Kwasy t∏uszczowe i triacyloglicerole

48
Bioczàsteczki
Kwasy t∏uszczowe
i triacyloglicerole
A. Kwasy karboksylowe H
Kwasy t∏uszczowe wyst´pujàce w przyrodzie sà
kwasami karboksylowymi o prostych ∏aƒcuchach
w´glowodorowych, zawierajàcych 4–24 atomów
w´gla. Wyst´pujà we wszystkich organizmach jako
sk∏adnik triacylogliceroli i lipidów b∏on komórkowych. W zwiàzkach tych sà one zestryfikowane alkoholami (glicerol, sfingozyna lub cholesterol).
W niewielkich iloÊciach kwasy t∏uszczowe spotyka
si´ równie˝ w postaci niezestryfikowanej, np. we
krwi. Takie kwasy okreÊla si´ jako wolne kwasy
t∏uszczowe. Poniewa˝ wolne kwasy t∏uszczowe majà w∏aÊciwoÊci silnie amfipatyczne (p. str. 28), wyst´pujà one przewa˝nie w po∏àczeniu z bia∏kami.
W tabeli wymieniono alifatyczne kwasy karboksylowe, wyst´pujàce w organizmach roÊlin i zwierzàt.
W roÊlinach wy˝szych i u zwierzàt wyst´pujà przewa˝nie kwasy t∏uszczowe proste o d∏u˝szych ∏aƒcuchach, zawierajàce 16 i 18 atomów w´gla, czyli np.
kwas palmitynowy i stearynowy. Liczba atomów w´gla naturalnych kwasów t∏uszczowych o d∏ugich
∏aƒcuchach jest zawsze parzysta. Wynika to z faktu,
˝e sà one syntetyzowane z elementów zawierajàcych C2 (p. str. 168).
Niektóre kwasy t∏uszczowe majà 1 wiàzanie podwójne lub kilka izolowanych wiàzaƒ podwójnych;
nazywamy je kwasami „nienasyconymi”. Cz´sto wyst´pujàcymi nienasyconymi kwasami t∏uszczowymi sà kwas oleinowy i kwas linolowy. SpoÊród obu
mo˝liwych izomerów cis- lub trans- (p. str. 8) w naturalnych lipidach wyst´pujà przewa˝nie formy cis-.
Rozga∏´zione kwasy t∏uszczowe wyst´pujà tylko
w bakteriach. Do dok∏adnego opisania budowy
kwasów t∏uszczowych stosuje si´ specjalnà nomenklatur´ skrótów, sk∏adajàcych si´ z kilku cyfr, np.
18:2; 9,12 dla kwasu linolowego. Pierwsza liczba
odpowiada liczbie atomów C, a druga liczba podaje liczb´ wiàzaƒ podwójnych. Pozycje podwójnych
wiàzaƒ znajdujà si´ za Êrednikiem. Jak zwykle liczenie atomów w´gla rozpoczyna si´ od najwy˝szego
stopnia utlenienia, tzn. grupa karboksylowa odpowiada C-1. Rozpowszechnione jest równie˝ stosowanie liter alfabetu greckiego (α = C-2, β = C-3,
ω = ostatni C, ω-3 = trzeci C od ty∏u).
Niezb´dne nienasycone kwasy t∏uszczowe sà
kwasami t∏uszczowymi, które muszà byç dostarczane w pokarmie. Nale˝à do nich wielonienasycone
kwasy t∏uszczowe, a mianowicie z C20 kwas arachidonowy (20:4; 5, 8, 11, 14) oraz oba kwasy C18 kwas
linolowy (18:2; 9, 12) i linolenowy (18:3; 9, 12, 15).
Organizm zwierz´cy wymaga kwasu arachidonowego do syntezy eikozanoidów (p. str. 390). Poniewa˝
organizm taki jest wprawdzie zdolny do wyd∏u˝ania
kwasów t∏uszczowych o jednostki C2, jednak nie
mo˝e wprowadzaç podwójnych wiàzaƒ w tylne fragmenty kwasów t∏uszczowych (za C-9); kwas arachidonowy musi zatem byç przyjmowany w pokarmie.
