Transcript Document
Aleksander Kołodziejczyk Tłuszcze – triacyloglicerole i lipidy złożone Gdańsk 2011 1 Lipidy są to związki wyodrębniane z surowców naturalnych poprzez ekstrakcję niskopolarnymi rozpuszczalnikami. PODZIAŁ LIPIDÓW I. PROSTE II. ZŁOŻONE i III. POCHODNE LIPIDÓW I. LIPIDY PROSTE Tłuszcze – estry glicerolu i kwasów tłuszczowych (triacyloglicerole). Woski – woski prawdziwe estry wyższych alkoholi i wyższych kw. tłuszczowych. estry cholesterolu, estry witaminy A, estry witaminy D. II. LIPIDY ZŁOŻONE, oprócz kw. tłuszczowych i alkoholi zawierają reszty innych związków, np. resztę kwasu fosforowego, cukrów czy pochodnych siarki. Fosfolipidy (fosfatydy) – w ich skład wchodzi reszta kwasu fosforowego, oraz reszty organiczne; znane są lecytyny, kefaliny i sfingomieliny. Cerebrozydy – glikolipidy występujące w mózgu, zbudowane są z reszty cukrowej, kwasu tłuszczowego (zwykle zawierającego 24C) i aminy zwanej sfingozyną ; w zależności od cukru wchodzącego w skład cerebrozydów znane są glukolipidy i galaktolipidy. 2 Sulfolipidy – w ich skład wchodzi siarka, najczęściej w postaci reszty H2SO4 III. POCHODNE LIPIDÓW, lipidowe produkty chemicznej modyfikacji lipidów W wyniku hydrolizy tłuszczów powstają kwasy tłuszczowe (drugi produkt hydrolizy – glicerol nie jest lipidem) . Produktami hydrolizy wosków są kw. tłuszczowe, wyższe alkohole i steroidy. . Lipidy (tłuszcze) można także poddać redukcji, transestryfikacji i innym modyfikacjom. Omówienie szczegółowe POCHODNE LIPIDÓW Kwasy tłuszczowe (KT) – alifatyczne, lipofilowe kwasy mono-karboksylowe, zawierające parzystą liczbę atomów węgla (od C4). W przyrodzie znaleziono kilkaset takich kwasów, najczęściej C16-C24 , jako składniki tłuszczów, fosfolipidów i wosków. Pośród nich są kwasy nasycone, nienasycone, nierozgałęzione (zwykle). Rola KT – główne źródło energii wielu organizmów żywych. Ponadto są biosubstratami tłuszczów, fosfolipidów, lipoprotein, liposacharydów i ejkozanoidów (m.i. prostaglandyn). Występują głównie w tłuszczach (triacyloglicerydach) i w fosfolipidach (składnikach błon komórkowych). Nienasycone kwasy tłuszczowe są kwasami najczęściej spotykanymi w naturze. 3 Rozpowszechnienie kwasów W świecie roślinnym W świecie zwierzęcym Kwas oleinowy, 18:1 % 34 Kwas oleinowy, 18:1 % linolowy, 18:2 34 palmitynowy, 16:0 22 palmitynowy, 16:0 a-linolenowy, 18:3 stearynowy, 18:0 laurowy, 12:0 erukowy, 22:1 mirystynowy, 14:0 11 5 4 4 3 2 palmitoleinowy, 16:1 arachidonowy, 20:4 eikozapentaenowy, 20:5 dokozaheksaenowy, 22:6 50 4 Najpopularniejsze nasycone KT Zwyczajowa Nazwa systematyczna Wzór sumaryczny Miejsce występowania masło, olej kokosowy, olej palmowy masłowy butanowy C3H7COOH kapronowy heksanowy C5H11COOH -”- kaprylowy oktanowy C7H15COOH -”- kaprynowy dekanowy C9H11COOH -”- laurowy dodekanowy C11H23COOH nasiona laurowe, masło, o. palmowy mirystynowy tetradekanowy C13H27COOH palmitynowy heksadekanowy C15H31COOH olej muszkatałowy, wiele t. roślinnych we wszystkich t. zwierzęcych i roślin. stearynowy oktadekanowy C17H35COOH -”- arachidowy eikozanowy C19H39COOH behenowy dokozanowy C21H43COOH orzeszki ziemne, tran orzeszki behenowe 5 Kwasy: masłowy (4:0), stanowi 3-4% udziału KT w maśle – ciecz, dobrze rozpuszczalna w wodzie, o bardzo nieprzyjemnym zapachu; laurowy (12:0), główny KT oleju kokosowego (50% udziału) – niskotopliwa substancja, nierozpuszczalna w wodzie, bez zapachu i bez smaku; mirystynowy (14:0), stanowi 15% KT oleju kokosowego, t.t. 56oC; palmitynowy (16:0), najpopularniejszy nasycony KT, t.t. 62oC; stearynowy (18:0), drugi po względem popularności nasycony KT, t.t. 69oC, główny KT tłuszczów ssaków ziemnych i masła kakaowego. Nienasycone KT Kwasy: palmitoleinowy, (16:1; 9 cis) – (Z)-heksadec-9-enowy powszechny w tkankach zwierząt zimnokrwistych (1020%), ciecz w temperaturze pokojowej , t.t. 0,5oC; CH3(CH2)5 C (CH2)7COOH C H oleinowy, (18:1; 9 cis) – (Z)-oktadec-9-enowy, gęsta ciecz, CH3(CH2)7 t.t. 16oC, najpopularniejszy KT w przyrodzie, stanowi ich H 50%, w oliwie (oleju z oliwek) 80% KT to kw. oleinowy. H C C (CH2)7COOH H 6 Znane są izomery kwasu oleinowego, np. kwas petroselilowy (18:1, 6 cis), składnik oleju