Kémia | Tanulmányok, esszék » Gombosi András - Szerves kémia házi dolgozat

Szerves kémia dolgozat - foszfolipidek biológiai membrán felépítése szteroidok D-vitamin Szteroidos nemi hormonok Készítette: Gombosi András Ajka. 2001-12-09 Foszfolipidek: A foszfolipidek legtöbbször foszforsavból, glicerinből (esetleg egyéb alkoholokból) zsírsavból és legtöbbször nitrogéntartalmú komponensekből összeálló vegyületek. Mind növényi mind állati szervezetben előfordulnak. Fontosak a biológiai membránok felépítésében, az ideg – és agyszövet, valamint a máj és vese jelentős része ugyancsak foszfolipidekből épül fel. A foszfolipidek hidrofil és hidrofób csoportokat egyaránt tartalmaznak, felületaktívak, és a poláris és apoláris molekularészletekből kifolyólag egyik oldaluk vizes, másik oldaluk apoláris közegben oldódik. Minden állati és növényi sejtben megtalálható, és fontos biológiai funkciókat ellátó vegyületek. Szerkezetükre egyaránt jellemző, hogy tartalmaznak egy diglicerid-részt

(két molekula zsírsavval észterezett glicerint), és a glicerin harmadik hidroxilcsoportjához észterkötéssel kapcsolódó foszforsavat. Foszfatidról akkor beszélünk, ha a foszforsavrész észterkötést alakít ki egy másik alkohol jellegű vegyülettel. Ez utóbbi komponens jellege szerint szokás a foszfatidok különböző típusairól beszélni. Szokásos felosztásuk a következő: -foszfatidsavak -kolin-foszfatidok (lecitinek) -kolamin-foszfatidok (kefalinok) -szfingomielinek -szerin-foszfatidok -inozit-foszfatidok -plazmalogének -egyéb foszfolipidek A foszfaidsavak oly módon származtathatók a trigliceridekből, hogy az egyik zsírsavat foszforsavval helyettesítjük. A két lehetséges foszfatidsav közül a természetben az alfa-forma fordul elő. 1. Ábra: a szappanszerkezet természetes megfelelõje: poláris foszfátfej, két apoláros farok Az agy foszfatidjainak nagy részét a plazmalogének az képezik. Régebben acetál--foszfatidoknak is nevezték

őket, mert ciklusos acetálszerkezetet tulajdonítottak nekik. A szfingomielinek nitrogéntartalmú alkoholból, szingozinból, nagy molekulatömegű zsírsavakból, foszforsavból és bázisból állnak. A lecitinek és kefalinok az élő szervezetekben a sejtek és különösen a biológiai membránok felépítésében jelentősek, de a tojássárgájában is megtalálható nagy mennyiségű lecitin. Szintén lecitin található meg nagy mennyiségben a szójababban, amit margarinok, majonéz stabilizálására használnak. Legtöbbször más lipidekkel együtt fehérjékkel, szénhidrátokkal és egyéb komponensekkel többé-kevésbé stabilis komplexet képeznek. Az utóbbi években az elválasztás-technikában és a szerkezetvizsgálatban elért nagy haladás eredményeként nagyszámú lecitint, ill. kefalint sikerült azonosítani, és bizonyos törvényszerűségeket felfedezni a vegyületekben lévő zsírsavak elrendezésével kapcsolatban. Általában az 1 helyzetben

telített, a 2 helyzetben telítetlen zsírsavak találhatók. A zsírszövet-összetétel és a biológiai membránok specifikus áteresztőképessége között összefüggések mutathatók ki. A természetes foszfatidok mind L-konfigurációjúak, felületaktívak, hidrofil és hidrofób csoportjaik révén jó emulgálószerek. A foszfolipidek egymásba könnyen átalakíthatók, illetve átalakulnak dekarboxilezés ill. teljes metilezés segítségével A foszfatidok az állati szervezetek zsír-anyagcseréjében emulzifikátorként, illetve emulziók stabilizátoraként működnek, de szerepük van a hidrofób sejtmembránom felépítésében is. A sejtmembrán A sejtélet kémiai folyamatai vizes közegben játszódnak le. A sejtek intracelluláris alkotóit főként vízoldékony molekulák építik fel, s a sejtek körül is vizes közeg helyezkedik el. Annak érdekében, hogy a sejtek megtarthassák integritásukat, szükségük van egy olyan környezetre, amelyen a víz nem