Kwas linolowy oraz kwas linolenowy przez wyd∏u˝anie mogà byç przekszta∏cane w kwas arachidonowy, dlatego te˝ mogà one zast´powaç kwas arachidonowy w pokarmie.
B. Budowa triacylogliceroli H
Triacyloglicerole sà estrami alkoholu trójwodorotlenowego – glicerolu – i 3 kwasów t∏uszczowych. JeÊli
1 kwas t∏uszczowy jest zestryfikowany glicerolem,
mówimy o monoacyloglicerolu (reszta kwasu t∏uszczowego = reszta acylowa).
Formalnie przez estryfikacj´ kolejnymi kwasami
t∏uszczowymi powstaje, poprzez diacyloglicerol, triacyloglicerol, t∏uszcz w∏aÊciwy (stara nazwa: „trójgliceryd”). Poniewa˝ triacyloglicerole nie majà ∏adunku, nazywane sà tak˝e t∏uszczami oboj´tnymi.
Atomy w´gla glicerolu w triacyloglicerolach nie sà
z regu∏y równowa˝ne. Z tego powodu rozró˝nia si´
je, stosujàc zapis „sn” (z ang. stereo specific numbering).
Trzy reszty acylowe czàsteczki triacyloglicerolu
mogà si´ ró˝niç d∏ugoÊcià swych ∏aƒcuchów oraz
liczbà podwójnych wiàzaƒ, czego konsekwencjà
jest du˝a liczba mo˝liwych kombinacji pojedynczych czàsteczek triacylogliceroli. Wyekstrahowane
z materia∏u biologicznego t∏uszcze stanowià zawsze
mieszanin´ bardzo podobnych zwiàzków, które ró˝nià si´ resztami kwasu t∏uszczowego. Przy Êrodkowym atomie C (sn-C-2) triacyloglicerolu mo˝e powstaç chiralne centrum, jeÊli oba zewn´trzne kwasy
t∏uszczowe sà ró˝ne. Przedstawione tu monoacyloglicerole i diacyloglicerole sà równie˝ zwiàzkami chiralnymi. T∏uszcze spo˝ywcze szczególnie cz´sto zawierajà kwas palmitynowy, stearynowy, oleinowy
i linolowy. Nienasycone kwasy t∏uszczowe przewa˝nie znajdujà si´ przy Êrodkowym atomie C glicerolu.
D∏ugoÊç reszt kwasów t∏uszczowych i liczba podwójnych wiàzaƒ majà wp∏yw na temperatur´ topnienia t∏uszczów. Jest ona tym ni˝sza, im krótsze sà
reszty kwasów t∏uszczowych oraz im wi´cej zawierajà one podwójnych wiàzaƒ.