nasion baldaszkowatych (kopru, pietruszki ...); kwas elaidynowy,(18:1; 9 trans) nie występuje w przyrodzie; CH3(CH2)10 C C H H CH3(CH2)7 H (CH2)4COOH H C C (CH2)7COOH erukowy, (22:1; 13 cis) – (Z)-13-dokozenowy, uważany za niekorzystny, a nawet szkodliwy składnik pożywienia; w oleju z nasturcji jego udział dochodzi do 80%, znajduje się w oleju goryczkowym i w nasionach kapusty. Był głównym składnikiem tradycyjnego oleju rzepakowego (do 50% KT); w nowych odmianach rzepaku – niskoerukowej i bezerukowej znajduje się go znacznie mniej – od kilku do poniżej 1%. Z punktu widzenia dietetyki olej rzepakowy otrzymywany z tych odmian jest oceniany korzystnie ze względu na zawartość KT. Rzepak jest bardzo wydajną rośliną oleistą; linolowy (18:2; 9,12 cis,cis) – (Z,Z)-9,12(CH2)7COOH 9 12 CH2 oktadekadienowy, to gęsty olej o t.t. -5oC, CH3(CH2)4 C C C C należy do NNTK. Jest ważnym składnikiem H H H H tłuszczów i fosfolipidów. 7 W dużych ilościach występuje w tłuszczach zapasowych niektórych nasion, np. do 60% TK w oleju z nasion słonecznika. Stanowi 58-78% frakcji kwasowej oleju z winogron, 34-62% kukurydzy; znajduje się także w dużych ilościach w oleju z maku i z orzechów włoskich. Nie ma go w maśle, ani w tłuszczach zwierząt morskich. Jest istotnym składnikiem olejów schnących. Oleje schnące Kwas linolowy (do 50%) i kwas linolenowy (do 25%) są głównymi składnikami tzw. olejów schnących – substancji oleistych „wysychających” na powietrzu – olejów stosowanych do wyrobu farb olejnych. Najlepszymi olejami schnącymi są lniany i konopny; olej sojowy jest olejem półschnącym. Proces wysychania (utwardzania) polega na utlenianiu podwójnych wiązań C=C i tworzeniu nowych wiązań, które sieciują łańcuchy reszt KT. Cienka warstwa oleju przemienia się w twardą, błyszczącą, dobrze przylegającą do podłoża powłokę. Sole żelaza i miedzi katalizują tego typu utlenianie NKT. Kwas linolenowy, który ma 3 C=C umożliwia przestrzenne sieciowanie. 8 Kwas linolenowy (18:3; 9,12,15 cis, cis, cis), zwany a-linolenowym towarzyszy olejom zawierającym kwas linolowy, ale w dużych ilościach występuje rzadko. H3C 11 14 17 13 12 16 15 18 8 10 4 6 5 7 9 1 2 COOH 3 Wyjątek stanowi olej lniany – do 60% udziału TK (średnio 35%);w oleju konopnym do 25%, w oleju sojowym 4-11%, a w rzepakowym niskoerukowym 5-16%. Kwas a-linolenowy występuje także w jajach i mleku zwierząt karmionych siemieniem lnianym (olejem). Jest bardzo podatny na utlenienie, utlenia się 2x szybciej niż kw. linolowy i 250x szybciej niż kw. oleinowy. Znany jest jego izomer – kw. g-linolenowy (18:3; 6c, 9c, 12c) występujący w tkankach zwierzęcych i w niektórych roślinach, np. w nasionach wiesiołka (9-12% KT), ogórecznika (~20%), czarnych porzeczek (10-14%). H3C 16 18 17 11 14 15 13 8 10 12 7 9 6 1 3 5 COOH 4 2 Kwas a-linolenowy łatwo ulega przekształceniu w izomer all-trans pod wpływem utleniaczy i w podwyższonej temp., np. podczas smażenia. H3C 18 17 14 16 15 12 13 11 9 4 6 8 10 7 5 2 3 1 COOH 9 Kw. trans-linolenowy – (E,E,E)-9,12,15-oktadekatrienowy nie występuje w naturze Naturalnym kwasem jest kwas oleosteary- H C 16 14 12 10 8 6 4 2 1 3 COOH nowy (18:3; 9t, 11t, 13t); zawiera on 3 9 3 5 11 13 18 17 15 7 sprzężone wiązania C=C trans. Wchodzi w skład oleju chińskiego (tungowego, > 70% wszystkich KT); jest szkodliwy dla ssaków. Stosuje się go do wyrobu farb olejnych. Kwas arachidonowy (20:4; 5c, 8c, 11c, 14c) występuje wyłącznie w tkankach zwierzęcych. Stanowi substrat w biosyntezie ejkozanoidów – hormonów lokalnych typu prostaglandyn . Jest ważnym składnikiem fosfolipidów. 14 16 H3C 20 19 18 17 15 12 9 11 13 4 6 8 10 1 COOH 3 5 7 2 Kwas rycynolowy – hydroksylowy analog kw. oleinowego, (R)-12-hydroksy-(Z)-9oktadecenowego, Stanowi 88% KT oleju rycynowego, otrzymywanego z rącznika. H3C 18 17 OH 14 16 15 13 12 11 9 4 6 8 10 7 5 2 3 1 COOH Służył jako środek przeczyszczający i smar. Działanie przeczyszczające polega na drażnieniu ścianek jelit przez kwas rycynolowy powstający w wyniku hydrolizy oleju 10 rycynowego. Kwas rycynolowy ulega degradacji termicznej do enantolu i kwasu ndecylenowego. OH H3C COOH enantal CH3(CH2)5CHO + CH2=CH(CH2)8COOH kwas 10-undecylenowy Kwas 10-undecylenowy nie występuje w przyrodzie, ale jest preparatem popularnym, ponieważ ma aktywność przeciwgrzybową. W postaci soli Zn, Cu lub Ca jest stosowany do zwalczania grzybicy skóry głowy, uszu, stóp, pachwin czy błon śluzowych. Nazewnictwo biochemiczne Biochemicy numerują atomy C kwasu nie od grupy karboksylowej, ale od przeciwległego końca cząsteczki, czyli od -CH3 (niezgodnie z zasadami IUPAC). 