Wspólna właściwość lipidów - ich hydrofobowość
Zwracaliśmy już uwagę na to, że biocząsteczki cechuje wielka różnorodność. W poprzednich paragrafach rozglądnęliśmy białka, które są polimerami aminokwasów oraz węglowodany, których cząsteczki zawierają po kilka grup hydroksylowych i po jednej grupie aldehydowej, a także ich pochodne. W tym paragrafie skupimy się na grupie biocząste-czek połączonych nie tak pod względem struktury chemicznej, jak pod względem właściwości fizyko-chemicznych. Węglowodany, aminokwasy i większość białek (jak minimum częściowo) istnieją w środowisku wodnym. Cząsteczki tych związków posiadają polarne i naładowane grupy, które znakomicie współdziałają z rozpuszczalnikami polarnymi. Jednak w żywych organizmach jest też inna grupa różnorodnych, przeważnie niepolarnych związków. Są to lipidy. Mimo dość szerokiego zakresu chemicznych struktur lipidów, ich wspólną właściwością jest hydrofobowość: lipidy są nierozpuszczalne w wodzie, lecz dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych (benzen, chloroform, eter).
Tłuszcze obojętne - to pochodne glicerolu i kwasów tłuszczowych
Podstawą dla wielu lipidów organizmów żywych są kwasy tłuszczowe. Kwasy tłuszczowe - to związki zawierające grupę karboksylową (-COOH) i długi łańcuszek węglowodorowy (tab. 5.1). Łańcuszek węglowodorowy zapewnia kwasom tłuszczowym właściwości niepolarne, natomiast grupa karboksylowa może kontaktować ze środowiskiem wodnym. Kwasy tłuszczowe są typowymi cząsteczkami amfipatycznymi1 - związkami zawierającymi część polarną i apolarną. Taka cząsteczka może kontaktować jedną częścią z polarnym, a inną - z niepolarnym otoczeniem. Sole kwasów tłuszczowych - to dobrze znane nam mydła. Ich zdolność do otaczania niepolarnych fragmentów brudu, a potem przechodzenia wraz z nimi do wody wykorzystujemy w życiu codziennym.
Temperatura topnienia kwasu tłuszczowego prosto proporcjonalnie zależy od ilości węgla w cząsteczce, i odwrotnie proporcjonalnie - od stopnia nasyconości (ilości wiązań podwójnych).
Tabela 5.1. Niektóre naturalne kwasy tłuszczowe
1 Cząsteczki, które posiadają w swoim składzie hydrofilowe i hydrofobowe grupy atomów, nazywamy cząsteczkami amfipatycznymi (od gr. amphy - podwójny i philia - lubić). Jednocześnie substancje o podobnych właściwościach jednakowo źle rozpuszczają się jak w wodzie, tak i w substancjach niepolarnych.
2 Pierwsza liczba wskazuje ilość atomów węgla w cząsteczce kwasu tłuszczowego, a druga - ilość wiązań podwójnych.
Zwykłe kwasy tłuszczowe łączą się z alkoholami przy pomocy grup karboksylowych. Jednym z alkoholi, którego pochodne są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie, jest glicerol (gliceryna). Cząsteczka glicerolu ma trzy grupy hidroksylowe1, które mogą łączyć się z trzema cząsteczkami kwasów tłuszczowych. W taki sposób otrzymuje się cząsteczkę tłuszczu obojętnego (ryc. 5.1).
Długie niepolarne reszty kwasów tłuszczo-wy-ch - kwasowo tłuszczowe ogonki - zapewniają cząsteczkom tłuszczów niepolarność. W odróżnieniu od kwasów tłuszczowych cząsteczka tłuszczu nie ma odcinków polarnych dostępnych rozpuszczalnikowi.
W środowisku wodnym cząsteczki tłuszczów będą łączyć się ze sobą, zmniejszając do minimum powierzchnię współdziałania z wodą. Tak będą tworzyć się kropelki tłuszczu.
Codziennie masz do czynienia z tłuszczami. Do nich należą jak zwierzęce (wieprzowy, barani, mlekowy), tak i roślinne tłuszcze (olej słonecznikowy, oliwkowy, palmowy, masło kakaowe). Organizmy wykorzystują tłuszcze przede wszystkim do magazynowania energii. Bardziej szczegółowo funkcje tłuszczów rozpatrzymy w końcu tego paragrafu.
