Tłuszczowce

Lipidy są heterogennymi grupami nierozpuszczalnych w wodzie związków organicznych, które mogą być ekstrahowane z tkanek przy użyciu rozpuszczalników niepolarnych (chloroformem, acetonem, benzenem). Rozmieszczenie ich w organizmie jest nierównomierne. Większość skupiona jest w cytoplazmie komórek tłuszczowych, w błonach biologicznych i w kompleksach z białkami osocza (lipoproteiny).

Biologiczne funkcje lipidów:

• Materiał budulcowy: fosfolipidy, cholesterol, glikolipidy;

• Decydują o właściwościach dynamicznych błony komórkowej;

• Prekursory hormonów steroidowych (cholesterol) i hormonów tkankowych (kwasy tłuszczowe);

• Substraty dla syntezy kwasów tłuszczowych i niektórych witamin;

• Biorą udział w zjawiskach immunologicznych (eikozanoidy);

Podział lipidów:

• Lipidy proste: estry kwasów tłuszczowych z różnymi alkoholami;

  • Tłuszcze właściwe: estry kwasów tłuszczowych z glicerolem;

  • Woski: estry kwasów tłuszczowych z wyższymi alkoholami jednowodorotlenowymi;

• Lipidy złożone: estry zawierające dodatkowe grupy funkcyjne;

  • Fosfolipidy: zawierają resztę kwasu fosforowego i zasady azotowej lub amino alkoholu;

    • Glicerofosfolipidy: zawierają glicerol;

    • Sfingolipidy: zawierają sfingozynę;

  • Glikolipidy: zawierają kwasy tłuszczowe, alkohol sfingozynę i węglowodan;

  • Sulfolipidy;

  • Amino lipidy;

  • Lipoproteiny;

Prekursory i pochodne lipidów:

• Kwasy tłuszczowe;

• Glicerol;

• Alkohole inne niż glicerol;

• Sterole i lipidy izoprenowi;

• Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach;

• Hormony;

Kwasy tłuszczowe są to związki zbudowane z łańcucha węglowodorowego zakończonego polarną i hydrofilową grupą karboksylową, w przeciwieństwie do hydrofobowej i niepolarnej (a więc i nierozpuszczalnej w wodzie) pozostałej części cząsteczki. Struktura taka stanowi fundament w przypadku wielu lipidów, jest elementem budulcowych służącym do tworzenia bardziej skomplikowanych związków. Łańcuch zawiera zwykle od 4 (reszta kwasu masłowego) do 24 (reszta kwasu lignocerynowego) atomów węgla, może być nasycony lub nie. Może się także łączyć z grupą zawierającą tlen, chlorowiec, azot i siarkę. Obecność wiązania podwójnego pociąga za sobą występowanie izomerii geometrycznej cis-trans, co wpływa bardzo na strukturę i właściwości cząsteczki. Konfiguracja cis oznacza bowiem zgięcie łańcucha, czego efekt nasila się wraz ze wzrostem ilości takich wiązań w łańcuchu. Ma to zasadnicze znaczenie dla funkcji błony biologicznej. Większość występujących w naturze nienasyconych kwasów tłuszczowych posiada właśnie tą konfigurację, choć ich izomery trans spotyka się w niektórych naturalnych i częściowo uwodornionych tłuszczach i olejach.

Nasycone kwasy tłuszczowe to kwasy tłuszczowe nie zawierające podwójnych wiązań w cząsteczce. W warunkach normalnych są zwykle białymi ciałami stałymi, nierozpuszczalnymi w wodzie, a ich temperatura topnienia wzrasta wraz ze wzrostem długości łańcucha. Kwasy zawierające w łańcuchu więcej niż 10 atomów węgla są nierozpuszczalne w wodzie i są nielotne.

Nienasycone kwasy tłuszczowe to kwasy, w których występują reszty kwasów tłuszczowych posiadających w łańcuchu węglowodorowym wiązania podwójne; tłuszcze te występują w dużych ilościach w roślinach i zwykle w temperaturze pokojowej są ciekłe; ze względu na obecność wiązania podwójnego nienasycone kwasy tłuszczowe mogą występować w dwóch formach stereoizomerycznych: cis i trans. w reaktywność kwasów tłuszczowych:

– CH = CH – + H₂O → – CH(OH) – CH₂ – uwodnienie

– CH = CH – + XH₂ → – CH₂CH₂ – + X – redukcja

R₁ – CH = CH –R₂ → R₁ – CHO + R₂ – CHO- utlenianie

Nazewnictwo kwasów tłuszczowych: nazwy zwyczajowe w większości przypadków wywodzą się od źródła ich odkrycia. Nazwy tworzy się stosując końcówki:- anowy dla kwasów nasyconych i –enowy dla kwasów nienasyconych. Nazwy systematyczne wywodzą się od liczebników greckich: położenie podwójnego wiązania oznacza się symbolem ∆, a numery węgli biorących udział w tworzeniu wiązań podwójnych, liczone są od węgla grupy karboksylowej; litery n lub ω oznaczają miejsce wiązania podwójnego, licząc od grupy metylowej. Przykłady kwasów nasyconych:

• Masłowy- butanowy- CH₃(CH₂)₂COOH

• Kapronowy- heksanowy- CH₃(CH₂)₄COOH

• Kaprylowy- oktanowy- CH₃(CH₂)₆COOH

• Laurynowy- dodekanowy- CH₃(CH₂)₁₀COOH

Przykłady kwasów nienasyconych:

• Oleinowy- 9-oktadecenowy- CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH

• Linolowy- 9,12- oktadekadienowy- CH₃CH(CH=CHCH₂)₃(CH₂)₆ COOH

• Linolenowy- 9,12,15-oktadekatrienowy- CH₃CH₂(CH=CHCH₂)₃ (CH₂)₆ COOH

• Arachidonowy- 5,8,11,14- eikosatetraenowy- CH₃(CH₂)₄(CH=CHCH₂)₄ (CH₂)₂ COOH

Acyloglicerole- ze względu na budowę chemiczną należą do estrów glicerolu i jednokarboksylowych wyższych kwasów tłuszczowych. Najczęściej są to mieszaniny triacyloglicerli różnych kwasów tłuszczowych. W acyloglcerolach drugorzędowa grupa hydroksylowa położona jest po lewej stronie atomu węgla. Do oznakowania pozycji kwasów tłuszczowych stosuje się system numeracji stereo specyficznej (Sn), umieszczając przedrostek –sn przed nazwą reszty glicerolowej np. 1,2,3-triacylo-sn-glicerol. Glicerydy występują powszechnie w organizmach żywych, głównie jako tłuszcze, a także jako regulatory procesów biochemicznych oraz produkty przemiany materii.

Glicerofosfolipidy- zwane także po prostu fosfolipidami, to wszechobecne związki kluczowe dla istnienia dwuwarstwy lipidowej komórek, grające także rolę w metabolizmie i przesyłaniu sygnałów. Zbudowane są z czterech składników: glicerolu, dwóch reszt acylowych połączonych wiązaniami estrowymi z atomami C1 i C2 glicerolu, ortofosforanu połączonego wiązaniem estrowym z węglem C3 glicerolu, innego alkoholu (cholina, etanoloamina, seryna, inozytol, glicerol) połączonego grupą –OH z resztą ortofosforanu.

Kwas fosfatydowy

Kwas fosfatydowy + HO – CH₂ – CH₂ – N(CH₃)₃ (cholina)

Fosfatydylocholina (lecytyna)

Kwas fosfatydowy + etanoloamina

Fosfatydyloetyloamina (kefalina)

Fosfatydyloseryna fosftydyloinozytol

Sfingolipidy to złożona rodzina związków, które łączy rdzeń (u zwierząt zazwyczaj sfingozyna) syntetyzowany de novo z aminokwasu seryny i długołańcuchowego acylo-CoA. Pochodne tego rodzaju obejmują ceramidy, sfingomieliny, fosfosfingolipidy, glikosfingolipidy (cerebrozydy, gangliozydy) i inne substancje. Zbudowane są z sfingozyny- długołańcuchowego, jednonienasyconego amino alkoholu duhydroksylowego, długołańcuchowego kwasu tłuszczowego, ortofosforanu, choliny.

nienas. kw. Tłuszcz. -------

--------→ cholina, H₃PO₄

1. Sfingozyna; 2. Ceramid (N-acetylosfingozyna); 3. Sfingomielina;

Glikolipidy- zawierają ceramid oraz cząsteczkę cukru (jedną lub więcej). Lipidy zawierające w swoim składzie glicerol lub sfingozynę oraz kwasy tłuszczowe, a także składnik cukrowy, którym jest galaktoza lub glukoza. Glikolipidy są ważnym składnikiem błony komórkowej.

galaktozydoceramid -

glukozyloceramid

Gangliozydy- substancje lipidowe zbliżone sfingolipidów (fosfolipidy) obecne głównie w komórkach nerwowych (neuron) i biorą udział w procesach funkcjonowania tkanki mózgowej. Pochodne glukozyloceramidu zawierające jedną lub więcej grup kwasu sjalowego.

kwas sjalowy gangliozyd GM1

Woski- estry wyższych kwasów tłuszczowych monokarboksylowych (do 80 atomów węgla) oraz wyższych alkoholi monowodorotlenowych. Kwasy tłuszczowe są zwykle nasycone, natomiast alkohol może być nasycony lub nienasycony. Niektóre woski składają się z alkoholi złożonych z grupy steroli (np. cholesterol). Są nierozpuszczalne w wodzie ze względu na zbyt słaby charakter polarnej główki (tj. grupy estrowej). Powoli rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych. Ulegają trudniej hydrolizie niż glicerydy, przez co są od nich bardziej trwałe. Woski w organizmach żywych spełniają rolę ochronną, powlekają cienką warstwą pióra, liście (chroniąc przed transpiracją), owoce; w skórze zwierząt wpływają na jej elastyczność, hydrofobowość i chronią przed wnikaniem drobnoustrojów. Rozróżniamy woski pochodzenia zwierzęcego: wosk pszczeli, lanolina, spermacet (olbrot), woski pochodzenia roślinnego: olej jojoba, carnauba, kandelila;

Funkcje wosków:

• nadaje połysk

• poprawia smarowność

• poprawia przyleganie

• poprawia trwałość

• podwyższa temperaturę topnienia

• trwałe w środowisku kwaśnym i zasadowym

Biosynteza tłuszczy: reakcje biochemiczne, prowadzące do powstania kwasów tłuszczowych z jednostek acetylo-CoA. Synteza kwasów tłuszczowych zachodzi w cytozolu. Acetylo-CoA, który powstaje w mitochondrium, zostaje przeniesiony do cytozolu w postaci cytrynianu, po kondensacji ze szczawiooctanem. W cytozolu liaza cytrynianowa zależna od ATP rozszczepia cytrynian do acetylo-CoA i szczawiooctanu. Następnie szczawiooctan przekształcany jest do jabłczanu, który zostaje przekształcony do pirogronianu, który wraca do mitochondrium. Podczas dekarboksylacji jabłczanu powstaje NADPH, który wykorzystywany jest w biosyntezie kwasów tłuszczowych. Dodatkowy NADPH potrzebny do tej syntezy pochodzi ze szlaku pentozofosforanowego.

Synteza nasyconych kwasów tłuszczowych: Pierwszym etapem syntezy jest karboksylacja acetylo-CoA do malonylo-CoA, katalizowana przez karboksylazę acetylo-CoA. Następnie acetylo-CoA łączy się z białkowym nośnikiem grup acylowych (ACP), w wyniku czego powstaje acetylo-ACP, a z malonylo-CoA powstaje malonylo-ACP. Następnym etapem są cykle elongacji, które można podzielić na 4 fazy (kondensacja, redukcja, odwodnienie, redukcja). Pierwszy z cykli wygląda następująco:

• Kondensacja 2-węglowego acetylo-ACP i 3-węglowego malonylo-ACP do 4-węglowego acetoacetylo-ACP. Podczas tej reakcji zostaje odłączony jeden ACP oraz CO2. Enzym katalizujący ten etap to enzym kondensujący acylomalonylo-ACP

• Redukcja acetoacetylo-ACP do D-3-hydroksybutyrylo-ACP, podczas której wykorzystywana jest jedna cząsteczka NADPH. Enzym- Reduktaza beta-ketoacylo-ACP

• Odwodnienie D-3-hydroksybutyrylo-ACP do krotonylo-ACP. Enzym- dehydrataza 3-hydroksyacylo-ACP

• Redukcja krotonylo-ACP do butyrylo-ACP, podczas której zostaje wykorzystana kolejna cząsteczka NADPH. Enzym: reduktaza enoilo-ACP

W następnym obrocie cyklu kondensacji ulega 4-węglowy butyrylo-ACP i malonylo-ACP, w wyniku czego powstaje związek 6-węglowy. Cykle zachodzą, aż do powstania 16-węglowego palmitoilo-ACP, który nie może być dalej wydłużany i pod wpływem enzymu tioesteraza ulega hydrolizie do palmitynianu i ACP. Podczas elongacji kwasów tłuszczowych zawierających więcej niż 16 atomów węgla, wydłużany kwas tłuszczowy związany jest z CoA, a nie z ACP.

Synteza nienasyconych kwasów tłuszczowych: W biosyntezie nasyconych kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla zamiast malonylo-ACP występuje propionylo-ACP.

β-oksydacja (β-oksydacja Knoopa) – szereg reakcji przekształcenia kwasów tłuszczowych w acetylokoenzym A (acetylo-CoA) w przypadku kwasów tłuszczowych o parzystej liczbie węgli oraz acetylo-CoA i propionylo-CoA, gdy liczba atomów węgla jest nieparzysta.

Proces β-oksydacja zachodzi w matrix mitochondrium u eukariotów i w cytozolu u prokariotów. Transport przez błonę wewnętrzną mitochondrium poprzedzony jest aktywacją kwasu tłuszczowego, polegającą na utworzeniu przez niego wiązania tioestrowego z CoA i powstaniem acylo-CoA. Transport cząsteczek acylo-CoA zawierających łańcuchy mające do 10 atomów węgla zachodzi bezpośrednio przez błonę mitochondrialną. Cząsteczki o dłuższych łańcuchach przechodzą przez wewnętrzną błonę mitochondrium po sprzężeniu z cząsteczką karnityny. Bierze w tym udział acylotransferaza karnitynowa I znajdująca się na zewnętrznej powierzchni wewnętrznej błony oraz acylotransferaza karnitynowa II umiejscowiona na wewnętrznej powierzchni błony (od strony matriks). Reakcje β-oksydacji polegają na takich przemianach by rozczepić "dłuższy" acylo-CoA na acetylo-CoA i acylo-CoA "krótszy", po czym rozpocząć proces od początku, aż do momentu gdy powstają dwie cząteczki acetylo-CoA w przypadku kwasów tłuszczowych o parzystej liczbie węgli lub propionylo-CoA i acetylo-CoA w przypadku kwasów o nieparzystej liczbie węgli. β-oksydacja obejmuje następujące reakcje, zachodzące cyklicznie:

• Utlenienie (przy pomocy dehydrogenazy acylo-CoA) acylo-CoA do trans-Δ2-enoilo-CoA z wytworzeniem FADH2.