1 H3C 4 2 3 5 7 13 11 8 6 9 10 12 15 14 17 18 16 COOH Kwas oleinowy (18-9), a wg IUPAC (18:1; 9 cis) zachowuje te same lokanty niezależnie od sposobu nazewnictwa, ponieważ podwójne wiązanie znajduje się w środku cząsteczki. Biochemiczny sposób nazewnictwa poznaje się po umieszczeniu w nawiasie liczb pisanych kursywą; pierwsza oznacza liczbę atomów C, a druga lokant 5 C=C. 13 15 3 11 17 18 8 kwas linolowy (18-6,9), 11 H3C COOH wg IUPAC (18:2; 9,12 cis, cis) 12 14 16 1 2 6 7 9 10 4 Skład acylowy tłuszczów Tłuszcz, % nasyconych KT Zawartość % nasyconych KT Zawartość % nienasyconych KT n=1 C8 C10 C12 C14 C16 C18 4451 4552 1318 1419 710 1-4 6-9 1-3 1-2 1-4 813 30 813 <2 smalec, >38 1 30 1216 olej palmowy, >34 olej bawełniany, >18 Olej sojowy, >10 1-6 37 1-6 46 0,3 1723 1-3 2344 0,3 711 2-5 1-3 olej lniany, >10 0,2 5-9 4-7 0,5 -1 tran z wątroby dorsza, >9 2-6 714 0-1 olej kokosowy, >74 olej z nasion palmowych, >72 59 410 2-4 3-7 masło, >45 4 C4 2-3 olej chiński, >3 >C <C 18 16 C16 C18 >C 2 3 C18 C18 18 5-8 0-1 1-3 0-1 1018 <2 2-5 2229 <1, 5 3 0,2 2-5 45 2-3 3-8 0-1 0-2 1020 1-2 0-1 211 3455 2234 5060 210 929 829 4567 815 12 7882 2531 413 >20 2552 Niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe – NNKT (EFA) Budowa KT nie odgrywa istotnej roli, kiedy stanowią one źródło energii. Specyficzną budowę muszą mieć te KT, które są substratami w biosyntezie substancji biologicznie czynnych, np. ejkozanoidów. W ich biosyntezie wykorzystywane są polinienasycone KT zawierające 20 atomów C. Większość KT – substratów w syntezie ejkozanoidów nie jest wytwarzana przez organizmy ssaków i musi być dostarczana wraz z pożywieniem. Tego typu KT tłuszczowe nazywają się niezbędnymi nienasyconymi kwasami tłuszczowymi – NNTK. Do NNTK nie jest zaliczany kwas oleinowy. Do NNTK należą kwasy polienowe zawierające co najmniej 18 atomów C i przynajmniej 2 podwójne wiązania C=C, w tym jedno w położeniu n-3 lub n-6. Ich przedstawicielami są: kwas linolowy, kwasy ai g-linolenowe oraz ich wyższe i bardziej nienasycone analogi. Brak NNKT w pożywieniu, a tym samym i w organizmie jest przyczyną: chorób skóry (nadmiernego łuszczenia się naskórka); utrudnionej regeneracji tkanek; zwiększonej utraty wody; dolegliwości układu krążenia; obniżonej odporność na infekcję; niedorozwoju płodów. NNTK stymulują uwalnianie insuliny (wzmagają jej sekrecję) i zwiększają wrażliwość receptorów na nią. 13 Kwasy linolowy i a-linolenowy są wytwarzane jedynie przez rośliny, a kwas g-linolenowy produkują zarówno rośliny, jak zwierzęta; kwas arachidonowy syntezują jedynie organizmy zwierzęce. Długolańcuchowe, polienowe KT występują obficie w mięsie i tłuszczach zwierząt morskich. NNTK dzielą się na dwie rodziny n-6 i n-3, ta pierwsza wywodzi się od kwasu linolowego, a ta druga od kwasu a-linolenowego Biochemiczna transformacja KT Zarówno rośliny, jak i organizmy zwierzęce mogą zmieniać długość łańcuchów KT oraz ich stopień nienasycenia. Desaturacja zachodzi inaczej w roślinach niż u zwierząt. W roślinach kolejne C=C pojawia się w części łańcucha bardziej oddalonego od grupy -COOH (distal), u zwierząt w proximal. distal (część dalsza) 1 H3C desaturacja w roślinach u zwierząt 4 2 3 7 distal powszechnie nigdy 13 11 8 6 5 proximal (część bliższa) 9 10 12 15 14 17 18 16 COOH proximal rzadko powszechnie 14 Desaturacja w roślinach kwas oleinowy, 18:1 (9) kwas linolowy, 18:2 (9,12) kwas a-linolenowy, 18:3 (9,12,15) Desaturacja u zwierząt kwas g-linolenowy, 18:3 (9,12,15) kwas linolowy, 18:2 (9,12) kwas arachidonowy, 20:4 (5,8,11,14) - H2 kwas g-linolenowy, 18:3 (6,9,12) Ac-CoA - H2 kwas ejkozatrienowy, 20:3 (8,11,14) 15 Etapy przekształcania NNKT kwasy rodziny n-6 kwasy rodziny n-3 linolowy (18-6,9) desaturaza d 6 g-linolenowy (18-6,9,12) elongaza