Tłuszcze błon są amfipatyczne i zawierają fosfor
Rozpatrzyliśmy już cząsteczki tłuszczów zbudowanych z glicerolu i trzech reszt kwasów tłuszczowych. Jeżeli do glicerolu przyłączymy tylko dwie reszty kwasów tłuszczowych, to zostanie jeszcze jedna grupa hydroksylowa, która nie bierze udziału w powstaniu wiązań chemicznych. Do niej można dołączyć jakąś cząsteczkę polarną lub grupę atomów posiadającą ładunek. Wtedy powstanie cząsteczka amfipatyczna zawierająca dwa niepolarne kwasowo lipidowe ogonki i dużą polarną lub naładowaną główkę. Niezwykle interesujące jest zachowanie takich cząsteczek w środowisku wodnym.
One też będą łączyć się ze sobą, ukrywając ogonki przed kontaktem z wodą, jednak polarne i naładowane główki będą skierowane do wody. Jest kilka typów struktur nad-cząsteczkowych, utworzonych przez cząsteczki amfipatyczne w wodzie, wśród których najważniejsze-to micela i błona dwuwarstwowa (ryc. 5.2, А, В, C). Micelajest strukturą sferyczną, w której ogonki niepolarne są skierowane do środka, a polarna główka - na zewnątrz. Bardziej interesująca i ważna pod względem funkcji biologicznej jest błona dwuwarstwowa. Jest to płaski arkusz utworzony z dwóch warstw lipidów.
W każdej warstwie cząsteczki rozmieszczają się w ten sposób, że ogonki niepolarne są zwrócone do środka arkuszu (naprzeciwko siebie), a główki są skierowane na zewnątrz - kontaktują z rozpuszczalnikiem. Właśnie taka błona dwuwarstwowa, zbudowana z cząsteczek amfipatycznych, jest podstawą błon komórkowych wszystkich organizmów żywych. Przykładem takiej cząsteczki może być lecytyna, która w dużej ilości znajduje się w komórkach zwierzęcych (ryc. 5.2, E). Nie wdając się w szczegóły opisu precyzyjnej chemicznej struktury tej cząsteczki, należy podkreślić, że w skład
główki wchodzi reszta kwasu ortofosforowego. Takie lipidy nazywają się fosfolipidami. Warto zauważyć, że do składu błon biologicznych wchodzą nie tylko fosfolipidy, chociaż one tworzą podstawę błon komórkowych zwierząt.
Steroidy - to i cegiełki, i regulatory
Podstawą tłuszczów i lipidów błon komórkowych bakterii i eukariotów są kwasy tłuszczowe. Jednak wśród lipidów są substancje, które znacznie różnią się od kwasów tłuszczowych. Jedna z nich - cholesterol - to życiowo niezbędny lipid. Cholesterol nadaje błonom twardość, dlatego najbardziej bogate w niego są błony komórkowe komórek zwierzęcych, które są pozbawione ściany komórkowej (ryc. 5.3).
Cholesterol jest ważny nie tylko jako niezastąpiony składnik błon biologicznych, jest on także podstawą bardzo różnorodnych związków - steroidów. Steroidy różnią się strukturą i funkcjami, lecz wszystkie są pochodnymi cholesterolu1.Oto tylko niektóre z nich.
Kwasy żółciowe - pochodne cholesterolu zawierające dużą ilość grup polarnych i grup z ładunkiem. Są one cząsteczkami amfipatycznymi i biorą udział w emulgacji tłuszczów w jelicie cienkim. Syntezują się w wątrobie.
Hormony steroidowe. Wiele hormonów - to pochodne cholesterolu. U człowieka do nich należą hormony gruczołów płciowych, hormony kory nadnerczy.
Witamina D też jest pochodną cholesterolu. Do organizmu człowieka ona zazwyczaj trafia w postaci prowitaminy, a potem dopiero przekształca się na witaminę w skórze pod wpływem ultrafioletowego promieniowania Słońca.