Lipidy
49
A. Kwasy karboksylowe
Nazwa
Liczba atomów w´gla
Liczba wiàzaƒ podwójnych
Pozycja wiàzaƒ podwójnych
Kwas mrówkowy
1:0
Kwas octowy
2:0
Kwas propionowy
3:0
Kwas mas∏owy
4:0
Kwas walerianowy
5:0
Kwas kapronowy
6:0
Kwas kaprylowy
8:0
Kwas kaprynowy
10 : 0
Kwas laurynowy
12 : 0
Kwas mirystynowy
14 : 0
Kwas palmitynowy
16 : 0
Kwas stearynowy
18 : 0
Kwas oleinowy
18 : 1; 9
Kwas linolowy
18 : 2; 9,12
Kwas linolenowy
18 : 3; 9,12,15
Kwas arachidowy
20 : 0
Nie wyst´pujà
w lipidach
HOOC CH2
CH2
CH2
CH 2
CH3
Kwas kapronowy
Kwas arachidonowy 20 : 4; 5,8,11,14
Kwas behenowy
22 : 0
Kwas erukowy
22 : 1; 13
Kwas lignocerynowy 24 : 0
Kwas nerwonowy
24 : 1; 15
Egzogenne (niezb´dne) kwasy t∏uszczowe
B. Budowa triacylogliceroli
Wiàzanie estrowe
Centrum chiralne
O
HO
CH2
HO
C
HO
CH2
Glicerol
H
R'
C
Cyfra sn
O
O CH2
HO C
H
HO CH2
Monoacyloglicerol
O
R'
C O CH2
O
R'
C O CH2
O
R''
C
R''
C O C H
O
C O CH2
O C H
HO CH2
R'''
Diacyloglicerol
Kwas t∏uszczowy
C-1
C-2
C-3
Triacyloglicerol
= t∏uszcz
Glicerol
Reszta acylowa 1
Model
tristearyloglicerolu
Van der Waalsa
Reszta acylowa 2
Reszta acylowa 3
Obrót wokó∏
wiàzania C–C
50
Bioczàsteczki
Fosfolipidy i glikolipidy
A. Budowa fosfolipidów i glikolipidów H
T∏uszcze (triacyloglicerole) (1) sà estrami glicerolu
i 3 kwasów t∏uszczowych (p. str. 48). Wyst´pujà one
wewnàtrzkomórkowo przewa˝nie jako kropelki
t∏uszczu. We krwi transportowane sà w hydrofobowym wn´trzu lipoprotein (p. str. 278).
Fosfolipidy (2) sà podstawowymi sk∏adnikami
b∏on biologicznych (p. str. 214–217). Ich wspólnà
cechà jest reszta fosforanowa, zestryfikowana grupà hydroksylowà przy C-3 glicerolu. Ze wzgl´du na
wyst´powanie tej reszty fosfolipidy w pH oboj´tnym
majà co najmniej 1 ∏adunek ujemny.
Fosfatydany (aniony kwasów fosfatydowych), najprostsze fosfolipidy, sà estrami kwasu fosforowego
i diacyloglicerolu. Stanowià one wa˝ne produkty
poÊrednie w procesie biosyntezy triacylogliceroli
i fosfolipidów (p. str. 170). Fosfatydany mogà byç
równie˝ uwalniane z fosfolipidów przez fosfolipazy.
Z fosfatydanów (reszta = fosfatydyl–) mo˝na wyprowadziç inne fosfolipidy. Ich reszta fosforanowa
mo˝e byç zestryfikowana grupà hydroksylowà aminoalkoholu (cholina, etanolamina lub seryna) lub
pochodnà cykloheksanu, mio-inozytolem. Jako
przyk∏ad tego rodzaju po∏àczenia przedstawiono
fosfatydylocholin´ (lecytyn´). JeÊli 2 reszty fosfatydylowe zwiàzane sà z glicerolem, powstaje kardiolipina (niepokazane), fosfolipid charakterystyczny dla
b∏ony wewn´trznej mitochondriów. Silnie amfipatyczne lizofosfolipidy powstajà z fosfolipidów przez
enzymatyczne odszczepienie 1 reszty acylowej. Hemolityczne dzia∏anie jadu pszczelego i jadów w´˝y
polega cz´Êciowo na tej reakcji.
Fosfatydylocholina (lecytyna) jest fosfolipidem
najcz´Êciej wyst´pujàcym w b∏onach komórkowych. Fosfatydyloetanolamina (kefalina) zamiast
reszty choliny ma reszt´ etanolaminy, a fosfatydyloseryna – reszt´ seryny. W fosfatydyloinozytolu fosfatydan zestryfikowany jest cyklicznym polialkoholem, mio-inozytolem. Dwukrotnie fosforylowana
pochodna tego fosfolipidu, fosfatydylo-inozytolo-4,5-bisfosforan, jest szczególnym sk∏adnikiem b∏on,
który przez enzymatyczny rozpad mo˝e przejÊç
w postaç 2 drugich przekaêników – diacyloglicerolu
(DAG) i inozytolo-1,4,5-trifosforanu (IP3, p. str. 386).