dihomo-g-linolenowy (20-6,9,12) desaturaza d 5 arachidonowy (20-6,9,12,15) elongaza dokozatetraenowy (22-6,9,12,15) desaturaza d 4 dokozapentaenowy (22-6,9,12,15,18) a-linolenowy (18-3,6,9) desaturaza d6 oktadekatetraenowy (18-3,6,9,12) elongaza ejkozatetraenowy (20-3,6,9,12,15) desaturaza d 5 ejkozapentaenowy (20-3,6,9,12,15,18) elongaza 16 dokozapentaenowy (22-3,6,9,12,15) Prostaglandyny - ejkozanoidy Prostaglandyny należą do grupy hormonów lokalnych, zwanych także cząsteczkami sygnałowymi lub ejkozanoidami (od ejkozanu – alkanu zawierającego 20 atomów C) Obok najlepiej znanych prostaglandyn występują też prostacykliny, tromboksany i leukotrieny, Leukotrieny są związkami niecyklicznymi. Szkielet węglowych pozostałych ejkozanoidów wywodzi się od niewystępującego w naturze kwasu prostanowego. 8 kwas prostanowy 12 5 1 COOH CH3 15 20 8 5 1 COOH 20 12 15 CH3 kwas arachidonowy Aktywność ejkozanoidów rozszerzają lub obkurczają naczynia krwionośne; stymulują mięśnie gładkie macicy (inicjują akcję porodową); regulują ruchy perystaltyczne przewodu pokarmowego; wpływają na pracę mięśni jelit i żołądka; regulują sekrecją soku żołądkowego; wpływają na sekrecję hormonów przysadki mózgowej; stymulują układ immunologiczny; wywołują miejscowe stany zapalne; działają przeciwzapalnie; regulują przepływ krwi; kontrolują transport jonów przez błony ... Niektóre z tych akcji są antagonistyczne wobec siebie – utrzymują równowagę korzystną dla organizmu. 17 Znanych jest kilka grup prostaglandyn; oznacza się je literami od PGA do PGJ, np. PGF2a – litera po skrócie PG określa rodzaj i rozmieszczenie grup funkcyjnych w pierścieniu. A oznacza grupę ketonową w pozycji 9 i podwójne wiązanie C10=C11. B – grupę C=O lub -OH również przy C9 oraz przy C6=C7 i C10=C11. F – dwie grupy -OH, przy C9 i C11. Greckie litery a lub b wskazują przestrzenne ułożenie podstawników: a pod płaszczyzną, a b nad płaszczyzną, indeks liczbowy dolny wskazuje liczbę C=C. Biosynteza ejkozanoidów zaczyna się od utworzenia pięcioczłonowego pierścienia z odpowiedniego kwasu polienowego zbudowanego z 20 atomów C 8 5 1 5 8 COOH 1 COOH O 8 O 12 1 5 COOH 20 12 15 CH3 cyklooksygenaza kwas arachidonowy 12 15 20 utlenienia do cyklicznego nadtlenku 20 15 COOH Z cyklicznego nadtlenku powstają odpowiednie ejkozanoidy PG TXA2, PGI2 18 Przykłady eikozanoidów H 10 H 8 O O H 5 11a 12 COOH 15 HO tromboksan (TXA2) inicjuje agregacje krwinek 20 O H H 9 OH OH H H HO 9 HO H 8 12 leukotetraen B4 5 5 COOH 15 HO 20 H prostaglandyna PGF2a 8 12 COOH H COOH O 9 HO H 12 15 OH 20 5 COOH 15 HO 20 H prostaglandyna A3 PGI2, inaczej prostacyklina (znana też pod innymi nazwami) jest najsilniejszym środkiem przeciwdziałającym krzepnieniu krwi PDE2 i PGF2 wywołują skurcze mięśni jelit i żołądka, wzmagają ruchy perystaltyczne jelit, w większych dawkach obniżają ciśnienie tętnicze krwi. Inicjują również i wzmagają rytmiczne skurcze macicy, współdziałają z oksytocyną. Razem z oksytocyną stosowane są w specjalistycznych klinikach do przyspieszania akcji porodowej. 19 Ejkozanoidy, zużywają się szybko, ponieważ czas ich życia jest krótki i z tego powodu ciągle potrzebne są nowe kwasy NNTK, gdyż z nich są wytwarzane PG. 95% PGF2 ulega dezaktywacji po przejściu przez płuca, na skutek utlenienia C=C. Największa aktywność w wytwarzania ejkozanoidów wykazuje skóra i dlatego na niej najszybciej widać objawy braku NNTK. Pobudzanie nerwów przez drapanie, głaskanie, akupunkturę, masaż, a nawet noszenie odzieży zgrzebnej stymuluje wytwarzanie ejkozanoidów. Aspiryna i inne niesteroidowe leki przeciwzapalne hamują wytwarzanie prostaglandyn odpowiedzialnych za wywoływanie stanów zapalnych. Również obniżanie krzepliwości krwi przez aspirynę wynika z hamowania przez nią syntezy tromboksanu TXA2. TŁUSZCZE Do tłuszczów właściwych zaliczane są triacyloglicerole (TAG), znane są jeszcze: diacyloglicerole – DAG i monoacyloglicerole – MAG CH2OH CH2O-COR CHOH CHO-COR' CH2OH CH2O-COR'' glicerol triacyloglicerol 20 Nazewnictwo stereospecyficzne - sn Ten sposób nazywania wymaga zapisania wzoru tak, żeby grupa OH znajdowała się po prawej stronie łańcucha węglowego, wówczas atom węgla znajdujący się nad chiralnym atomem węgla otrzymuje lokant 1 1CH O-COR 2 2 HO C H 3CH 3CH O-COR 2 2 1CH OH 2 2 HO C H OH 2 3CH H C OH O-COR 1CH 2 MAG 1-acylo-sn-glicerol O CH2O-C- (CH2)16CH3 HO C H CH2OH 1-stearoilo-sn-glicerol OH 2 3-acylo-sn-glicerol O CH2O-C- (CH2)16CH3 Zmiana położenia grupy OH wiąże się ze zmianą lokantów atomów C H C OH CH2OH 3-stearoilo-sn-glicerol Podobne zasady obowiązują dla DAG i TAG; przedstaw wzór strukturalny: 1-palmitoilo-2-stearoilo-3-oleinoilo-sn-glicerolu Rodzaje tłuszczów tłuszcze surowe; tłuszcze rafinowane zawierają >99% triacylogliceroli tłuszcze spożywcze (jadalne); tłuszcze techniczne oleje = tłuszcze ciekłe 21 Znaczenie tłuszczów Główne źródło energii dla zwierząt – 1g tłuszczu = 34 kJ (1g białka/cukru = 17 kJ) Człowiek o masie 70 kg ma zapas energetyczny zgromadzony w postaci tłuszczów – 420 MJ; białek – 105 MJ (głównie mięśnie); glikogenu – 5,5 MJ i glukozy – 0,17 MJ Tłuszcze naturalne to również biosubstraty w syntezie innych lipidów: fosfolipidów; ejkozanoidów; liposacharydów i lipoprotein. Tłuszcze naturalne to także źródło witamin: A, D, E i K. 22 Pozyskiwanie tłuszczów z surowców naturalnych Tłoczenie (np. oliwa z oliwek); odwirowanie (śmietana, masło); ekstrakcja (odzyskiwanie resztek T w wytłoków); wytapianie (smalec). Tłuszcze, które w formie surowej (np. oliwa) nadają się do bezpośredniego spożycia są najcenniejsze ! Zawierają wiele cennych substancji towarzyszących, w tym witaminy, antyoksydanty, fosfolipidy, białka, sacharydy ... Niektóre tłuszcze surowe wymagają rafinacji (oczyszczania) z uwagi na niekorzystny kolor, zapach, smak, a nawet obecność toksyn. W oleju z rącznika jest toksyczne białko – rycyna i alkaloid rycynina. W oleju bawełnianym barwnik gosspol, w oleju rzepakowym – tioglikozydy. Rafinacja tłuszczów prowadzi do produktów zawierających >99% TAG, wykorzystuje się do tego celu takie procesy jak: hydratacja (odśluzowanie), odkwaszanie, odbarwianie i odwanianie. Rafinacja umożliwia przekształcanie tłuszczów nieprzydatnych do spożycia w tłuszcze jadalne, często jednak staje się przyczyną niekorzystnych zmian, np.: usuwa cenne składniki; prowadzi do izomeryzacji cistrans, a także izomeryzacji – polieny izolowane zostają przekształcone w sprzężone oraz powoduje utlenienie wiązań C=C. 23 Światowa produkcja najbardziej popularnych tłuszczów Tłuszcze stałe lub oleje 1963-67 produkcja w mln ton/rok, średnio w latach 89-90 96-97 prognoza 2010 o. sojowy o. palmowy o. rzepakowy o. arachidowy o. bawełniany o. kokosowy oliwa 4,1 1,4 1,4 bd 2,6 2,0 1,4 16,3 10,9 7,9 3,8 3,7 3,0 1,9 20,8 17,1 11,4 4,4 4,0 3,1 2,0 25 30 16 bd 6 3 2 łój wołowy smalec masło o. rybny bd bd bd bd 6,6 5,5 5,3 1,6 7,5 6,1 5,2 1,4 bd bd bd bd 24 Najpopularniejsze tłuszcze Olej palmowy produkuje się ze względu na największą wydajność, z 1 ha uzyskuje się 7 ton/rok; oleju kokosowego 2 tony/rok, a oleju rzepakowego: 1 tona/rok. Oleje słonecznikowy i sojowy pomimo małej wydajności, odpowiednio 0,8 i 0,4 t/ha/rok są produkowane ze względu na walory dietetyczne. Łój, smalec i olej bawełniany stanowią odpad, odpowiednio przy produkcji mięsa i bawełny. Oliwy nie otrzymuje się z dużą wydajnością, ale jest uważana za tłuszcz wyjątkowo korzystny dla zdrowia. Oleje arachidowy i sezamowy mają specyficzny smak i zapach. Oleje sojowy, słonecznikowy i rzepakowy 0-erukowy są zalecane ze względu na dużą zawartość NNKT. Masło kakaowe ma t.t. zbliżoną do temperatury ciała ludzkiego. Olej kokosowy i oliwa zawierają mało kw. polienowych, przez co mają wysoką stabilność oksydacyjną – nadają się do smażenia. Oleje lniany i konopny zawierają dużo kw. polienowych, są stosowane do wyrobu lakierów i farb olejnych. Hydroliza tłuszczów kwasowa; zasadowa (zmydlanie); enzymatyczna Hydroliza kwasowa CH2O-COR CHO-COR' + HOH CH2O-COR'' H+ RCOOH + R'COOH + R''COOH + CH2-CH-CH2 OH OH OH 25 Hydroliza zasadowa CH2O-COR CHO-COR' + 3 NaOH CH2O-COR'' H+ RCOONa + R'COONa + R''COONa + CH2-CH-CH2 OH OH OH mydła glicerol Hydroliza enzymatyczna jest katalizowana lipazami. Większość lipaz (poznano >20) należy do glikoprotein; zawierają one od kilku do 15% masowego udziału cukrów. 2-acylo-sn-glicerol CH2O-COR R'CO-O C H CH2O-COR'' lipaza trzustkowa CH2OH R'CO-O C H + RCOOH + R''COOH CH2OH Lipaza trzustkowa zawiera głównie lipazę A1, która hydrolizuje specyficznie TAG w pozycji C1 i C3. Wydłużenie czasu hydrolizy powoduje całkowity rozkład TAG, ponieważ 2-acyloglicerole przegrupowują się w 1-acyloglicerole i też są hydrolizowane Fosfolipaza A, wydobywana z jadu pszczół, węży i niektórych drob-noustrojów jest niespecyficzna, katalizuje całkowitą hydrolizę TAG. Fosfolipaza A2 z Candida antartica A, katalizuje hydrolizę wiązania w położeniu sn-2. 26 Są też enzymy katalizujące hydrolizę TAG wyłącznie w położeniu sn-1 lub sn-2. Za pomocą specyficznych lipaz można oznaczyć reszty acylowe zajmujące określone pozycje w TAG – sn-1, sn-2 lub sn-3. Asn1 Asn2 Stereospecyficzne działanie lipaz CH2O-COR A R'CO-O C H A1 CH2O-COR'' Asn3 27 Regiospecyficzne rozmieszczenie reszt acylowych w TAG Tłuszcz sn16:0 % udział KT 18:0 18:1 18:2 inne o. sojowy 1 2 3 14 1 13 6 <1 6 23 22 28 48 70 45 9 (18:3) 7 „ 8 „ masło kakaowe 1 2 3 34 2 37 50 2 53 12 87 9 1 9 <1 1 (20:1) 0 2 (20:1) ludzki 1 2 3 39 10 25 10 2 9 33 50 51 3 9 5 5 (16:1) 11 „ 4 „ z kurczaków 1 2 3 25 15 24 6 4 6 33 43 35 14 23 16 12 (16:1) „ 7 12 „ 28 Oleochemia – chemiczne przetwarzanie tłuszczów. Przemysł tłuszczowy jest najstarszym działem chemii przemysłowej; pozyskiwanie tłuszczów znane już w dalekiej starożytności, było prowadzone głównie procesami fizykochemicznymi. Nowoczesny przemysł oleochemiczny to chemiczne modyfikacje tłuszczów: rafinacja; zmydlanie; utwardzanie (uwodornienie); transestryfikacja (w tym do biodiesla); redukcja kwasów tłuszczowych; otrzymywanie detergentów; produkcja smarów, farb i lakierów olejnych i pozyskiwanie wielu cennych surowców. Utwardzanie (uwodornianie) tłuszczów, czyli przekształcanie oleju w tłuszcz stały osiąga się przez obniżenie stopnia nienasyconości kwasów tłuszczowych w TAG Proces polega na katalitycznej redukcji tłuszczów wodorem H3C (CH2)7COOH HH H H2/Ni H k1 HH (CH2)7COOH H HH H2/Ni k2 kwas linolowy kwas a-linolenowy H3C (CH2)7COOH H3C H2/Ni k3 COOH H3C kw. stearynowy kwas oleinowy k1>k2>k3 29 Katalizatory selektywne pozwalają zatrzymać uwodornienie na dowolnym stopniu uwodornienia ponieważ uwodornienie kwasu 18:3 do kwasu 18:2 biegnie 8 – 15 razy szybciej niż uwodornienie kwasu 18:2 do kwasu 18:1. Podczas uwodornienia tłuszczów dochodzi do niep[ożądanej izomeryzacji cis trans; izomery trans są trwalsze, nadają korzystną strukturę margarynie, ale szkodzą zdrowiu. W trakcie uwodornienia powstają także niepożądane izomery sprzężone. Uwodornieniu szybciej ulegają reszty acylowe w położeniu sn-1 i sn-3 niż środkowe. Transestryfikacja polega na wymianie reszt acylowych (acydoliza) lub alkoholowych (alkoholiza) w cząsteczce TAG. Acydoliza następuje w wyniku działania kwasu. CH2O-COR R'CO-O C H + R'''COOH katalizator CH2O-COR''' R'CO-O C H CH2O-COR'' CH2O-COR'' CH2O-COR + R'''CO- O C H CH2O-OR'' + CH2O-COR + R'CO-O C H CH2O-COR''' CH2O-COR''' + R'CO-O C H + CH2O-COR''' 30 Do alkoholizy dochodzi podczas działania działania alkoholu na tłuszcz . Najbardziej znanym procesem, w którym wykorzystywana jest alkoholiza to przemiana tłuszczów na biodiesel. CH2O-COR R'CO-O C H kat. + MeOH RCOOMe + R'COOMe + R''COOMe+ glicerol CH2O-COR'' Do produkcji biodiesla najczęściej wykorzystuje się olej rzepakowy (w Europie) lub olej sojowy (w USA), zwykle jako katalizatora używa się bezwodnego KOH. Produkcję biodiesla można prowadzić sposobem domowym. Znana jest też transestryfikacja właściwa, czyli wymiana reszt acylowych pomiędzy cząsteczkami różnych tłuszczów. Stosowana jest, np. do otrzymywania namiastki masła kakaowego z oliwy i oleju bawełnianego. CH2O-COR R'CO-O C H CH2O-COR''' + CH2O-COR'' katalizator CH2O-COR''' R'CO-O C H + CH2O-COR'' W maśle kakaowym glicerol jest CH2O-COR''' acylowany w pozycji sn-2 głównie resztą kwasu oleinowego, a w sn-1 i sn-3 CH2O-COR''' stearynowego lub palmitnowego + R'CO-O C H R''''CO-O C H CH2O-R R'CO-O C H + CH2O -COR''' CH2O -COR''' 31 Substytuty tłuszczów Przez tysiąclecia ludzkość odczuwała deficyt żywności, dopiero w 2. połowie XX w. rozwój agrotechniki, wprowadzenie nowych