Glikozydy to związki zbudowane z części cukrowej - glikonu i z części niecukrowej —
aglikonu (geniny). Są ważne z punktu widzenia leczniczego i biochemicznego. Pod względem chemicznym glikozydy podzielić można następująco:
1. O-glikozydy: grupa wodorotlenowa aglikonu (alkohole, kwasy) połączona jest z węglowodanem:
R-C-OH + H-O-R1
2. N-glikozydy: grupa aminowa aglikonu (I, II-rzędowe aminy)
połączona jest z cukrem:
R-C-OH + H-N-R1, -R2
3. C-glikozydy: połączenie aglikonu (np. alkoholu) z cukrem ma miejsce przez węgiel C:
R-C-OH + H-C-R1, -R2, -R3
4. S-glikozydy: połączenie aglikonu (zawierającego siarkę) z cukrem odbywa się przez siarkę:
R-C-OH + H-S-R1
Na ćwiczeniach będziemy wykruwali glikozydy nasercowe w liściach konwalii (reakcja Kellera-Kilianiego na obecność dezoksycukrów glikozydowych). W konwalii występują głównie glikozydy pochodne strofantydyny (konwalatoksyna, konwalozyd) i strofantydolu (konwalatoksol). Genina jest steroidem z pierścieniem laktonowym. Cukrem (dezoksycukrem) jest ramnoza (cukier prosty w którym co najmniej 1 grupa wodorotlenowa jest zredukowana.
Przetwory z konwalii wykorzystywane są w lecznictwie w niewydolności krążenia pochodzenia sercowego. Działają na mięsień sercowy ino- i tonotropowo dodatnio.
Glikozydy fenolowe dają po hydrolizie aglikon w formie fenolu lub jego pochodnych.
Cukrem jest najczęściej glukoza. Mają charakter słabych kwasów. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie.
1
Stanowią bardzo ważną grupę związków z punktu widzenia biochemicznego i farmakognostycznego. Większość z nich wykazuje właściwości bakteriobójcze, grzybobójcze i wirusobójcze.
Arbutyna C12H16O7 czyli beta-glikozyd hydrochinonu występuje m.in. w mącznicy, borówce, wrzosie, gruszy i kaliny. Od dawna wykorzystywane były właściwości lecznicze tych roślin w chorobach (zakażeniach) układu moczowego. Arbutyna początkowo połączona z kwasem glukuronowym rozpada się w zasadowym moczu do hydrochinonu (i glukozy), który dezynfekuje drogi moczowe.
Salicyna C13H18O7 czyli beta-glikozyd saligeniny C7H8O2 występuje w korze wierzb Salix, kaliny i topoli. W organizmie człowieka ulega utlenieniu do kwasu salicylowego. W topolach Populusobecna jest także populina C20H22O8 - glikozyd saligeniny w połączeniu z kwasem benzoesowym. Oba glikozydy wykazują działanie przeciwgorączkowe, napotne, przeciwzapalne, lekko uspokajające i przeciwbólowe. Zostało to wykorzystane w lecznictwie, jednakże obecnie związki salicylowe (np. acetylosalicylowy kwas, amid kwasu salicylowego, salicylan choliny) otrzymywane są syntetycznie.
Cyjanogeneza.
Cyjanogeneza to zespół procesów zmierzających do syntezy związków cyjanogennych, czyli zawierających grupę cyjanową -CN. W wyniku hydrolizy enzymatycznej lub kwasowej związki te wydzielają cyjanowodór (kwas pruski) HCN. Większość związków cyjanogennych ma charakter glikozydu -nitrylozydu.
Spośród około 50 związków cyjanogennych wytwarzanych przez rośliny, można wymienić: amigdalinę C20H27NO11 (migdały), prunazynę (tarnina, czeremchy, wiśnia, czereśnia), sambunigrynę (bez czarny, bez hebd, bez koralowy), linamarynę C10H17NO3 (lnica, len), lotaustralinę (koniczyna), factor Lathyrus (groszek).
Podczas hydrolizy enzymatycznej (emulsyna) wydziela się najpierw nitryl (cyjanohydryna) i wolna glukoza. Dopiero po tym etapie dochodzi do uwolnienia HCN i wytworzenia ketonu lub aldehydu.
Glikozydy cyjanogenne syntetyzowane są z aminokwasów, np. linamaryna wywodzi się z waliny, a amigdalina - z fenyloalaniny i tyrozyny.
Jak wiadomo cyjanowodór i jego sole należą do najsilniejszych toksyn. Wykazują one silne powinowactwo do układu żelazowo-porfirynowego enzymów oddechowych. Blokują więc funkcję enzymów oddechowych. Cyjanowodór może łączyć się z hemoglobina tworząc cyjanohemoglobinę, niedysocjującą do hemoglobiny.
