tłuszczowych o nieparzystej
liczbie atomów węgla ostatecznie nie powstają
jedynie cząsteczki acetylo-CoA, lecz ostani fragment
(propionylo-CoA) posiada trzy atomy węgla. Może on
być włączony do cyklu Krebsa dopiero po
przekształceniu do bursztynylo-CoA – intermediatu
uczestniczącego w cyklu. Propionylo-CoA ulega
karboksylacji przeprowadzanej przez karboksylazę
propionylo-CoA . W wyniku tej reakcji zużyty zostaje
jon
wodorowęglanowy
HCO
3–
,
a
jednocześnie
cząsteczka ATP hydrolizowana jest do ADP. Powstaje
D-metylomalonylo-CoA ulegający racemizacji do L-
metylomalonylo-CoA, który przekształcany jest do
bursztynylo-CoA przez mutazę metylomalonylo-CoA
.
Nieco bardziej skomplikowana jest β-oksydacja
kwasów tłuszczowych nienasyconych. Obecność
wiązania podwójnego między atomami węgla C3 i C4
zatrzymuje reakcje β-oksydacji. Kontynuację procesu
umożliwia przesunięcie wiązania podwójnego w
łańcuchu kwasu tłuszczowego przez enzym określany
nazwą izomeraza, który zmienia podwójne wiązanie
cis-Δ³ w trans-Δ². W przypadku kwasów tłuszczowych
wielonienasyconych konieczne jest zredukowanie
2,4-dienoilowego
związku
pośredniego
przez
reduktazę
2,4-dienoilo-CoA
z
wykorzystaniem
NADPH
+
jako reduktora, co prowadzi do likwidacji
wiązania podwójnego w nieodpowiedniej pozycji.
Biosynteza kwasów tłuszczowych odbywa się w
cytoplazmie
komórek
tłuszczowych
(adipocyty,
lipocyty). Do procesu potrzebny jest acetylokoenzym
A, który powstaje w wyniku katabolizmu glukozy przy
udziale dehydrogenazy pirogronianowej. W biosyntezie
kwasów tłuszczowych wyróżnić można kilka etapów:
1. Aktywacja acetylokoenzmu A przez karboksylazę do malonylo-
koenzymu A w obecności ATP i witaminy H, czyli biotyny. Zatem
acetylokoenzym A ulega karboksylacji do malonylokoenzymu A
(malonylo-CoA).
2. Synteza kwasów tłuszczowych na kompleksie enzymatycznym –
syntetazie kwasów tłuszczowych. W skład syntetazy (kompleksu
enzymatycznego) wchodzi ACP (Acyl Carrier Protein). ACP przenosi
acyle, czyli produkty pośrednie. ACP zawiera z kolei panteteinę
(układ 4’fosforanu panteteiny). Tworzony kwas tłuszczowy jest
związany kowalencyjnie z enzymem. Reszta butylowa lub reszta
acetylowa jest przeniesiona na ACP. Następnie dochodzi do
połączenia reszty malonylowej pochodzącej z malonylo-koenzymu
A (malonylo-CoA) z resztą acetylową, powstaje 4-węglowa
cząsteczka acetoacetylo-S-ACP. Zatem zachodzi kondensacja
reszty acetylowej z resztą malonylową. Wydzielony wówczas jest
CO
2
i HS-ACP. CO
2
jest uwolniony w wyniku działania syntazy 3-
oksoacylo-ACP. Przemiany te można zaliczyć do etapu startowego i
etapu kondensacji.