wydajnych odmian roślin i zwierząt, szerokie stosowanie nawozów i środków ochrony oraz nowe technologie przechowywania produktów żywnościowych pozwoliły na zlikwidowanie głodu w wielu rejonach świata. Czasami głód był wprowadzany świadomie jako nacisk polityczny. W latach 30. XX w. w okresie Wielkiego Głodu w Zw. Sowieckim z głodu zginęło 6- 10 mln ludzi, z czego na samej Ukrainie – 4 mln. W Chinach klęskę głodu wywołano świadomie na przełomie lat 50. i 60. XX w. Ludzie w Etiopii, Somalii czy Korei Płn. I wielu innych krajów nadal cierpią głód. Natomiast w bogatych krajach dochodzi do nadprodukcji żywności, tania żywność sprzyja tyciu; w wyniku nadmiernego spożycia wzrasta liczba osób z nadwagą. Próbują oni różnych diet odchudzających, ale wciąż najlepszą dietą jest ograniczenie przyjmowania nadmiernych ilości pokarmów. Podjęto próby wyprodukowania niskokalorycznej żywności, na uwagę zasługują oleoestry – acylowana cukroza zawierająca 6-8 reszt kwasów tłuszczowych. Substancja ma smak i właściwości tłuszczu, ale nie jest trawiona; jest cząsteczką za OCOR dużą dla lipaz. Przechodzi niestrawiona przez przewód O OCOR ROCO O OCOR ROCO pokarmowy, co jest powodem poważnych problemów HO 32OCOR ROCO O żołądkowych. OCOR Fosfolipidy Znajdują się w każdej komórce; w największym stężeniu występują w żółtkach jaj, błonie komórkowej, tkankach nerwowych i w dojrzałych nasionach oleistych. Z uwagi na zawartość glicerolu lub sfingaminy dzielą się na glicerofosfolipidy i sfingofosfolipidy. W trakcie wyodrębniania z materiału biologicznego fosfolipidy przechodzą do frakcji lipidowej, pomimo tego, że są rozpuszczalne w wodzie, a nierozpuszczalne w acetonie. Glicerofosfolipidy wywodzą się od kwasu glicerofosforowego, czyli fosforanu sn-3glicerolu; kwas glicerofosforowy acylowany w pozycji sn-1 i sn-2 nosi nazwę kwasu fosfatydowego CH2O-COR CH2OH HO C H O R'CO-O C H CH2-O-P-OH CH2-O-P-OH O R'CO-O C H CH2-O-P-O- R'' OH OH OH kwas glicerofosforowy O CH2O-COR kwas fosfatydowy -COR i R’CO-: reszty KT; glicerofosfolipid (fosfolipid) -R’’: reszty alkoholi lub aminoalkoholi 33 glicerofosfolipidy polarna głowa glicerol OR'' 3 O P O -O O fosforan 2 1 O O O 2 1 3 4 1 2 5 6 3 7 4 8 5 9 6 10 7 11 8 9 12 11 12 10 13 14 15 hydrofobowy ogon Fosfolipidy zawierające reszty kwasów nasyconych łatwo krystalizują 16 13 14 15 16 Reszty kwasów nienasyconych zaburzają uporządkowanie cząsteczek 17 17 CH3 18 linolenian H3C stearynian 18 błona z nich utworzona ma mniejszą tendencję do krystalizacji, staje się elastyczna 34 Czarne błony Po nałożeniu fosfolipidu grubość błony w otworze o średnicy 1 mm osiąga 500-1000 nm. Światło odbija się od takiej błony, interferuje i tworzy tęczę. Grubość błony zmniejsza się z czasem; po kilku min osiąga 100 nm i odbite światło staje się srebrzyste. Kiedy grubość warstwy osiąga 30 nm, błona staje się przeźroczysta dla światła, wobec czego otwór dla obserwatora jest widoczny jako czarna dziura. W końcowym etapie grubość błony osiąga 5 nm, co odpowiada podwójnej warstwie fosfolipidu – warstwa bimolekularna. Nie przewodzi ona prądu. O O O O O O O O W środowisku polarnym (np. w wodzie) lipidy mają tendencje do samorzutnego tworzenia podwójnych warstw (bimolekularnych); na zewnątrz ustawiają się polarne części, grupując wewnątrz hydrofobowe łańcuchy O O O O O O O O Właściwości lipidowej warstwy podwójnej Samorzutnie rozprzestrzenia się na powierzchni wody, aż do osiągnięcia grubości 5 nm Samoistnie zasklepia brzegi, tak żeby łańcuchy hydrofobowe były wewnątrz. 35 Dokonuje samouszczelnienia przerw i ubytków. H H H H HH H H H H H H HH H H H H H H H H H H H HH H H HH H Na powietrzu tworzy bańki mydlane, których grubość odpowiada warstwie podwójnej. W wodzie podczas szybkiego mieszania powstają liposomy – małe pęcherzyki, których ścianka ma grubość warstwy bimolekularnej. Błony komórkowe zbudowane są z podwójnej warstwy fosfolipidowej; w niej tkwią elementy białkowe. W zależności od funkcji błony zawartość w niej fosfolipidów waha się od 20-75%. Elementy białkowe pływają jak wyspy w fosfolipidowejwarstwie bimolekularnej – po zlepieniu komórek dwóch gatunków następuje wymieszanie fragmentów