2
Niektóre zwierzęta gospodarskie narażone na działanie cyjanowodoru pochodzącego z roślin (np. koniczyna, liczne trawy), wykształciły ciekawy mechanizm detoksykacji: CN- + S — enzym rodanaza ——> CNS-Enzym rodanaza przekształca więc jon cyjankowy w tiocyjanian za pomocą siarki odłączonej od kwasu beta-merkaptopirogronowego HSCH2COO2H.
Tę reakcję detoksykującą wykorzystuje się także podczas ratowania zatrutych osób cyjankami. Dożylnie podaje się 50 ml 30% tiosiarczanu sodu. Tiosiarczan (25% roztwór) używany jest również do płukania żołądka w razie zatrucia droga pokarmową: CN- + Na2S2O3 ---> CNS- + Na2SO3
Śmiertelna dawka HCN dla człowieka wynosi około l mg/kg masy ciała.
Lipidy
Lipidy, czyli tłuszczowce (glicerydy) - są to estry glicerolu i wyższych kwasów tłuszczowych. Nie są rozpuszczalne w wodzie, dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych. Kwasy tłuszczowe występujące w tłuszczach zawierają parzystą liczbę atomów węgla. Spośród kwasów tłuszczowych nasyconych należy wymienić kwas palmitynowy (CH3(CH2)14COOH) i stearynowy (CH3(CH2)16COOH. Kwasem
nienasyconym tłuszczów jest najczęściej kwas oleinowy (C17H33COOH), kwas linolowy (C17H31COOH) i linolenowy (C17H29COOH). Ilość i jakość kwasów tłuszczowych budujących dany tłuszcz decydują o jego właściwościach fizykochemicznych. Kwasy nasycone (od C10) tworzą tłuszcze stałe. Kwasy o niższej liczbie atomów węgla (od 4 do 9) i kwasy nienasycone tworzą tłuszcze ciekłe.
Reakcja otrzymania tłuszczu:
C3H5(OH)3 + 3 C17H35COOH ---> C3H5(C17H35COOH)3 + 3 H2O
Estry są pochodnymi kwasów i alkoholi, które uległy reakcji estryfikacji.
Glicerol jest alkoholem trój wodorotlenowym, to znaczy: 1,2,3-propanotriolem.
Estryfikacji mogą ulec wszystkie trzy grupy -OH w glicerolu. Pod wpływem kwasów tłuszcze ulegają hydrolizie do glicerolu i kwasu tłuszczowego. W reakcji z zasadami ulegają 3
zmydleniu: wydzielają się sole kwasów tłuszczowych (mydła). W obecności światła i tlenu ulegają jełczeniu na skutek utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych (w miejscu podwójnych wiązań). Powstanie nadtlenków podczas jełczenia prowadzi do poprzerywania łańcuchowej cząsteczki lipidów i wydzielenia wonnych krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych, aldehydów i ketonów.
Tłuszcze pobierane wraz z pokarmem są trawione przy udziale lipaz. Komórki główne żołądka wydzielają niewielka ilość lipazy mało specyficznej (i mało aktywnej przy tak niskim pH -1,5-2) w stosunku do kwasów tłuszczowych lipidów. Hydrolizuje ona wiązania estrowe. W jelicie aktywnie działa trzustkowa lipaza triacyloglicerolowa (aktywowana przez wapń). Optymalne pH dla tego fermentu wynosi ok. 9.
Trawi tłuszcze do kwasów tłuszczowych, glicerolu, mono-i dwuacylogliceroli. Pod wpływem żółci tłuszcze ulegają emulgacji, co ułatwia dostęp enzymu do cząstek lipidowych.
Beta-oksydacja. W komórkach (mitochondria) kwasy tłuszczowe ulegają aktywacji do tioestrów przy udziale ATP. Dzięki temu stają się związkami reaktywnymi i wysokoenergetycznymi.
Dehydrogenaza przy udziale FAD (FAD—»FADH2) powoduje odwodorowanie kwasów tłuszczowych w pozycji alfa, beta. Do nienasyconych kwasów tłuszczowych dołączona zostaje cząsteczka wody dając beta-hydroksykwasy. Te z kolei są utleniane przez odwodorowanie w pozycji beta, przy udziale dehydrogenazy i NAD+. Powstały tioester beta-ketokwasu przy udziale drugiej cząsteczki CoA-SH ulega tiolizie (rozpadowi) do acetylokoenzymu A i acylo-koenzymu A (zawiera dwa węgle mniej niż poprzedni), który poddany jest ponownej beta-oksydacji. Jeden cykl obejmuje dwukrotne odwodorowanie i przenoszenie wodoru na tlen (łańcuch oddechowy) z wytworzeniem 5 cząsteczek ATP (2
cząsteczki z FADH+H, 3 cząsteczki z NADH+H) z odczepieniem acetyloCoA. Proces jest sprzężony z cyklem Krebsa i łańcuchem oddechowym. Glicerol włączony jest do procesu glikolizy. Utlenienie l g tłuszczu dostarcza 9,3 kcal.
Acetylokoenzym A jest utleniony do kwasu cytrynowego w cyklu Krebsa po związaniu ze szczwiooctanem.
Pod względem ogólnej budowy chemicznej, tłuszczowce dzieli się na fosfolipidy, glikolipidy, woski i sterydy. Termin tłuszczowce jest obszerniejszy, ogólniejszy od pojęcia lipidu (tłuszczu). Nie wszystkie tłuszczowce są więc dosłownie lipidami (tłuszczami).
1. Fosfolipidy są to pochodne kwasu fosfatydowego, czyli związku
zbudowanego z glicerolu, reszt kwasów tłuszczowych i kwasu
fosforowego. Stanowią składnik błon komórkowych. Szczególnie dużo
fosfolipidów występuje w tkance nerwowej. Do fosfolipidów należą
lecytyny, kefaliny, serynofosfatydy i fosfoinozytydy. Kefaliny, czyli
4
fosfatydyloetanolaminy obok typowych składników zawierają kolaminę
- etanolaminę (powstałą przez dekarboksylację seryny). Występują w
mózgu. Po przyłączeniu trzech grup metylowych kefaliny przechodzą w
lecytyny. Serynofosfatydy = fosfatydyloseryny zawierają w składzie
serynę. Zatem mogą ulegać przekształceniu w kefaliny
(dekarboksylacja). Fosfoinozytydy - fosfatydyloinozytole zawierają
alkohol sześciowodorotlenowy - inozytol (cyklitol). Inozytol uznawany
jest przez wielu farmakologów za witaminę (B8). Wywiera działanie
lipotropowe, zapobiega stłuszczeniu
wątroby i reguluje posaż treści pokarmowej w układzie trawiennym.
Ponadto wywołuje zmiany przewodności podnietbłony w
fotoreceptorach. Występuje w plemnikach, w mózgu, w sercu, w
wątrobie oraz w mięśniach szkieletowych.
2. Glikolipidy są tłuszczami złożonymi, zawierającymi w budowie
cukier (glikozydowo związany, w pozycji l z grupą -OH glicerolu).
Rozróżnia się galaktolipidy = cerebrozydy i
gangliozydy. Cerebrozydy zawierają 18-węglowy nienasycony alkohol
sfingozynę, kwas tłuszczowy i galaktozę. Występują w tkance nerwowej,
gdzie pełnią funkcje związków powierzchniowo czynnych (lipidowo-
wodna granica faz błon komórkowych). Gangliozydy zawierają 18-
węglowy nienasycony aminoalkohol sfingozynę (powstaje z palmitylo-
CoA oraz z seryny), kwas tłuszczowy, laktozę, N-acetyloglukozaminę i
kwas N-acetylo neuraminowy. Występują w istocie szarej mózgu oraz
rdzenia kręgowego, gdzie pełnią funkcje tenzydów, czyli związków
powierzchniowo czynnych.
3. Woski to estry kwasów tłuszczowych nasyconych i nienasyconych z
jednowodorotlenowymi alkoholami, np. cetylowym. Należą do lipidów
prostych. Pełnią funkcje ochronne (składnik łoju).
4. Sterydy, czyli steroidy są związkami zawierającymi rdzeń steranowy
(gonanowy). Steran to cyklopentanoperhydrofenantren, zbudowany z 4
pierścieni (budowa tetracykliczna); tzw rdzeń steranowy jest więc 17-
węglowy. Poszczególne związki sterydowe różnią się między sobą liczba
i charakterem podstawników bocznych związanych z rdzeniem i tym
samym stopniem nasycenia rdzenia. Do sterydów zalicza się hormony
sterydowe, kwasy żółciowe, ekdysony, witanolidy, fitosterole, geniny
glikozydów nasercowych, saponiny i alkaloidy sterydowe. Dawniej
wydzielano z tej grupy sterole. Pod względem chemicznym są one
sterydami, bowiem zawierają rdzeń steranowy z grupa wodorotlenową w
pozycji 3 oraz łańcuch boczny w pozycji 17. Do steroli należy
5
cholesterol. Cholesterol nie jest lipidem właściwym, ale zalicza się go do ogólnej grupy tłuszczowców.
Lecytyny. Fosfolipidy (fosfatydylocholiny) zbudowane z glicerolu, kwasów tłuszczowych, kwasu fosforowego i 4-rzędowej zasady - choliny. Składnikami lecytyn są również fosfatydyloetanolamina, fosfatydyloseryna i fosfatydyloinozytol. Obecne między innymi w tkance nerwowej, w żółtku komórek jajowych i w soi. Lecytyny wchodzą w skład biomembran. Dostarczane wraz z pokarmem są źródłem choliny (składnik neurotransmitera acetylocholiny) i substratów do budowy struktur komórkowych. W farmacji stanowią ważny emulgator podczas produkcji leków. Preparaty lecytynowe działają ogólnie wzmacniająco (stymulujące psychofizycznie), lipotropowo (regulują stężenie i rozłożenie cholesterolu w tkankach), przeciwmiażdżycowo i regenerujące.
Lecytyny są trawione przez fosfolipazy A, B, C i D. Fosfolipaza A katalizuje odłączenie nienasyconego kwasu tłuszczowego; powstaje wówczas izolecytyna. Fosfolipaza B zabiera II cząsteczkę kwasu tłuszczowego od izolecytyny, pozostawiając glicerofosforan choliny.
Fosfolipaza C i D hydrolizują wiązania estrowe między alkoholem i kwasem fosforowym.
Wspomniana wyżej cholina to pochodna trójmetylowa etanolaminy, to znaczy: wodorotlenek beta-hydroksyetylotrimetyloamoniowy. Biosynteza choliny w ustroju polega na dekarboksylacji seryny, a potem metylację etanolaminy:
Seryna CH2OH-CHNH2-COOH — -CO ---> kolamina CH2OH-CHNH2 ---> cholina CH2OH-CHN+(CH3)3
Cholina reguluje gospodarkę tłuszczową (działanie lipotropowe). Jest dawcą grup metylowych dla syntezy aminokwasu siarkowego - metioniny. Zapobiega stłuszczeniu i marskości wątroby (ochrania miąższ wątroby). W lecznictwie stosowana w zaburzeniach pozapiramidowych, przy otyłości, w zaburzeniach krążenia, w atonii pęcherza moczowego i jelit oraz w nadmiernym napięciu mięśniowym. Dawniej uważana za witaminę (B4).
Cholesterol. Sterol zwierzęcy, 3-beta-hydroksycholesten-5; grupa -OH przy węglu 3
znajduje się w pozycji beta. Nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych. Występuje we wszystkich komórkach w stanie wolnym lub związanym. Prawidłowe stężenie cholesterolu w surowicy waha się od 3,9 do 7,2 mmol/1
(150-280 mg%). W przeciętnej diecie znajduje się około 1,5-2 g cholesterolu. W czasie wchłaniania cholesterolu z pokarmu następuje estryfikacja przy udziale transferazy lecytyna-cholesterol. Średnio w organizmie człowieka znajduje się około 60 g cholesterolu; 2/3 z tego przypada na mięśnie szkieletowe, tkankę tłuszczową i skórę. Pozostała część wchodzi w skład lipoprotein krwi oraz w skład biomembran komórek pozostałych tkanek. Około 2 g 6
cholesterolu dziennie jest spożytkowane do syntezy kwasów żółciowych. Wraz z kałem tracone jest około 1 g cholesterolu.
Biosynteza cholesterolu (głównie w wątrobie) rozpoczyna się od kondensacji dwóch cząsteczek acetylokoenzymu A dając aceto-acetylokenzym A. Ten z kolei przechodzi w beta-hydroksy-beta-metyloglutarylo-koenzym A. Związek ten jest redukowany przez NADPH do mewalonianu. Kwas mewalonowy zużywając ATP (2 cz.) przechodzi w pirofosforan kwasu mewalonowego. Przy użyciu ATP (1) dochodzi do powstania pirofosforanu izopentenylu, czyli czynnego izoprenu (5-węglowy związek). Kolejnym stadium jest wytworzenie 15-weglowego związku - pirofosforanu farnezylu. Dwie cząsteczki tego związku dają 30-węglowy skwalen. Skwalen ulega cyklizacji do lanosterolu, a ten wreszcie do cholesterolu.
Reakcja Hübla. W obecności jodu i katalizatora HgCl2 kwasy tłuszczowe nienasycone przyłączają do wiązania podwójnego jod (addycja). Jest to reakcja Hübla.
Liczba zmydlania lipidów. Oznacza ilość miligramów KOH niezbędną do zmydlenia l g tłuszczu badanego. Umożliwia określenie w przybliżeniu masy cząsteczkowej kwasów tłuszczowych budujących dany lipid.
7