Oprócz ujemnego ∏adunku przy grupie fosforanowej, niektóre fosfolipidy mogà mieç inne ∏adunki.
Fosfatydylocholina i fosfatydyloetanolamina majà
∏adunek dodatni przy N aminoalkoholu. Dlatego te˝
te 2 fosfatydy wykazujà brak wypadkowego ∏adunku elektrycznego – sà oboj´tne. Natomiast fosfatydyloseryna z 1 ∏adunkiem dodatnim i 1 ujemnym
pochodzàcym od reszty seryny oraz fosfatydyloinozytol (bez dodatkowego ∏adunku dodatniego) ze
wzgl´du na reszt´ fosforanowà sà w sumie na∏adowane ujemnie.
Sfingolipidy (3), wyst´pujàce w du˝ych iloÊciach
w b∏onie komórek nerwowych w mózgu i w tkance
nerwowej, ró˝nià si´ pod wzgl´dem budowy od do-
tychczas omawianych lipidów b∏on biologicznych.
W sfingolipidach sfingozyna, nienasycony alkilowy
aminoalkohol, przejmuje zadanie glicerolu. JeÊli
sfingozyna po∏àczona jest z kwasem t∏uszczowym
wiàzaniem amidowym, zwiàzek taki nazywa si´ ceramidem (3). Jest on prekursorem sfingolipidów.
Sfingomielina, najwa˝niejsza spoÊród sfingolipidów,
zawiera sfingozyn´ po∏àczonà z kwasem t∏uszczowym, reszt´ fosforanowà i zwiàzanà z nià cholin´.
Glikolipidy (3) wyst´pujà we wszystkich tkankach na zewn´trznej stronie b∏ony komórkowej.
W ich sk∏ad wchodzà sfingozyna, kwas t∏uszczowy
i bardzo du˝a reszta oligosacharydowa, brak jest
zatem reszty fosforanowej wyst´pujàcej w fosfolipidach. Galaktozyloceramid i glukozyloceramid (tzw.
cerebrozydy) sà prostymi reprezentantami tej grupy. Cerebrozydy zawierajàce cukier zestryfikowany
kwasem siarkowym nazywane sà sulfatydami. Gangliozydy sà najbardziej z∏o˝onymi glikolipidami. Stanowià du˝à rodzin´ lipidów wchodzàcych w sk∏ad
b∏on o nieznanej jeszcze w du˝ym stopniu funkcji.
Charakterystycznym sk∏adnikiem wielu gangliozydów jest kwas N-acetyloneuraminowy (kwas sialowy, p. str. 38).
Lipidy
51
A. Budowa fosfolipidów i glikolipidów
Reszta acylowa 2
Glicerol
O
Reszta acylowa 1
C
O CH2
C
O C
H
O
O
H2C
O
P
Reszta acylowa 3
Glicerol
CH3
P
2
HO CH2 CH2
Fosfatyd
COO
CH3
HO
Cholina
HO CH2
Glicerol
Reszta acylowa 2
N
CH2
Seryna
CH 2
H
NH3
OH OH
OH
H
H
H
H
OH
OH H
HO
P
CH NH 3
CH3
Fosfatydan
Reszta acylowa 1
CH 3
CH3
Fosfatyd
(fosfatydylocholina,
lecytyna)
T∏uszcz
Reszta acylowa 2
(CH2)2 N
O
1. T∏uszcze
Reszta acylowa 1
CH3
O
Aminoalkohol
lub alkohol cykliczny
Etanoloamina
Mio-inozytol
Reszta acylowa
Reszta acylowa 1
Sfingozyna
P
Aminoalkohol
lub alkohol cykliczny
Glicerol
2. Fosfolipidy
Aminoalkohol
lub alkohol cykliczny
P
Lizofosfolipid
Sfingofosfolipid
O
Reszta acylowa
C
Sfingozyna
H H
P
Cholina
C
Sfingomielina
O
NH
C
CH 2
C
C H OH
P
CH3
O
O
(CH2) 2 N
CH3
CH3
H
Reszta acylowa
Reszta acylowa
Sfingozyna
SO3
Sfingozyna
Ceramid