• Uwodnienie trans-Δ2-enoilo-CoA do 3-hydroksyacylo-CoA przy pomocy enzymu hydrataza enoilo-CoA.

• Utlenienie 3-hydroksyacylo-CoA do 3-ketoacylo-CoA przy pomocy dehydrogenazy hydroksyacylo-CoA i z wytworzeniem NADH.

• Tioliza 3-ketoacylo-CoA przez drugą cząsteczkę CoA i wytworzenie acylo-CoA skróconego o dwa atomy węgla oraz acetylo-CoA. Katalizatorem w tej reakcji jest β-ketotiolaza. Cząsteczka acylo-CoA następnie ponownie ulega reakcjom 1-4.

Jeśli kwas tłuszczowy miał parzystą liczbę atomów węgla, to pod koniec ostatniego cyklu acylo-CoA ma 4 atomy węgla i jest rozszczepiany na 2 cząsteczki acetylo-CoA. W przypadku kwasów o nieparzystej liczbie węgla, acylo-CoA zawiera 5 atomów węgla i rozszczepia się na trzywęglowy propionylo-CoA oraz dwuwęglowy acetylo-CoA. U roślin powstały acetylo-CoA wchodzi w cykl glioksalowy, w wyniku którego zostaje przekształcony w szczawiooctan.

β-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych: β-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych angażuje dodatkowe enzymy (izomerazy, reduktazy), nieuczestniczące w β-oksydacji nasyconych kwasów tłuszczowych. Jeśli kwas tłuszczowy posiada wiązania podwójne przy nieparzystych atomach węgla, β-oksydacja zachodzi tak samo, jak w przypadku kwasów nasyconych do momentu pojawienia się w trzecim cyklu cis-Δ3-enoilo-CoA. Związek ten zostaje wtedy przekształcony przy udziale izomerazy w trans-Δ2-enoilo-CoA, który ulega dalszym reakcjom. W przypadku kwasów wielonienasyconych, mających wiązania podwójne przy parzystych atomach węgla, na jednym z etapów β-oksydacji powstaje 2,4-dienoilowy związek pośredni, który jest przekształcany przez reduktazę 2,4-dienoilo-CoA w cis-Δ3-enoilo-CoA, który następnie zostaje przekształcony przez izomerazę w formę trans.

β-oksydacja jest procesem dostarczającym:

• równoważników redukcyjnych (po cząsteczce FADH2 i NADH na każdy "obrót cyklu") służących w łańcuchu oddechowym wytworzeniu ATP,

• acetylo-CoA do cyklu Krebsa służącemu wytworzeniu ATP,

• w wątrobie substratów do syntezy ciał ketonowych, zwłaszcza w przypadku zaburzeń (cukrzyca) gospodarki cukrami (szczawiooctan, metabolit pośredni cyklu Krebsa, powstaje z jednego z intermediantów glikolizy).

Cholesterol: organiczny związek chemiczny, lipid z grupy steroidów zaliczany także do alkoholi. Jego pochodne występują w błonie każdej komórki zwierzęcej, działając na nią stabilizująco i decydując o wielu jej własnościach. Jest także prekursorem licznych ważnych steroidów takich jak kwasy żółciowe czy hormony steroidowe. Cholesterol jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania organizmu i pochodzi zarówno ze źródeł pokarmowych jak i biosyntezy de novo. Stanowi on substrat do syntezy wielu ważnych biologicznie czynnych cząsteczek:

• hormony płciowe,

• kortykosterydy,

• witamina D3 i jej metabolity,

• glikozydy nasercowe

• sitosterole,

• niektóre alkaloidy

• kwasy żółciowe.

W organizmie człowieka cholesterol występuje w tkankach i w osoczu krwi w postaci wolnej oraz w postaci zestryfikowanej długołańcuchowymi kwasami tłuszczowymi.