hatol át szabadon. Ezt a szerepet a lipidekbôl és fehérjékből felépülő biológiai membrán tölti be. Minden sejtmembrán lipideket és fehérjéket tartalmaz, függetlenül attól, hogy milyen szervezetből származik. A fehérje/lipid arány a membránok típusától függően jelentősen változik. A mitokondriális membrán például 76%-ban tartalmaz fehérjéket, az idegsejtek axonjait szigetelő mielin membránjai viszont csak 18%-ban. A mielin magas foszfolipid tartalma miatt alkalmas a környéki idegrendszer idegeinek elektromos szigetelésére. A membrán szerkezetére vonatkozóan számos feltevés alakult ki az évek során. Mai ismereteink szerint a Singer és Nicholson által 1972-ben leírt, s azóta is folyamatosan módosított “félfolyékony mozaik membrán modell” az, amelyik legpontosabban írja le a biológiai membrán szerkezetét, s magyarázza meg tulajdonságait. Ez a membránmodell feltételezte a lipid kettős rétegben levő fehérjemolekulák

mozaikszerű elrendeződését, amelyet később bizonyítottak is. A modell szerint mind a lipidek, mind pedig a fehérje molekulák szabadon mozoghatnak, úszhatnak a membránban. A sejtet a külvilágtól a sejtmembrán határolja el. De nem csak elválasztja, hanem össze is kapcsolja. Aktív része a sejtnek, biztosítja és szabályozza az anyagok és információk ki és beáramlását, szerepet játszik a sejt mozgásaiban, s egyes vélemények szerint a rákos sejtburjánzásban is. Membrán burkolja a sejten belül a különböző sejtszervecskéket, organellumokat s a sejtmagot is. 2. ábra A sejt szerkezete A sejtmembrán alapja egy lipidmolekulából álló kettős réteg. A lipidmolekulák legjellemzőbb s a membránalkotás szempontjából igen fontos tulajdonsága, hogy egyik végük vízben oldódó, hidrofil, a másik végük zsírszerű, vízben nem oldódó, hidrofób. A membránlipidek túlnyomó többsége foszfolipid Vizes közegbe kerülve a

foszfolipidmolekulák spontán kettős réteggé rendeződnek, olyanformán, hogy a külső oldalon a víz felé néznek a hidrofil fejek, és befelé, a kettős réteg belseje felé a hidrofób farkok, amelyek kiszorítják onnan a vizet. 3. ábra • foszfolipidekbõl felépülő kétrétegű membrán, más lipidek a membrán apoláris részében találhatók A kialakuló membránok a vízben gömb alakot vesznek fel, vezikulákat alkotnak. Ennek a jelenségnek energetikai oka van: ez az elrendezés biztosítja a legalacsonyabb szabad energia szintet. A membránokat biológiai szempontból két tulajdonságuk teszi nagyon fontossá: mivel belsejük hidrofób szénhidrogén, átjárhatatlanok a biológiai molekulák aminosavak, nukleinsavak, fehérjék, cukrok és ionok számára. Ezért működhetnek válaszfalként. A másik nagyon fontos tulajdonságuk, hogy lágyak, rugalmasak, viszkozitásuk az olajéhoz hasonló. Tulajdonképpen kétdimenziós folyadékok. "Ha merevek

lennének, akkor pl az emberi nyakban futó idegsejtek minden bólintásnál megrepednének" (Bretscher, 1985). A lipidösszetétel is eltérő a különböző membránokban. Minden membrán meghatározott arányban tartalmaz foszfolipideket, főként foszfoglicerideket. A membránban levő foszfolipidek amfipatikusak, vagyis hidrofób és hidrofil régióval egyaránt rendelkeznek. A membránokban levő zsírsavak szinte mindegyike páros számú szénatomot (főként 16, 18, esetleg 20) tartalmaz. A telítetlen zsírsavláncok általában egy, két, ritkábban három vagy négy kettős kötést tartalmaznak; ahol a lánc megtörik, a kettős kötést tartalmazó zsírsavlánc-részlet nagyobb térigénye révén lazítja, “folyékonyabbá” teszi a membrán szerkezetét. A kettős kötések főként cisz konformációt alakítanak ki. A foszfolipidek közötti legnagyobb különbséget a poláris fej elektromos töltése okozza. Néhány foszfoglicerid (például a