Sfingozyna
Sulfatyd
Cukier
Reszta acylowa
Reszta acylowa
Sfingozyna
Sfingozyna
Cukier
Cerebrozyd (galaktozylo- lub glukozyloceramid)
3. Sfingolipidy
O
Glc
Gangliozyd GM1
Gal
NeuAc
GalNAc
Gal
52
Bioczàsteczki
Izoprenoidy
A. Aktywny kwas octowy jako podstawowy
prekursor lipidów H
Poniewa˝ lipidy znajdujàce si´ w organizmach roÊlinnych i zwierz´cych wyst´pujà w wielu ró˝nych
postaciach, pozostajà w Êcis∏ym zwiàzku biogenetycznym: wszystkie lipidy powstajà z acetylo-CoA,
„aktywnego octanu” (p. str. 12, 110).
1. Od acetylo-CoA wiedzie g∏ówny szlak do aktywnych kwasów t∏uszczowych (acylo-CoA, szczegó∏y
str. 168). Z nich budowane sà nast´pnie triacyloglicerole, fosfolipidy i glikolipidy oraz tworzone sà wyspecjalizowane pochodne kwasów t∏uszczowych.
W organizmach zwierz´cych i roÊlinnych szlak ten
jest dominujàcy pod wzgl´dem iloÊciowym.
2. Drugi szlak prowadzi od acetylo-CoA do izopentenylopirofosforanu, „aktywnego izoprenu”, stanowiàcego podstawowy sk∏adnik izoprenoidów.
Jego biosynteza omówiona jest przy biosyntezie
izoprenoidu o nazwie cholesterol (p. str. 172).
B. Izoprenoidy H
Izoprenoidy wywodzà si´ ze wspólnego sk∏adnika,
izoprenu (2-metylo-1,3-butadienu), zwiàzku z metylowym rozga∏´zieniem zawierajàcym 5 atomów C.
Aktywny izopren – izopentenylopirofosforan – wykorzystywany jest przez organizmy roÊlinne i zwierz´ce
do biosyntezy liniowych i cyklicznych oligo- i polimerów. Przy wymienionych tu izoprenoidach, stanowiàcych tylko niewielki wybór z tej grupy, podawana jest
zawsze liczba jednostek izoprenowych (I).
Od aktywnego izoprenu szlak metaboliczny wiedzie poprzez dimeryzacj´ do aktywnego geraniolu
(I = 2) i dalej do aktywnego farnezolu (I = 3). Tu biosynteza izoprenoidów si´ rozga∏´zia. Dalsze wyd∏u˝anie farnezolu prowadzi do ∏aƒcuchów o rosnàcej
liczbie jednostek izoprenowych: do fitolu (I = 4), dolicholu (I = 14–24) i w koƒcu do kauczuku
(I = 700–5000). Natomiast wiàzanie „g∏owa-g∏owa”
farnezolu prowadzi do skwalenu (I = 6), który przez
cyklizacj´ mo˝e zostaç przekszta∏cony w cholesterol
(I = 6), a nast´pnie w inne steroidy.
ZdolnoÊç do tworzenia okreÊlonych izoprenoidów jest przewa˝nie ograniczona do niewielu rodzajów roÊlin lub zwierzàt. I tak kauczuk wytwarzany jest tylko przez kilka roÊlin, m.in. drzewo
gumowe (Hevea brasiliensis). Kilka izoprenoidów,
których organizm zwierz´cy potrzebuje do przemiany materii, lecz nie potrafi ich samodzielnie wytwarzaç, to witaminy: witaminy A, D, E i K. Ze wzgl´du
na swe strukturalne i funkcjonalne pokrewieƒstwo
z hormonami steroidowymi czynna postaç witaminy
D obecnie jest przewa˝nie zaliczana do hormonów
(p. str. 56, 330).