Biologiczna rola lipidów jest niespodziewanie różnorodna
Mówiąc o lipidach, należy przypomnieć, że one pełnią różnorodne funkcje biologiczne. Najważniejszą z nich jest funkcja strukturalna: z cząsteczek amfipatycznych lipidów są zbudowane błony (membrany) biologiczne - niezastąpiony składnik wszystkich żywych komórek. Również warto powiedzieć, że cząsteczki lipidów obowiązkowo mają wielką węglowodorową część. Spalaniu takiej cząsteczki towarzyszy wydzielanie jak dużej ilości energii, tak i dużej ilości wody metabolicznej. To przyczynia się do
tego, że lipidy (szczególnie tłuszcze) są bardzo dogodnymi substancjami zapasowymi. Tłuszcze gromadzą zwierzęta zapadające w sen zimowy (niedźwiedź brunatny), zwierzęta pustyń (wielbłąd, scynk grubo ogonowy) oraz magazynują się w nasionach rośliny (słonecznik). Tłuszcze źle przewodzą ciepło, dlatego są znakomitymi izolatorami cieplnymi. Ważna też jest rola podporowa tłuszczów w tkance tłuszczowej: wiele narządów naszego ciała otoczonych jest tkanką tłuszczową, która zapewnia zewnętrzną pdporę (typowym przykładem jest nerka: jeżeli otaczająca ją tkanka tłuszczowa wycieńcza się, to może dojść do opuszczenia się nerki). Gęstość tłuszczów jest niższa od gęstości wody, dlatego zwierzęta morskie wykorzystują je do podtrzymywania pławności. Warstwa lipidów jest wodoodporna, dlatego ona okrywa powierzchnię liści i nabłonek skóry, chroniąc je przed wysychaniem. Z tegoż powodu większość ptaków pływających smaruje swoje pióra wydzielinami tłuszczowymi gruczołu kuprowego w celu ochrony przed namoczeniem. Jak już wspominaliśmy, wiele pochodnych cholesterolu jest hormonami wykonującymi regulatorową funkcję oraz witaminami. Kwasy żółciowe biorą udział w emulgacji tłuszczów w jelicie cienkim dla zapewnienia ich trawienia. Na zakończenie dodamy, że wiele lipidów, o których nie było mowy w tym paragrafie, nadaje światowi zapachy: większość aromatów kwiatowych wywołują oleje estrowe, które zawierają lotne związki hydrofobowe.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
Wspólną właściwością dla wszystkich lipidów jest A hydrofilowość В polarność C hydrofobowość
D rozpuszczalność w wodzie E zwilżalność wodą Na rycinie cyframi 1-3 zaznaczono grupy A 1, 2 - polarne; 3 - niepolarne В 1, 2 - hydrofobowe; 3 - hydrofilowe C 1, 3 - hydrofilowe; 2 - hydrofobowe D 1, 3 - niepolarne; 2 - polarne E 1 - polarne; 2,3- hydrofilowe
Które z przytoczonych na rycinie obiektów wymieniono poprawnie?
A wszystkie nazwy są niepoprawne В 1, 2 - poprawne; 3 - niepoprawna C 1 - poprawna; 2,3- niepoprawne D 1, 3 - poprawne; 2 - niepoprawna E wszystkie nazwy są poprawne Pochodnymi cholesterolu są A tłuszcze obojętne В fosfolipidy C mydła
D kwasy żółciowe E oleje roślinne
Cząsteczka podana na rycinie jest utworzona
A glicerolem i trzema kwasami tłuszczowymi В cholesterolem i kwasem tłuszczowym C glicerolem i fosfolipidem D fosfolipidem i kwasem tłuszczowym E cholesterolem i glicerolem
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
Przypuść, jak będą zachowywać się cząsteczki amfipatyczne w substancji nie-polarnej (na przykład w oleju roślinnym). Narysuj rozmieszczenie cząsteczek w podanym układzie.
Jaka jest natura chemiczna tłuszczów obojętnych? Co to są za substancje z punktu widzenia chemii? Jaki jest związek między budową cząsteczek tłuszczów obojętnych i ich rolą biologiczną?
W komórkach zwierząt zmiennocieplnych ilość kwasów nienasyconych jest większa niż u stałocieplnych. Czym to można wytłumaczyć?
Według jakiej cechy chemicznie różnorodne substancje są łączone w jedną grupę lipidów? Czy, twoim zdaniem, można w taki sposób połączyć w jedną grupę wszystkie substancje hydrofilowe? Uzasadnij swoją odpowiedź.
Podaj opis biologicznej roli fosfolipidów. Jakie właściwości tych cząsteczek umiejętnie wykorzystują żywe organizmy podczas budowania błon (membran) biologicznych?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
Jakie steroidy występują w żywych organizmach? Jaka jest rola steroidów? Opisz, w jaki sposób steroidy biorą udział w humoralnej regulacji funkcji. Wiadomo, że temperatura topnienia kwasów tłuszczowych zależy od stopnia ich nasyconości: im bardziej nasycony jest kwas tłuszczowy, tym wyższa jest temperatura jego topnienia. Wiadomo też, że wszystkie błony biologiczne posiadają ciekłokrystaliczną strukturę. Opierając się na te dwa fakty, wyznacz, jakich kwasów tłuszczowych (nasyconych czy nienasyconych) jest więcej w lipidach zwierząt-mieszkańców strefy północnej.
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
Dlaczego zapas lipidów zbiera się w określonych miejscach organizmu, a nie jest równomiernie rozdzielony po całym organizmie?
Dlaczego istnieje problem transportu lipidów w organizmie i jak on się rozwiązuje?