foszfatidilkolin vagy a foszfatidiletanolamin) semleges, mások (így a foszfatidilglicerol, a kardiolipin vagy a foszfatidilszerin) negatív töltések. Néhány, ritkábban előforduló foszfolipid semleges pH mellett pozitív töltéssel rendelkezik. A foszfolipidek poláris feji régiói jellegzetes kettős réteg struktúrát alakítanak ki. A szfingomielinek és a glikolipidek hasonló térbeli szerkezettel rendelkeznek, mint a foszfogliceridek, és kevert (hidrofil és hidrofób) kettős réteget alkothatnak velük. A koleszterin és származékai a membránokat felépítő anyagok egy másik osztályát képezik. Ezek a szteroid típusú vegyületek csoportjába tartoznak A koleszterin az állati szövetek elsődleges szteroid alkotója; más szteroidok inkább a növényekben játszanak fontos szerepet. A koleszterin bőségesen jelen van az emlősök plazmamembránjában, de hiányzik (vagy csupán nyomokban van jelen) a legtöbb prokarióta és növény sejtmembránjából.

Egyes lipidek csak meghatározott helyeken fordulnak elő, így például a galaktolipidek a kloroplasztisz tilakoid membránjának 70%-át alkotják, a foszfolipid difoszfatidilglicerol (kardiolipin) pedig a mitokondrium belső membránjában található meg nagy mennyiségben. A kettős réteg fluiditása, azaz folyékonysága, a sejt növekedése, osztódása és mozgása szempontjából létfontosságú. Minden sejtmembrán a különböző zsírsavláncok keverékét tartalmazza, amelyek folyékonyak azon a hőmérsékleten, amelyen a sejt vagy szervezet él. A hőmérséklet csökkenéséhez az állati sejtek és baktériumok úgy alkalmazkodnak, hogy megnövelik a telítetlen zsírsavak arányát a telített zsírsavakkal szemben, ezáltal biztosítva a membrán fluiditását alacsonyabb hőmérsékleten is. Egy másik fontos tényező, amely a membrán fluiditását befolyásolja, a membránban található koleszterin mennyisége. A koleszterin molekula túlságosan hidrofób

ahhoz, hogy más koleszterin molekulákkal együtt lapszer struktúrát hozzon létre, de beépül (interkalálódik) a biológiai membrán foszfolipid molekulái közé. A foszfolipidek poláris feji régiói mellett a koleszterin poláris hidroxil csoportja kapcsolatban áll a vizes fázissal. A koleszterin szteroid váza a zsírsavláncokhoz kapcsolódik és csökkenti, illetve gátolja azok szabad mozgását a lipid kettős rétegen belül; a molekula nagy térigénye miatt szétválasztja, fellazítja a zsírsavakat, ezáltal a membrán szerkezetét átalakítja. A membrán szerkezete A biológiai membránok alkotóelemeik nagymérték változatossága ellenére minden biomembránra jellemző, foszfolipidekből és fehérjékből álló kettős réteg szerkezettel rendelkeznek (3. Ábra) A membránt két foszfolipid molekularéteg alkotja úgy, hogy a poláris feji régiók a membrán két felszínén érintkeznek a vizes fázissal, a zsírsavláncok pedig folyamatos, 3 nm-es

hidrofób belső réteget képeznek. A főbb erők, amelyek ezt a struktúrát kialakítják és fenntartják, a következők: • hidrofób kölcsönhatások a glikolipid és foszfolipid molekulák zsírsavláncai között • Van der Waals kölcsönhatások a szénhidrogén láncok között, amelyek a hidrofób farki régiók szorosabb szerveződését segítik elő • hidrogénhíd-kötések és elektrosztatikus erők, amelyek a poláris feji csoportok és a vízmolekulák között jönnek létre. A hőmozgás a foszfolipid és glikolipid molekulák számára saját tengelyük körüli rotációs mozgást és laterális diffúziót engedélyez. E mozgások eredményeként a zsírsavláncok a membrán hidrofób régióján belül maradnak. Egy tipikus lipid molekula 37°Con másodpercenként kb 107 alkalommal cserél helyet a szomszédjával, mialatt a lipidrétegben néhány µm-t tesz meg. Így egy lipid molekula a baktérium pár µm-es hosszúságát néhány másodperc