białkowych. Przepuszczalność przez warstwę bimolekularną K+ 10-12 Cl- 10-10 Gly Trp 10-8 mocznik glicerol 10-6 CH2CHCOOH NH NH2 Trp indol 10-4 HOH 10-2 NH indol 36 Antybiotyki jonoforowe Polipeptydy, wytwarzane przez niektóre mikroorganizmy są w stanie wbudować się w błonę komórkową i uruchomić szkodliwy dla komórki transport jonów. Tworzą one w błonie kanaliki, często wypełnione wodą, przez które przepływają jony w sposób niekontrolowany. Przykładem takiego oligopeptydu, o właściwościach antybiotyku jest walinomycyna. H3C H H CH3 CH3 CH3 CH CH -O-C-CO-NH-C-CO-O-C-CO-NH-C-COCH3 L -Lac CH H3C CH3 Val H H val val Val D -Hiv D-Hiv Val val L -Lac L-Lac: kwas L-mlekowy; D-Hiv: kwas D-hydroksy- izowalerianowy L -Lac val D -Hiv L -Lac D -Hiv Val Podobnie działa gramicydyna A, 15-peptyd złożony z reszt AA o naprzemiennej konfiguracji D i L. Łańcuch gramicydyny A zwija się w b-helisę, eksponując na zewnątrz grupy hydrofobowe i w postaci dimeru wbudowuje się w błonę komórkową. Dimer ten tworzący kanał o średnicy 0,4 nm zdolny do przetransportowania 107 jonów Na+ w ciągu sekundy. 37 Sfingomieliny (ceramidy) NH2 CH3(CH2)12CH=CHCH-CHCH2-OH sfingozyna OH NH-COR O + CH3(CH2)12CH=CHCH-CHCH2-O-P-O-CH2CH2N(CH3)3 OOH sfingomielina ceramidy = N-acylosfingozyny H3C H3C acyl O (CH2)n NH (CH2)12 OH Pełnią ważną rolę w regulacji systemu odpornościowego, inicjują apoptozę, są inhibitorami kinazy C. sfingozynaOH NH2 Najprostsze glikolipidy - cerebrozydy są CH3(CH2)12CH=CHCH-CHCH2-O-D-glukoza glikozydami glukozy lub galaktozy ze sfingozyną. OH lub D-galaktoza cerebrozyd W skład bardziej złożonych glikolipidów wchodzą reszty oligosacharydowe, często rozgałęzione; te które zawierają resztę kwasu N-acetyloneuraminowego zaliczane są do kwasów sjalowych. CH2OH CHOH CHOH O AcNH HO HO COOH kwas N-acetyloneuraminowy 38 Kwasy mykolinowe Ściana komórkowa bakterii zbudowana jest z 3 głównych warstw: glikolipidowej, polisacharydowej (arabinogalaktanu) i glikopeptydowej Chemiczna struktura ściany komórkowej Mycobakterium Myc Myc (Ara)x (Ara)x -(Ara5Galn) O wartstwa polisacharydowa warstwa glikopeptydowa Myc: kw. mykolinowe w. glikolipidowa (Ara5Galn)- Ara5Gal2 warstwa glikolipidowa w. polisacharydowa Ara: arabinoza Gal: galaktoza O P OH O -GlaNHAc-MurNHAc-GlaNHAc-MurNHAc-GlaNHAc-MurNHAcAla Ala Ala D -izoGln D -izoGln D -izoGln A2pm A2pm D-Ala D-Ala A2pm w. glikopeptydowa MurNHAc: kwas N-acetylomuraminowy A2pm – kwas diaminopimelinowy D-Ala OMe CH3(CH2)17CH-CH(CH2)16CH-CH-(CH2)17-CH-CHCOOH C CH3 HO C24H49 H2 HOOC(CH2)14CH-CH=CH(CH2)16CH-CHCOOH CH3 HO C22H45 Kwas mykolinowy wyizolowany z M. tuberculosis – C85H158O4 Kwas mykolinowy wyizolowany z M. phlei – C60H116O5 39 Substancje czynne marihuany Substancjami czynnymi konopi Cannabis indica, C. sativa i C. ruderalis są tetrahydrokanabinole (THC); największe ich stężenie występuje w niezapylonych kwiatach. 9 H3C 6 9 H OH 1 8 7 6a 8 7 6a 2 H O5 CH3 CH3 CH3 CH3 4 3 (CH2)4-CH3 9-tetrahydrokanabinol (9-THC) H OH 1 H H3C O 5 CH3 H OH 2 6 4 3 (CH2)4-CH3 8-tetrahydrokanabinol (8-THC) H2C H H3C HO (CH2)4CH3 kanabidiol Z konopi wytwarza się takie produkty, jak marihuana, haszysz i olej konopny (haszolej). Najbardziej znana jest marihuana - mieszanina wysuszonych, niezapylonych żeńskich kwiatostanów oraz liści konopi odmiany żeńskiej i męskie. Haszysz (czaras) jest to zastygła żywica konopna zmieszana, np. z tłuszczami stałymi lub/i miodem, zwykle uformowana na kształt tabliczek czekolady. Olej konopny (haszolej) - produkt destylacji liści konopi z parą wodną. W destylacie zbiera się THC w postaci oleju. Podczas ogrzewania konopi zwiększa się zawartość aktywnych izomerów THC. 40 Marihunę zażywa się najczęściej przez: - palenie papierosów (jointów) lub fajek (np. wodnych); - spożywanie liści i czubków roślin lub - używanie jako przyprawy do zup czy sałatek. Marihuana, haszysz i hasz-olej wywołują: - stan zadowolenia; - euforię (niewrażliwość na przykre bodźce); - zamroczenie, senność i drętwienie kończyn. Największa szkodliwość marihuany polega na tym, że zamroczony pod jej wpływem kierowca samochodu lub operator innego urządzenia stwarza śmiertelne zagrożenie dla siebie i osób postronnych. 41