3. Etap redukcji odbywa się przy udziale NADPH i
reduktazy 3-oksoacylo-ACP. Dochodzi do redukcji
grupy –okso. Powstaje reszta beta-hydroksyacylowa,
która poddana jest dehydratacji przy udziale
dehydratazy 3-hydroksy-ACP. Powstaje reszta alfa,
beta-dehydro-acylowa,
która
zostaje
poddana
redukcji (chodzi o wiązanie podwójne) przy udziale
NADPH i reduktazy enoilo-ACP. Powstaje 4-węglowy
rodnik butyrylowy. W następnym obrocie reakcji
powstaje kolejna jego cząsteczka, przy czym reszta
acylowa z wcześniej wytworzonego rodnika jest
przeniesiona na tę następna, wydzielony jest
wówczas dwutlenek węgla i powstaje reszta beta-
ketoacylowa. Ta znów podlega kondensacji z kolejną.
W ten sposób tworzony kwas ulega wydłużaniu do
odpowiedniej masy.
4.Uwalnianie gotowego łańcucha kwasy
tłuszczowego odbywa się przy pomocy
deacylazy. Odłącza ona kwas od HS-ACP, z
którym był połączony, o czym wspomniano
na początku.
CH
3
CO ~ S-CoA + 7HOOC-CH
2
CO~S-
CoA + 14 NADPH + 14 H
+
CH
3
(CH
2
)
14
CO~S-CoA + 7 CO
2
+ 7 HS-
CoA + 14 NADP
+
+ 6H
2
O
Biosynteza triacylogliceroli zachodzi w
wątrobie, tkance tłuszczowej i w
gruczole mlekowym podczas laktacji.
Proces ten można podzielić na dwa
etapy:
powstawanie glicerolo-3-fosforanu
estryfikacja glicerolu kwasami
tłuszczowymi
Może powstawać na dwa sposoby :
Poprzez fosforylację glicerolu – wolny
glicerol, powstający jako produkt lipolizy w
tkance tłuszczowej, transportowany jest do
wątroby gdzie pod działaniem kinazy
glicerolowej jest przetwarzany na glicerolo-
3-fosforan
W wyniku redukcji fosfodihydroksyacetonu -
będącego
metabolitem
pośrednim
glikolizy,powstającego w reakcji rozpadu
fruktozo-1,6-bis-fosforanu,
katalizowanego
przez aldolazę. Jest redukowany przez
dehydrogenazę glicerolo-3-fosforanową do
glicerolo-3-fosforanu.
Olicerolo-3-fosforan
jest
estryfikowany
dwiema resztami kwasów tłuszczowych,
pochodzą cymi z 2 cząsteczek acylo~S-CoA.
Proces
ten
jest
katalizowany
przez
acylotransferazę
glice-rolo-3-fosforanową.
Powstaje kwas fosfatydowy. Jest to ester
glicerolu, w którym jedna grupa -OH jest
zestryfikowana kwasem fosforowym, a dwie
pozostałe grupy -OH kwasami tłuszczowymi
Kwas fosfatydowy jest substratem dla
fosfatazy
fosfatydynowej.
Enzym
ten
odłącza
resztę
fosforanową.
Powstaje
diacyloglicerol i uwalnia się fosforan
nieorganiczny.
Diacyloglicerol,
pod
działaniem
ucylotransferazy
diacyloglicerolowej, wiąże trzecią resztę
kwasu
tłuszczowego,
tworząc
triacyloglicerol
Triacyloglicerole,
syntetyzowane
w
komórkach
tłuszczowych,
są
przechowywane w cytoso-lu jako zapasowy
materiał
energetyczny.
Natomiast
większość triacylogliceroli powstających w
wątrobie wbudowuje się do kompleksów
lipoproteinowych, przechodzą one do krwi i
są transportowane do innych tkanek.
Zdolność
komórek
tłuszczowych
do
biosyntezy
tri acylogliceroli
zależy
od
dostępności
fosfodihydroksyacetonu,
będącego pośrednim metabolitem glikolizy,
która pozostaje pod kontrolą insuliny. Przy
niedoborze tego hormonu zdolność adi-
pocytów do pobierania i przetwarzania
glukozy jest drastycznie ograniczona.