alatt körbejárhatja, s egy tipikus állati sejt felszínén is 15-25 s alatt vándorol végig. Tisztán foszfolipidből álló membránban a lipidrétegek között a foszfolipid molekulák nem jutnak át az egyik rétegből a másikba, azonban néhány természetes membránban néha megfigyelhető az ilyen jellegű, ún. flip-flop mozgás Mivel ennél a mozgásnál a poláris feji régiónak át kell jutnia a membrán belső, hidrofób régióján, ez a mozgás energetikai szempontból kedvezőtlen, ezért létrejöttéhez a membrán fehérjék közreműködésére is szükség van. A membrán felszínei Minden kettős lipid rétegnek van egy belső, azaz internális felülete, amelyik a sejt belső tartalmával érintkezik, és egy külső, vagyis externális felülete amelyik a környezet felé néz. Mivel a legtöbb sejtszervecskét kettős lipid rétegből álló biológiai membrán vesz körül, ezért érdemes meghatározni a membrán citoplazmatikus, ill. exoplazmatikus

felszínét Az exoplazmatikus felszín az extracelluláris tér felé néz, és a sejt külső határát hozza létre. Néhány sejtszervecske, mint például a mitokondrium vagy a sejtmag kétszeres biológiai membránnal határoltak, így ezekben az esetekben az exoplazmatikus felszín a két membrán között levő üreg (lumen) felé néz. Néhány sejtszervecske (sejtmag, mitokondrium, kloroplasztisz) kettős membránnal határolt. A biológiai membrán szerkezete az egész élővilágban azonos Szteroidok A szterioidok fontos kémiai, biológiai, gyógyszertani szempontból egyaránt kiemelkedő vegyületcsoportot képviselnek az izoprénvázas vegyületek közül. A legrégebben ismert szteránvázas vegyület, a koleszterin sok sajátosságával, szerkezeti vázával rendelkeznek. Ez a szerkezeti váz egy tetraciklusos gyűrűrendszert jelent, amelyhez a nyíllal megjelölt helyeken metilcsoport, illetve több szénatomos oldallánc vagy újabb gyűrű kapcsolódhat.

koleszterin Így a koleszterinhez hasonlóan a szteroidok kristályos, színtelen vegyületek, s a nemészter jellegű lipidek vagy zsírnemű anyagok fontos képviselői, hidrofób tulajdonságúak, zsíroldószerekben jól oldódnak. Biológiai szempontból nagyon figyelemreméltó anyagok. Szerkezetük, mint az általános szteránváz-képletnek megfelelő koleszteriné is, jóformán minden szteroidra érvényes. A sokféleséget az ötszénatomos gyűrűhöz kapcsolódó funkciós csoportok változatossága adja. Koleszterin. A kolesztein a gerincesek minden szövetében- mintegy 0,05- 0,1%-nyi mennyiségben – megtalálható kristályos vegyület. 1815-ben különítette el Chevreul az epekőből, melynek fő összetevőjét képezi. D-vitamin Már a múlt század elején ismeretes volt, hogy az angolkór csukamájolaj adagolásával gyógyítható. Patkánykísérletek igazoltás, hogy az angolkór hiánybetegség A hiányzó, még ismeretlen, zsíroldó szerekben

oldható tápanyagkomponenst D-vitaminnak nevezték el. Azt is megfigyelték, hogy az angolkórra a test napfénnyel vagy UV-fénnyel történő besugárzása jótékonyan hat. Előbb arra gyanakodtak, hogy a koleszterin alakul át napsugarak hatására Dvitaminná, de részletesebb vizsgálatok alapján ezt az elképzelést el kellett vetni Minden kétséget kizáróan kimutatták viszont, hogy anyarozsból, majd az élesztőből is elkülönített ergoszterinből UV-sugárzás hatására valóban D-vitamin-hatású termék képződik. A besugárzott anyagból egy egységesnek tűnő, D-vitamin-hatást mutató terméket különítettek el, amelyet D1-vitaminnak vagy kalciferolnak neveztek. A kalciferol azonban később összetettnek bizonyult, de sikerült belőle egy valóban egységes vegyületet leválasztani, amelynek a D2-vitamin vagy az ergokalciferol nevet adták Ugyancsak megállapították, hogy a 7.dehidrokoleszterinből is D-vitaminhatású termék, a D3-vitaminnak vagy

kolekalciferolnak nevezett termék képződik. A természetben kisebb mennyiségben előforduló D2-vitamint növényi D-vitaminnak, a halmájolajban, tojássárgájában, tejben megtalálható D3-vitamint állati D-vitaminnak is nevezik. A gyógyszeripar besugárzással mindkét vitamint előállítja ergoszterinből, illetve7 dehidrokoleszterinből. Szteroidos nemi hormonok A szeroidhormonok a szteroidok különösen jelentős csoportját alkotják. Megkülönböztetünk nemi és vagy szexuálhormonokat, mellékvesekéreg-hormonokat vagy kortikoidokat és metamorfózishormonokat, amik elsősorban a rovarok átalakulásaiban játszanak jelentős szerepet. Nemi hormonok. Állatkísérletek eredményeiből kitűnik, hogy léteznek női és férfi szexuálhormonok. A női nemi hormonok között két eltérő funkciójú típust lehetett megkülönböztetni: az ösztrogéneket és a gesztgéneket. A férfi nemi hormonoknak egyetlen típusa van. Ezeket androgéneknek nevezzük

Ösztrogének. A nem terhes nők petefészkének tüszőiben két hormon, az ösztrogén és az ösztradiol termelődik. Ezek a menstruációs ciklust szabályozzák Kiváltják a peteérést, a megtermékenyülés után pedig a terhesség fenntartásában van szerepük. Ekkor már a placentában termelődnek. Elősegítik továbbá a nemi szervek és ismertetőjelek kifejlődését Az ösztrogénekhez számítják továbbá az ösztriolt, amely valószínűleg a már említettekből keletkezik, valamint ösztrogén hatású szintetikus vegyületeket. Az ösztrogéneket gyógyászatban vetélések kivédésére, cikluszavarok gyógyítására és klimaxos panaszok ellen használják. Gesztagének. A gesztagének a terhesség fenntartását biztosító hormonok Legfontosabb képviselőjük a progeszteron. Először 1934-ben sárgatestből izolálták, ezért sárgatesthormonnak is nevezik. A progeszteron hatására a méhfal nyálkahártyája felkészül a megtermékenyítet

petesejt befogadására. A hormon ugyanakkor gátolja a további tüszők érését és hatással van a tejmirigyekre is. Mint gyógyszert vetélések kivédésére használják Számos szintetikus származéka is hatásos. Ovulációgátló hatásuk miatt egyes származékokat fogamzásgátló szerekben is alkalmaznak. • a nemi hormonok és a fogamzásgátló tabletták szteroidok. Androgének. A hím szexuálhormonokat nevezzük androgéneknek, amelyek a másodlagos nemi jellemvonások kifejlődését idézik elől Elősegítik az izomzat felépítését is. Az első androgén hormont Butenandt izolálta1931-ben. Később kitűnt Hogy az andoszteron a herében termelődő tesztoszteron átalakulási –és a vizelettel kiürülő – terméke. Az eredeti hormont - a tesztoszteront – Laquer és munkatársai különítették el bikaheréből. Egyéb szteroidos hormonok még a mellékvesekéreg által termelt kortikoszteroidok, és az anabolikumok, amik serkentik a

fehérjeszintézist, ezáltal az izmok növekedését is, miáltal nagy népszerűségnek örvendenek az edzőtermek közönségénél annak ellenére, hogy többségük szedése illegális. Felhasznál irodalom: Kovács Kálmán - Álmos Miklós: A szerves kémia. Dr. Pfeiffer Ádám : Kémia II Markó László – Farády László : Szerves Kémia I. II III Furka Árpád : Szerves Kémia