Dodatek III
Problem transportu lipidów w organizmie
Z własnego doświadczenia dobrze wiemy, czym kończą się próby zmieszania w jednym pojemniku wody z olejem roślinnym. Po pewnym czasie obydwie ciecze wyraźnie oddzielają się jedna od drugiej i zachowują się jak ciecze niemieszające się. Sekret tego zjawiska jest
prosty: okazuje się, że zdolność dwóch ciekłych substancji do mieszania się, a nie „rozchodzenia się” w różne strony, wyznacza się ważną fizyko-chemiczną właściwością - polarnością cząsteczek.
Jena z najważniejszych grup biocząsteczek - lipidy - właśnie są tą grupą hydrofobowych substancji niepolarnych. Tę właściwość lipidów organizmy skutecznie wykorzystują do budowy błon biologicznych, których podstawowym składnikiem są lipidy. Jednak w organizmie nie wszystkie narządy mają jednakowe zdolności do syntezy lipidów. Mówiąc prościej, dla różnych tkanek i narządów charakterystyczna jest różna intensywność przemiany materii; wiele tkanek po prostu nie może syntezować sobie tyle lipidów, ile potrzebuje dla swojej czynności, zwłaszcza do budowy błon. Podstawowym narządem, który syntezuje lipidy dla organizmu jest wątroba - laboratorium biochemiczne organizmu. I tu powstaje problem: jak lipidy - substancje hydrofobowe, które powstają w wątrobie, można transportować do wszystkich narządów? Przecież podstawowy komponent układu transportowego organizmu - osocze krwi - to środowisko hydrofilowe: w takim środowisku lipidy niemożliwie jest rozpuścić, a znaczy również i transportować. Znaczenie tego zagadnięcia wzrasta, jeśli przypomniemy sobie, że w składzie codziennie spożywanego przez nas pokarmu są tłuszcze (grupa cząsteczek o naturze lipidowej), a ich też należy dostarczyć do różnych narządów.
Wiadomo, że oprócz budowy błon, organizm wykorzystuje lipidy jako energetyczny materiał zapasowy. Zapasowe lipidy są rozmieszczone w organizmie nierównomiernie i są zmagazynowane w dokładnie wyznaczonych miejscach - depo tłuszczowych. Kiedy pewne tkanki potrzebują energii, to powstaje ten sam problem transportu lipidów z miejsc magazynowania do odcinków organizmu potrzebujących energię. W jaki sposób żywe organizmy rozwiązują ten problem? W tym przypadku mamy do czynienia z genialnym wynalazkiem przyrody: lipidy hydrofobowe okrywają się powłoką białek hydrofilowych, tworząc lipoproteidy i właśnie w takiej postaci krążą w układzie krwionośnym.
Lipoproteiny krwi są bardzo różnorodne i różnią się od siebie pod względem wymiarów i gęstości powstających cząsteczek. Podstawowym parametrem, według którego dokonuje się klasyfikacji grup lipoproteiny, jest gęstość (ryc. III. 1). Największe pod względem rozmiarów lipoproteiny o minimalnej gęstości nazywamy chylomikronami. Powstają one w komórkach jelita cienkiego i przenoszą nadchodzące do organizmu z pokarmem lipidy (przeważnie są to tłuszcze obojętne). Następnie one dostają się do naczyń limfatycznych, a z nich nadchodzą do krwi i kierują się do miejsc magazynowania tłuszczu. Tam zachodzi składanie nowych cząsteczek - lipoproteinów o bardzo małej gęstości (VLDL). W odróżnieniu od chylomikronów, lipoproteiny transportują tłuszcze obojętne pochodzenia wewnątrzorganizmowego, a nie z otrzymanego pokarmu. Właśnie VLDL odpowiada za dostarczanie cząsteczek, które zapewniają zapotrzebowanie narządów na materiał energetyczny.
Transport innych cząsteczek lipidowych, takich jak cholesterol i fosfolipidy, zapewniają lipoproteiny o niskiej gęstości (LDL) i lopoproteiny o wysokiej gęstości (HDL). Te lipoproteiny transportują lipidy od miejsca ich syntezy - wątroby - do miejsca ich wykorzystania, to znaczy do narządów i tkanek. W znaczeniu fizjologicznym LDL są określane mianem zły cholesterol: duża ich ilość wskazuje na zwiększoną zawartość cholesterolu we krwi i jego wiarygodne odkładanie na ścianach naczyń, co może doprowadzić do powstania miażdżycy. Lipoproteiny HDL natomiast są określane mianem dobry cholesterol, ponieważ one obniżają ryzyko powstania miażdżycy.Być może, że jednym z mechanizmów rozwoju i rozpowszechnienia tego schorzenia jest zakłócenie bilansu między LDL i HDL.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow