Lipidy Cholevová Jana Masarykova univerzita Lipidy 2 OBSAH ÚVOD......................................................................................................................4 OBECNÁ CHARAKTERISTIKA........................................................................4 Otázka pro zvídavé chemiky č. 1...............................................................................5 ROZDĚLENÍ LIPIDŮ...........................................................................................5 Mastné kyseliny v lipidech.........................................................................................6 JEDNODUCHÉ LIPIDY.......................................................................................7 Acylglyceroly...............................................................................................................7 Otázka pro zvídavé chemiky č. 2...............................................................................9 Reakce triacylglycerolů ..............................................................................................9 Vosky...........................................................................................................................11 Prostaglandiny............................................................................................................12 SLOŽENÉ LIPIDY..............................................................................................13 Fosfolipidy..................................................................................................................13 Glykolipidy.................................................................................................................15 Lipoproteiny...............................................................................................................16 HLAVNÍ BIOLOGICKÉ FUNKCE LIPIDŮ ...................................................16 SHRNUTÍ .............................................................................................................17 ODPOVĚDI NA OTÁZKY PRO ZVÍDAVÉ CHEMIKY ...............................19 PROCVIČUJ ........................................................................................................20 ŘEŠENÍ PŘÍKLADŮ ..........................................................................................22 Lipidy 3 Vysvětlivky Řešené úkoly k procvičení – úkoly, které jsou umístěny bezprostředně za probranou látkou. Úlohy obsahují postup i správné řešení. Úkoly k samostatnému řešení – úkoly, jejichž správné výsledky jsou zobrazeny na konci daného cvičení. Otázka pro zvídavé chemiky – úloha na zamyšlení, jejímž řešením si lze prohloubit znalosti chemie. Znalost odpovědí není bezprostředně nutná pro zvládnutí základní probírané látky. Lipidy 4 ÚVOD Když zazní slovo lipidy, spousta lidí se domnívá, že jeho synonymem jsou prostě tuky. Většina z nás by mezi tuky zařadila máslo, sádlo a nejspíš i různé druhy olejů, jako je například v kuchyni běžně používaný slunečnicový, řepkový a v neposlední řadě dnes velmi často vyhledávaný olivový olej. My se v této kapitole dozvíme, že tuky jsou pouze jednou ze skupin lipidů, tedy jejich podmnožinou. Příkladem lipidů mohou být totiž nejen tuky a oleje, ale také vosky nebo mnohé vitamíny či hormony. S těmito látkami se běžně setkáváme v různých oblastech našeho života. Vždyť časopisy, knihy i internet jsou plné článků a informací o tucích. Často můžeme číst diskuze dietologů a odborníků na zdravou výživu o tom, jestli jsou tuky špatné či dobré nebo například zda daný tuky konzumovat nebo se ho radši vyhnout. V dnešní době se stal fenoménem mezi tuky palmový olej, který stojí za velkou rozepří odborníků, ochránců přírody a výrobců potravin. Jeho produkce za posledních třicet let mnohonásobně vzrostla a stal se jedním z nejpoužívanějších rostlinných výrobků v potravinářství. Palmový olej se získává lisováním oplodí palmy olejné, která původem pochází ze zemí západní Afriky. Dnes se však pěstuje hlavně v Indonésii a Malajsii na rozsáhlých plantážích, které vznikly vykácením nebo vypálením původního deštného pralesa. Z těchto plantáží pochází zhruba 85 % veškerého palmového oleje, který běžně jíme v sušenkách nebo pečivu, aniž bychom o tom měli tušení. Přitom palmový olej se neřadí mezi zdraví zcela neškodné látky. Obsahuje totiž velké množství nasycených mastných kyselin, které mohou způsobit například ucpávání cév, což může vést k infarktům nebo jiným zdravotním potížím. Proč tedy ničíme planetu i lidské zdraví palmovým olejem, když známe i jiné, přívětivější rostlinné oleje? Odpověď je jednoduchá, palmový olej má výhodné vlastnosti, které se hodí v potravinářství, ale na rozdíl od jiných tuků, které mají vlastnosti podobné, je levný. OBECNÁ CHARAKTERISTIKA Lipidy můžeme obecně definovat jako malé chemicky i funkčně nesourodé organické sloučeniny, produkované rostlinnými i živočišnými organismy, ve kterých poté tyto látky plní spoustu důležitých funkcí. Jejich nejvýraznější vlastností je velmi omezená rozpustnost ve vodě, která je způsobena přítomností velkých nepolárních uhlovodíkových struktur v jejich molekule. Současně ve svých molekulách obsahují jen velice málo atomů O, S, N nebo P schopných vytvářet polární vazby. Naopak dobře rozpustné jsou v organických nepolárních rozpouštědlech např. v benzenu, etheru, methanolu nebo chloroformu. Těmito rozpouštědly proto mohou být lipidy snadno extrahovány a izolovány z buněk tkání Charakteristika Název lipidy pochází z řeckého lipos, což znamená tučný. Plody palmy olejné Lipidy 5 a pletiv organismů. Jak jste si mohli všimnout, lipidy jsou tedy definovány na základě fyzikálních vlastností (rozpustnosti), na rozdíl od jiných skupin organických sloučenin, například sacharidů nebo bílkovin, které jsou definovány podle své struktury. Otázka pro zvídavé chemiky č. 1 Další důležitou vlastností lipidů je jejich hořlavost. Hořlavost lipidů se dříve využívala ke svícení v domácnostech. Protože se jedná o formu svícení pomocí otevřeného plamene, představuje jisté nebezpečí vzniku požáru. Je obecně známé, že hořící tuk se nesmí hasit vodou. Dokázali byste vysvětlit proč tomu tak je? Pokuste se navrhnout způsob hašení hořícího tuku. ROZDĚLENÍ LIPIDŮ Jak už jste se dozvěděli dříve, lipidy jsou různorodé látky, a proto je dělíme do několika skupin podle různých kritérií. Z pohledu trávení lze lipidy rozdělit na dvě základní skupiny. Lipidy hydrolyzovatelné, to jsou ty, v jejichž molekule je esterová vazba, kterou lze hydrolyticky štěpit na menší složky, například v tucích a voscích. Druhou skupinu pak tvoří lipidy nehydrolyzovatelné, které esterovou vazbu nemají a rozkladu tedy nepodléhají, například cholesterol a jiné steroidy. Z chemického hlediska pak můžeme lipidy rozdělit na jednoduché a složené, kdy složené lipidy se od jednoduchých liší tím, že obsahují navíc polární skupinu, popřípadě další části molekuly, které se u jednoduchých lipidů nevyskytují. Někdy se k lipidům řadí i takzvané izoprenoidy, které dělíme na terpeny a steroidy. Tyto látky však mají odlišnou strukturu a s lipidy je spojují pouze některé společné vlastnosti, například rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech. Obecně můžeme říct, že lipidy jsou obvykle estery vyšších mastných kyselin a alkoholů, a to především glycerolu a sfingosinu. Rozdělení lipidů Obecný vzorec esteru karboxylové kyseliny Sfingosin = aminoalkohol Lipidy 6 Mastné kyseliny v lipidech Mastné kyseliny jsou karboxylové kyseliny se čtyřmi až dvaceti šesti atomy uhlíku. V lipidech jsou vázány jako estery, tedy jako vyšší monokarboxylové kyseliny. Jedná se o ve vodě nerozpustné olejovité kapaliny nebo krystalické látky nepříjemného zápachu. Tyto kyseliny mohou být nasycené i nenasycené a mít různé struktury. Jejich řetězec může být lineární, rozvětvený i cyklický. Ve svých molekulách obsahují vždy sudý počet atomů uhlíku, protože jsou v organismech syntetizovány ze dvouuhlíkatých jednotek (acetylkoenzymu A). Podle délky řetězce se mastné kyseliny dělí na nižší, které mají 4–6 atomů uhlíku, středně dlouhé, mající 8–10 atomů uhlíku a vyšší, které mají ve svém řetězci více než 12 atomů uhlíku. První mastnou kyselinou je kyselina butanová neboli máselná se čtyřmi atomy uhlíku. Mastné kyseliny s lineárním řetězcem obsahují většinou dvanáct až dvacet čtyři atomů uhlíku, nenasycené kyseliny obsahují obvykle osmnáct až dvacet čtyři atomů uhlíku. Pokud se v řetězci mastné kyseliny objevují dvě či více dvojných vazeb, tyto vazby jsou izolované a zpravidla umístěné symetricky ve středu molekuly a konfigurace těchto dvojných vazeb pak bývá Z (cis). K nejvýznamnějším mastným kyselinám podílejícím se na tvorbě lipidů patří kyselina palmitová, stearová a olejová. Mastné kyseliny s větším počtem dvojných vazeb si člověk nedokáže sám syntetizovat, musejí být tedy v dostatečném množství přijímány v potravě, protože jejich nedostatek způsobuje u dětí zpomalení růstu a poškození kůže. Takovýmto Nasycené MK – neobsahují žádnou dvojnou vazbu Nenasycené MK – obsahují alespoň jednu dvojnou vazbu Kyselina máselná je obsažena v potu a ve žluklém másle. Mastné kyseliny v lipidech. Lipidy 7 mastným kyselinám se říká esenciální a příkladem může být například kyselina linolová, linolenová a arachidonová. Struktura mastných kyselin obsažených v molekulách lipidu má vliv na jeho fyzikální a chemické vlastnosti. Lipidy, které obsahují především nasycené mastné kyseliny, jsou stabilnější a mají vyšší body tání. Naopak nenasycené mastné kyseliny v lipidech snižují stabilitu molekuly a taktéž i body tání. Vlastnosti lipidu může ovlivňovat i poloha dvojné vazby. Čím je dvojná vazba blíže ke karboxylové skupině, tím je chemická stabilita a bod tání nižší. JEDNODUCHÉ LIPIDY Jednoduché lipidy jsou estery vyšších acyklických, nerozvětvených monokarboxylových mastných kyselin a jednosytného nebo vícesytného alkoholu. Hlavními představiteli této skupiny látek jsou acylglyceroly a vosky. K jednoduchým lipidům se dále dají řadit i fyziologicky významné prostaglandiny. Acylglyceroly Acylglyceroly jsou estery vyšších mastných kyselin s trojsytným alkoholem glycerolem. Dříve se tyto sloučeniny také nazývaly glyceridy. Podle počtu esterifikovaných hydroxylových skupin v glycerolu můžeme acylglyceroly rozdělit na mono-, di- a triacylglyceroly. Nejvýznamnější jsou pak triacylglyceroly, tedy estery glycerolu se třemi karboxylovými kyselinami s dlouhým uhlíkatým řetězcem a právě o této skupině lipidů se v potravinářství mluví obecně jako o tucích. Jednoduché lipidy Acylglyceroly Kyselina linolenová C17H29COOH Kyselina arachidonová C19H31COOH Kyselina linolová C17H31COOH Lipidy 8 Mezi triacylglyceroly patří nejrozšířenější lipidy a to živočišné tuky a rostlinné oleje. Přesto, že se na první pohled zdají být tyto dvě skupiny látek rozdílné, tuky jsou tuhé nebo mazlavé a oleje kapalné, jejich struktura je velmi podobná a liší se pouze v druhu mastných kyselin, které obsahují. Tři mastné kyseliny v triacylglycerolu mohou, ale nemusejí být stejné. Tuky i oleje jsou poté velmi složitým systémem složeným z mnoha různých triacylglycerolů. V přírodních tucích bylo identifikováno více než sto různých mastných kyselin, přičemž asi čtyřicet z nich je rozšířeno ve velkém množství. K nejčastěji zastoupeným mastným kyselinám tuků patří kyselina palmitová, stearová a vůbec nejčastější mastnou kyselinou je nenasycená kyselina olejová. Z nenasycených mastných kyselin jsou pak v rostlinných olejích nejvíce zastoupeny kyselina linolová a linolenová. Živočišné tuky jsou tedy tuhé nebo mazlavé směsi triacylglycerolů a ve svých molekulách obsahují převážně nasycené mastné kyseliny, zatímco rostlinné oleje, tedy kapalné tuky, obsahují větší podíl nenasycených mastných kyselin. Jak už jsme si uvedli, druhy mastný kyselin v triacylglycerolech ovlivňují chemické i fyzikální vlastnosti tuků a olejů. Obecně platí, že nenasycené mastné kyseliny mají nižší teploty tání než nasycené analoga totéž jde tedy pozorovat i u triacylglycerolů. V olejích je poměr nenasycených kyselin k nasyceným vyšší než u živočišných tuků a proto jsou teploty tání olejů nižší. R, R´ a R´´ = alkylový řetězec, většinou C12 – C24 Vznik triaclglycerolu = esterifikace Živočišné tuky: sádlo, máslo, lůj, … Rostlinné oleje: řepkový, slunečnicový, lněný, olivový, … Tuky obsahují asi 40–50 % nasycených mastných kyselin, oleje jen 20 %. Lipidy 9 V následující tabulce je zobrazeno přibližné procentuální zastoupení vybraných masných kyselin v některých živočišných tucích a rostlinných olejích. Nasycené mastné kyseliny (%) Nenasycené mastné kyseliny (%) C16 palmitová C18 stearová C18 olejová C18 linolová Živočišné tuky: sádlo 25 15 50 6 máslo 25 10 25 5 lidský tuk 25 8 46 10 velrybí tuk 12 3 35 10 Rostlinné oleje: kokosový 8 2 6 1 kukuřičný 10 4 35 45 olivový 5 5 80 7 arašídový 7 5 60 20 lněný 5 3 20 20 Otázka pro zvídavé chemiky č. 2 Rozdíly v teplotách tání mezi tuky a oleji jsou důsledkem jejich rozdílného složení. Pokuste se vysvětlit souvislost mezi prostorovým uspořádáním těchto molekul a teplotou tání. Reakce triacylglycerolů Tuky snadno podléhají hydrolýze, což je opačný proces k esterifikaci, tedy reakci, při které tuky vznikají. Hydrolýza je rozkladná reakce, při které se spotřebovává voda. Může být kysele katalyzovaná, kdy vzniká směs mastných kyselin a glycerol, nebo zásaditá, která vede ke vzniku glycerolu a solí mastných kyselin neboli mýdel. Alkalická hydrolýza tuků se proto nazývá saponifikace neboli zmýdelnění. Použijeme-li k alkalické hydrolýze hydroxid sodný, vznikají tuhá sodná mýdla, použijeme-li hydroxid draselný, dostaneme draselná mýdla, která jsou tekutá nebo gelovitá. Mýdlo je směsí sodných nebo draselných solí vyšších mastných kyselin a připravuje se alkalickou hydrolýzou (zmýdelněním) živočišných tuků. Reakce triacylglycerolů Přibližné procentuální zastoupení některých mastných kyselin v jednotlivých tucích Lipidy 10 Kyselá hydrolýza triacylglycerolů: Alkalická hydrolýza triacylglycerolů: Oleje a tuky jsou v čistém stavu bez zápachu, ale po delším stání začínají nepříjemně páchnout. Jsou totiž nestálé vůči vzdušnému kyslíku a působení různých mikroorganismů. Dochází tak k procesu, který nazýváme žluknutí. Žluknutí je proces, při kterém dochází k souboru reakcí. Probíhá jako oxidace dvojných vazeb nenasycených mastných kyselin obsažených především v tucích a jiných lipidech vzdušným kyslíkem, ale také jako hydrolýza za vzniku mastných kyselin a glycerolu, který se poté rozkládá na akrolein a další látky. Výsledkem těchto procesů je uvolnění aldehydů, ketonů a nižších mastných kyselin, které vznikají jako nežádoucí produkty, protože negativně mění senzorické vlastnosti tuků. Chemickou podstatou žluknutí je adice molekuly vzdušného kyslíku vedle dvojné vazby mastné kyseliny. Po odštěpení atomu vodíku vedle dvojné vazby dochází k tvorbě hydroperoxidu a následnému štěpení uhlíkového řetězce za vzniku dvou koncových aldehydických skupin. Tekuté oleje s vysokým podílem nenasycených mastných kyselin jsou k oxidaci náchylnější než tuhé tuky. Oxidaci podporuje působení ultrafialového záření a může být také urychlena vhodnými enzymy. Naopak potlačují ji tzv. antioxidanty. Další reakcí, kterou můžeme triacylglyceroly podrobit, je katalytická hydrogenace dvojných vazeb v mastných kyselinách. Tento proces nazýváme ztužování tuků a spočívá v adici vodíku na dvojné vazby nenasycených kyselin a přeměně na tuk odolnější vůči žluknutí, a tím prodloužení jeho trvanlivosti. Zároveň dojde i ke zvýšení teploty tání takto vzniklého tuku, což taktéž prodlouží Kyselá hydrolýza Alkalická hydrolýza Mýdla = čistící neboli detergentní prostředky Žluknutí lze urychlit světlem a teplem. Při žluknutí másla se z něj například uvolňuje silně páchnoucí kyselina máselná. Ztužování Lipidy 11 datum jeho spotřeby. Toho se často využívá v potravinářství, kdy v rostlinných olejích se přeměňují nenasycené kyseliny na nasycené a vznikají náhražky másla, margaríny. Oleje, které obsahují mastné kyseliny s větším počtem násobných vazeb, mohou po rozetření na větší plochu polymerizovat. Dochází k ději, který se nazývá vysychání, kdy tenká vrstva oleje vytváří na vzduchu suché trvalé filmy. Toho můžeme využít při torbě fermeží a nátěrových hmot. Výroba bionafty (bio-dieslu) Rostlinné oleje představují v dnešní době také surovinu pro výrobu bionafty neboli bio-dieslu. Bionafta se používá jako náhrada nafty pro dieslové motory. Jedná se o směs esterů mastných kyselin s nižšími alkoholy. Celosvětově převládá výroba nafty ze sóji (platí hlavně pro Spojené státy americké), poté palmový olej, slunečnicový olej a olej z řepky. Nejčastějším způsobem výroby je bazicky katalyzovaná transesterifikace olejů nízkomolekulárním alkoholem, nejčastěji methanolem. Čistá bionafta je netoxické ekologické palivo. Výhodou bionafty je především její výroba z obnovitelných zdrojů a její snadná biologická odbouratelnost. V motoru pak vznikají čistější výfukové plyny s nízkým obsahem škodlivých sazí. Bionafta má vysokou mazací schopnost a tím snižuje opotřebení motoru. Nevýhodou bionafty je fakt, že pěstování olejnin pro výrobu tohoto paliva zabírá ornou půdu, která by mohla sloužit pro pěstování jiných plodin, potřebných v potravinářství. Jednou z nevýhod je také ekonomická náročnost výrobního procesu a to především výroba vstupní suroviny, tedy rostlinného oleje. Bionafta může poškodit kaučukový materiál, napadá tedy i gumové hadice a palivové nádrže. Vosky Významnou skupinu jednoduchých lipidů tvoří vosky. Z chemického hlediska se jedná o estery vyšších mastných kyselin a vyšších jednosytných acyklických alkoholů. Délka řetězce mastné kyseliny se pohybuje v rozmezí od C24 po C36, u alkoholu mezi C16 a C36. Příkladem alkoholu, který je obsažen v molekule vosku, je například cetylalkohol (C16), stearylalkohol (C18), cerylalkohol (C22) nebo myricylalkohol (C30). Vysychání olejů = radikálová oxidační polymerace Vosky V Evropě se k výrobě bionafty požívá zejména řepkový olej, což znamená mohutný nárůst pěstování řepky olejné i na českých polích. Tento nárůst můžeme dobře identifikovat pouhým pohledem do krajiny a tzv. „zežloutnutím“ polí. Výroba bionafty Lipidy 12 Vosky mohou být rostlinného i živočišného původu. Příkladem vosku živočišného původu je například včelí vosk, který je vylučován žlázami včel, dělnic, a jsou z něj tvořeny medové plástve. Dalším takovýmto voskem je lanolin, který pokrývá povrch vlny ovcí, nebo vorvaňovina, což je vosk, který se nachází v lebeční dutině vorvaňů a jiných kytovců. Vosky rostlinného původu tvoří většinou kutikulu, což je ochranná vrstva listů nebo plodů. Vosky jsou nerozpustné ve vodě a velmi stabilní vůči hydrolýze. Pro živočichy jsou většinou nestravitelné, protože nemohou být rozkládány lipasami. Často se používají v kosmetice k výrobě mastí a krémů a ve farmaceutickém průmyslu. Prostaglandiny Jedná se o skupinu dvacetiuhlíkatých lipidů, které mají v molekule pětičetný kruh se dvěma postranními řetězci. Z chemického hlediska jsou prostaglandiny hydroxyderiváty nebo ketoderiváty cyklopentanu, které obsahují karboxylovou skupinu na konci jednoho ze dvou postranních řetězců. Tyto látky se v malém množství nacházejí ve všech tělních tkáních a tekutinách. V organismu se tvoří z nenasycených kyselin a to především z kyseliny arachidonové. Prostaglandiny mohou mít v organismu různý biologický účinek podle toho, ve kterém orgánu se nacházejí. Mohou například ovlivnit srážení krve, prokrvení orgánů či snižovat krevní tlak nebo sekreci žaludečních šťáv. Účastní se také zánětlivých a imunitních procesů a dále mohou mít vliv na funkci ledvin a činnost reprodukčního systému. Prostaglandiny mohou být připraveny izolací z různých živočišných orgánů, ale umíme je také získat synteticky. Vznik vosku Příklad hlavní složky včelího vosku Prostaglandiny byly poprvé izolovány z beraní prostaty, podle toho taky dostaly svůj název. Prostaglandiny Lipidy 13 SLOŽENÉ LIPIDY Pokud molekula lipidu obsahuje vedle mastných kyselin a alkoholu ještě další funkční skupinu, jedná se o složený lipid. Příkladem látek přítomných v molekule složeného lipidu může být například kyselina fosforečná, cukr, případně jejich deriváty. Jedná se o látky amfifilní, které se skládají z hydrofilní (polární) části, která je tvořena řetězcem mastných kyselin, hydrofobní (nepolární) části, kterou představuje například zbytek kyseliny fosforečné nebo cukru. Proto tvoří po překročení určité koncentrace ve vodném prostředí uspořádané struktury (micely nebo dvojvrstvy), pod touto koncentrací existují v homogenním roztoku. Díky těmto vlastnostem mají tyto látky velký význam pro výstavbu a funkci biologických membrán. Nejvýznamnějšími složenými lipidy jsou glykolipidy, fosfolipidy a lipoproteiny. Fosfolipidy Fosfolipidy jsou látky, které kromě základních složek lipidů obsahují ještě esterově vázaný zbytek kyseliny fosforečné a dusíkatou látku. Alkoholem ve fosfolipidech může být glycerol, pak mluvíme o fosfoglyceridech. Všechny tyto látky jsou deriváty kyseliny fosfatidové. Zbytek kyseliny fosforečné v kyselině fosfatidové může být esterifikován vhodným alkoholem. Ze vzorce kyseliny fosfatidové je patrné, že nejde o přesně definovanou látku. Jedná se o skupinu látek Fosfolipidům se také říká fosfatidy. Složené lipidy Fosfolipidy Amfifilní charakter uspořádaných struktur vytvořených ze složených lipidů Lipidy 14 s podobnými vlastnostmi. Liší podle toho, jaké mastné kyseliny jsou obsažené v molekule. Představiteli těchto látek mohou být lecithiny, což jsou estery kyseliny fosfatidové a cholinu. Tyto látky mají velkou schopnost emulgovat tuk ve vodném prostředí, jejich emulgačních schopností se využívá v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Lecithiny jsou součástí buněčných membrán, najdeme je především v mozku, nervech, ledvinách a v játrech. Ve velkých koncentracích jsou však obsaženy i ve vaječném žloutku, kvasnicích nebo například v plodech sóje. Glycerol však není jediný alkohol, který se může podílet na stavbě molekul fosfolipidů. Dalším takovým alkoholem je například aminoalkohol s dlouhým řetězcem, sfingosin. Těmto lipidům poté říkáme podle tohoto alkoholu sfingolipidy. Fosfolipidy nejsou nutnou součástí potravy živočichů, protože si je tělo dokáže vyrobit samo, jejich význam pro život je však nezastupitelný. Lipidy 15 Glykolipidy Glykolipidy jsou složené lipidy, které ve svých molekulách obsahují vedle mastných kyselin a alkoholu sacharidovou složku, například glukosu nebo galaktosu. Tato cukerná složka může být ještě esterifikována kyselinou sírovou. Nejčastějšími alkoholy v molekulách těchto látek jsou opět glycerol a sfingosin. Glykolipidy mají podobně jako fosfolipidy velký biologický význam, vyskytují se taktéž především v mozku, nervové tkáni, ledvinách a v játrech. Nadbytek glykolipidů může vyvolat poruchy činnosti nervové soustavy. Znázornění hydrofilních a hydrofobních částí v molekule fosfolipidu Glykolipidy Lipidy 16 Lipoproteiny Řekli jsme si, že lipidy jsou hydrofobní látky a tedy jen velmi omezeně mísitelné s vodou. Proto se například v krevní plazmě vyskytují ve formě hydrofilních lipoproteinových částic, které vznikají spojením lipidů se specifickými bílkovinami. Vazba lipidu na bílkovinu poté umožňuje transport lipidů v polárním prostředí, například tedy v krevním řečišti. Lipoproteiny najdeme kromě krevní plazmy i v buněčných membránách, cytoplazmě buněk nebo ve vaječném žloutku. HLAVNÍ BIOLOGICKÉ FUNKCE LIPIDŮ Tuky jsou energeticky nejbohatší složkou potravy, jejich oxidací se uvolní energie 38 kJ·g1 . V lidském těle představují tuky obrovskou zásobárnu energie v podobě podkožní tukové tkáně. Tato tkáň představuje pro organismus také vynikající tepelně izolační látku nebo mechanickou ochranu proti fyzikálním vlivům. Tuky snižují vodivost, a proto jsou taktéž ochrana před působením elektrického proudu. Zásobní funkci mohou tuky plnit také u rostlin, které tyto látky uskladňují v olejnatých semenech. Lipidy však mají mnohem rozmanitější funkce a jsou součástí spousty přírodních struktur. Najdeme je ve všech biomembránách a z lipidů jsou tvořeny například i obaly neuronů, kde jsou tyto polární lipidy nezbytné pro přenos nervových vzruchů. V přírodě jsou lipidy součástí ochranné a izolační vrstvy listů, plodů i některých živočichů. Lipidy mohou sloužit i jako rozpouštědlo nepolárních biologicky významných látek jako jsou například vitamíny, hormony nebo některá léčiva a barviva. Lipoproteiny umožňují transport lipidů v hydrofilním prostředí organismů. Lipoproteiny Oxidací sacharidů se uvolní 17 kJ·g1 . Nervová tkáň obsahuje až 40 % lipidů. Vitamíny rozpustné v tucích – E, D, K, A Hlavní biologické funkce lipidů Lipidy 17 SHRNUTÍ Lipidy jsou organické látky, rostlinného i živočišného původu. Chemickým složením se lipidy velmi liší a tvoří tak značně nejednotnou skupinu látek. Obecně můžeme říct, že se obvykle jedná o estery vyšších mastných kyselin a alkoholů, a to především glycerolu a sfingosinu Mastné kyseliny v molekulách lipidů mohou být nasycené i nenasycené s velmi rozmanitou strukturou. Jsou složené vždy ze sudého počtu atomů uhlíku a jejich délka i struktura mohou ovlivnit některé vlastnosti lipidů (např. stabilitu, bod tání, …). K nejvýznamnějším mastným kyselinám tvořící molekuly lipidů patří kyselina palmitová a stearová, které jsou nasycené a dále pak kyselina olejová, linolová a linolenová, které řadíme k nenasyceným mastným kyselinám. Lipidy jsou hořlavé látky a jejich nejvýraznější vlastností je nerozpustnost ve vodě, která je způsobena přítomností velkých nepolárních uhlovodíkových struktur v jejich molekule, lipidy jsou však dobře rozpustné v nepolárních rozpouštědlech. Lipidy můžeme rozdělit na hydrolyzovatelné, jejichž molekula obsahuje esterovou vazbu, kterou můžeme