Metabolizm izoprenu u roÊlin jest bardzo ró˝norodny. Potrafià one wytwarzaç z izoprenu wiele rodzajów substancji aromatycznych i olejków eterycznych. Jako przyk∏ady mo˝na wymieniç mentol
(I = 2), kamfor´ (I = 2) i olejek citronelowy (I = 2).
Te zwiàzki C10 nale˝à do monoterpenów. Analogicznie nazywane sà zwiàzki o 3 jednostkach izoprenowych (I = 3) jako seskwiterpeny, a steroidy (I = 6)
jako triterpeny.
Izoprenoidy o funkcji hormonalnej i sygnalizacyjnej stanowià wa˝nà grup´. Nale˝à do nich hormony
steroidowe (I = 6) i retinan (anion kwasu retinowego; I = 3) u zwierzàt kr´gowych oraz hormony juwenilne (I = 3) u stawonogów. Równie˝ kilka hormonów roÊlinnych zalicza si´ do izoprenoidów, np.
cytokinina, kwas abscysynowy i brassinosteroidy.
¸aƒcuchy izoprenowe wykorzystywane sà niekiedy jako kotwice lipidowe w celu przytwierdzania czàsteczek w b∏onie (p. str. 214). Chlorofil jako kotwic´ lipidowà ma reszt´ fitylowà (I = 4). Koenzymami
z kotwicami izoprenoidowymi ró˝nej d∏ugoÊci sà ubichinon (koenzym Q; I = 6–10), plastochinon (I = 9)
i menachinon (witamina K2; I = 4–6). Równie˝ bia∏ka
mogà byç zakotwiczane w b∏onach w wyniku izoprenylacji (p. str. 214).
W pewnych przypadkach reszta izoprenoidowa
wykorzystywana jest jako element do chemicznej
modyfikacji czàsteczek. Jako przyk∏ad mo˝na podaç N6-izopentenylo-AMP, wyst´pujàcy jako zmodyfikowany element w tRNA.
Lipidy
53
A. Aktywny kwas octowy jako podstawowy prekursor lipidów
Aktywny kwas octowy
O
H3C
Izopren
S
A
Acetylo-CoA
1
Aktywny kwas t∏uszczowy
C
2
Aktywny izopren
O
C
S
O
A
Acylo-CoA
P
P
Izopentenylopirofosforan
Triacyloglicerole
Fosfolipidy
Izoprenoidy
Glikolipidy
B. Izoprenoidy
Podstawowy budulec
wszystkich izoprenoidów
Metabolity
izoprenylowane
Izopentenylo-AMP
I=1
Biosynteza tylko w roÊlinach
i mikroorganizmach
Kamfora
I=2
Aktywny izopren
I=1
CH3
CH3
O
H3C
Citronelol
I=2
Izoprenoidy
∏aƒcuchowe
Geraniol
I=2
Hormon juwenilny
I=3
Farnezol
I=3
Mentol
I=2
Cholesterol
I=6
Skwalen
I=6
CH 2 OH
Kwas retinowy
Fitol
I=4
HO
Karotenoid
(witamina A)
CH2OH
CH 2OH
Menachinon
I=4–6
Hormony steroidowe
Kwasy êó∏ciowe
Glikozydy steroidowe
I=6
Dolichol
I = 14 – 24
Plastochinon
I=9
Tokoferol
(Witamina E)
I=4
CH 3
HO
Kauczuk
I = 700 – 5000
H3C
O
H3CO
CH3
Ubichinon
I = 6 – 10
O
CH 3
OH
H3CO
O
CH 3
n = 6–10
OH
CH3
Filochinon
(Witamina K1)
I=4
Cykliczne
izoprenoidy