Skutkuje
to
zmniejszeniem
syntezy
triacylogliceroli w tych komórkach.
Są to trzy drobnocząsteczkowe związki,
powstałe z reszt acetylowych, aceton,
acetooctan i β-hydroksymaślan. Powstają w
wątrobie, natomiast są zużywane, jako
substraty,
energetyczne
w
innych
narządach. W warunkach zdrowia i przy
prawidłowym
odżywianiu
ilość
ciał
ketonowych jest znikomo mała. Narasta
natomiast w okresie głodu i u chorych na
cukrzycę
spowodowaną
niedoborem
insuliny.
Aceton jest zawarty w niewielkich ilościach w
krwi i moczu. Większe od normy jego stężenie
pojawia się w organizmie przy zaawansowanej
i nieleczonej cukrzycy.
Ciała ketonowe są alternatywnym produktem
utleniania wolnych kwasów tłuszczowych w
wątrobie, a proces ich powstawania określa
się terminem ketogeneza. Stężenie ciał
ketonowych w surowicy u zdrowych osób nie
przekracza 0,2 mmol/l. Mózg, serce i mięśnie
potrafią wykorzystywać je jako materiał
energetyczny,
ale
w
prawidłowych
warunkach,
głównym
wykorzystywanym
materiałem jest glukoza.
W pewnych warunkach metabolicznych
dochodzi do zwiększenia produkcji ciał
ketonowych. Najczęściej zachodzi to w
cukrzycy przy znacznym niedoborze insuliny
i może prowadzić do ketonemii i kwasicy
ketonowej,
a
w
zaawansowanych
przypadkach
ketonowej
śpiączki
cukrzycowej. Stwierdzono, że nadmierne
stężenie ciał ketonowych we krwi jest
spowodowane
raczej
zwiększoną
ich
produkcją niż zmniejszoną przemianą w
tkankach pozawątrobowych.
Ciata
ketonowe,
powstające
w
mitochondriach
wątroby,
nie
są
przetwarzane w tym narządzie. Przenikają
do krwi. Aceton jest nieprzydatny w
metabolizmie i zostaje wydalony, głównie
dro gą
nerkową.
Acetooctan
i
p-
hydroksymaśian są wychwytywane przez
mięśnie szkieletowe, mięsień sercowy i korę
nerki.
Fosfolipidy
(inaczej
fosfatydy
lub
fosfotłuszczowce) to lipidy, w których skład
wchodzą: glicerol, kwasy tłuszczowe, kwas
fosforowy związany z zasadą azotową, np.
choliną.
Rys. Ogólny model budowy fosfolipidu
Fosfolipidy stanowią istotny składnik budowy
błony komórkowej. Fosforylacja lipidów do
fosforylowanego kwasu tłuszczowego jest też
początkiem ich aktywacji biologicznej, po
której
następuje
dekarboksylacja
i
dehydrogenacja, które są kolejnymi etapami
procesu spalania tłuszczów w żywych
organizmach. Występują obficie szczególnie
w: tkance nerwowej, wątrobie i krwi.
Charakterystyczną cechą fosfolipidów jest to,
że oprócz reszt kwasów tłuszczowych
występują w nich również reszty kwasu
fosforowego(V).
Wyróżnia
się
glicerofosfolipidy (pochodne glicerolu) i
sfingofosfolipidy
(pochodne
sfingozyny).
Przez
resztę
fosforową
do
rdzenia
glicerofosfolipidowego może być dołączony
inny związek organiczny (np. aminokwas,
amina). Fosfolipidy stanowią główny składnik
lipidowy błon cytoplazmatycznych (np.
fosfatydylocholina, zwana także lecytyną).
Sfingomielina
to
organiczny
związek
chemiczny z bedący tłuszczem złożonym
zbudowanym ze sfingozyny, reszty kwasu
tłuszczowego, reszty fosforanowej i choliny.
Występuje w dużych ilościach w mózgu i
tkance nerwowej.
Organiczne związki chemiczne, lipidy,
których wspólną cechą jest występowanie
w ich cząsteczkach szkieletu węglowego w
formie czterech sprzężonych pierścieni,
czyli steranu
(cyklopentanoperhydrofenantrenu).
Potocznie cholesterolem nazywa się obecne
w osoczu krwi pokrewne substancje lipidowe
– lipoproteiny, w skład których między innymi
wchodzi też cholesterol.
Cholesterol zaliczamy do steroidów. Są to
związki należące do lipidów (cechą łączące
bardzo różne substancje tej grupy jest słaba
rozpuszczalność w wodzie charakteryzująca
też cholesterol umiejscawiający się w
organizmie w lipoproteinach albo błonach
biologicznych
-
w
środowisku
hydrofobowym).
Odgrywa kluczową rolę w wielu procesach
biochemicznych, m.in.: syntezie witaminy D3
oraz hormonów o budowie sterydowej takich
jak kortyzon, progesteron, estrogeny i
testosteron. Jego obecność w błonach
komórek nerwowych mózgu ma duże
znaczenie dla funkcjonowania synaps. Istnieją
też doniesienia, że odgrywa on dużą rolę w
działaniu
systemu
immunologicznego
(odpornościowego).
Schemat steroidogenezy (syntezy hormonów sterydowych)
Żółć jest mieszaniną związków organicznych i
nieorganicznych. Jej głównymi składnikami są
lecytyna
(fosfatydylocliolina)
i
sole
kwasów
żółciowych.
Kwasy żółciowe zawierają 24 atomy węgla. Nie
posiadają wiązań podwójnych.
Kwas chenodeoksycholowy
Kwasy żółciowe są syntetyzowane w
wątrobie
na
drodze
wieloetapowego
procesu, w którym następuje wysycenie
podwójnego wiązania w pierścieniu B,
skrócenie podstawnika w pozycji C
17
o 3
atomy węgla i utlenienie końcowego z
pozostałych
do
grupy
karboksylowej.
Produktami tego procesu są kwas cholowy i
kwas
chenodeoksycholowy,
zwane
pierwotnymi kwasami żółciowymi.
Przed opuszczeniem wątroby kwasy żółciowe
są wiązane z glicyną lub z tauryną poprzez
wiązanie
amidowe
między
grupą
karboksylową kwasu żółciowego a grupą
aminową glicyny lub tauryny. Produkty tych
reakcji noszą nazwę soli kwasów żółciowych,
są
nimi
kwasy:
gliko-cholowy,
glikochenodeoksycholowy, taurocholowy i
taurochenodeoksycholowy.
Sole kwasów żółciowych wydzielone do
światła jelita są absorbowane do krążenia
wrotnego i ponownie wychwytywane przez
komórki wątrobowe. Transport osoczowy
wolnych kwasów żółciowych (podobnie jak
kwasów tłuszczo wych) wymaga udziału
przenośnika białkowego w postaci albuminy, z
którą
kwasy
te
tworzą
rozpuszczalne
kompleksy.
Wątroba przetwarza zarówno pierwotne, jak i
wtórne kwasy żółciowe w ich sole, poprzez
wiązanie glicyny bądź tauryny i ponownie
wydziela je z żółcią. Ten ciągły, wielokrotny
proces sekrecji soli kwasów żółciowych do
żółci, ich pasaż i przemiana w jelicie cienkim,
a następnie powrót do wątroby jest określany
jako krążenie wątrobowo-jeli-towe żółci. W
ciągu doby wątroba wydziela do dwunastnicy
od 15 do 30 g soli kwasów żółciowych. Tylko
znikoma ich część (około 0,5 g) wydala się z
organizmu drogą jelitową. Ubytek ten jest
rekompensowany przez syntezę nowych
kwasów żółciowych.
Daniel Bednarek
Łukasz Bil