hydrolyticky rozdělit, a nehydrolyzovatelné, které esterovou vazbu nemají. Z chemického hlediska dále lipidy dělíme na jednoduché a složené. Složené lipidy oproti jednoduchým mají navíc polární skupinu, popřípadě další části molekuly, které se u jednoduchých lipidů nevyskytují. Mezi jednoduché lipidy patří acylglyceroly, což jsou estery vyšších mastných kyselin s glycerolem, nejvýznamnější jsou pak triacylglyceroly, které mají esterifikované všechny tři hydroxyskupiny v glycerolu. Mezi tyto látky patří všechny živočišné tuky (např. sádlo, máslo a lůj) a rostlinné oleje (např. slunečnicový, řepkový, olivový, …). Triacylglyceroly podléhají kyselé hydrolýze za vzniku směsi mastných kyselin a glycerolu, ale také zásadité hydrolýze, při které vzniká glycerol a soli mastných kyselin neboli mýdla. Za vhodných podmínek dochází k oxidaci tuků a olejů, tento proces nazýváme žluknutí. Další reakcí triacylglycerolů je katalytická hydrogenace neboli ztužování tuků a spočívá v adici vodíku na dvojné vazby nenasycených kyselin. Oleje po rozetření na větší plochu mohou vysychat, což je proces radikálové oxidační polymerace. Další skupinou jednoduchých lipidů jsou vosky. Z chemického hlediska jsou vosky estery vyšších mastných kyselin a vyšších jednosytných acyklických alkoholů. Vosky mohou být rostlinného i živočišného původu a k nejvýznamnějším patří včelí vosk, lanolin nebo vorvaňovina. K jednoduchým lipidům se dále řadí fyziologicky významné prostaglandiny. Složené lipidy obsahují vedle mastné kyseliny a alkoholu ještě další funkční skupinu. Mezi jejich zástupce patří fosfolipidy, obsahující navíc zbytek kyseliny fosforečné, které můžeme podle obsahujícího alkoholu rozdělit na fosfoglyceridy a sfingolipidy. Dalšími skupinou jsou glykolipidy, které obsahují navíc sacharidovou složku a dále lipoproteiny, které vznikají spojením lipidů se specifickými bílkovinami. Složené lipidy mají amfifilní charakter. Shrnutí Lipidy 18 Lipidy mají v přírodě nezastupitelný význam a v rostlinném i živočišném organismu plní spoustu důležitých funkcí. Tuky jsou hlavní zdroj a zásoba energie, mohou být tepelnou i mechanickou ochranou organismů. Lipidy jsou součástí všech biomembrán a nezbytné jsou i pro přenos nervových vzruchů. Slouží také jako rozpouštědlo biologicky významných látek, například některých vitamínů. Lipidy 19 ODPOVĚDI NA OTÁZKY PRO ZVÍDAVÉ CHEMIKY 1. Další důležitou vlastností lipidů je jejich hořlavost. Hořlavost lipidů se dříve využívala ke svícení v domácnostech. Protože se jedná o formu svícení pomocí otevřeného plamene, představuje jisté nebezpečí vzniku požáru. Je obecně známé, že hořící tuk se nesmí hasit vodou. Dokázali byste vysvětlit proč tomu tak je? Pokuste se navrhnout způsob hašení hořícího tuku. Hořící tuk se nesmí hasit vodou, protože voda díky vyšší hustotě klesne pod hladinu tuku a vypaří se. Přitom strhne hořící tuk s sebou a rozptýlí jej v širokém okolí. Tento tuk má stále ještě zápalnou teplotu a může tedy lehce dojít k opětovnému vznícení. Hořící tuk se proto hasí překrytím. Pokud nám tedy začne například hořet olej na pánvici, hasiči doporučují hasit takovýto typ požáru zamezením přístupu vzduchu. Vhodné je tedy položit na hořící pánvičku například prkénko nebo plech. 2. Rozdíly v teplotách tání mezi tuky a oleji jsou důsledkem jejich rozdílného složení. Pokuste se vysvětlit souvislost mezi prostorovým uspořádáním těchto molekul a teplotou tání. Nasycené řetězce triacylglycerolu jsou konformačně pohyblivé a umožňují tak snadněji dosáhnout těsnějšího pravidelného uspořádání řetězců v krystalu. Přiblížení řetězců také vede k silnějším vazbám mezi řetězci Van der Waalsovými silami, proto pak tuky tají až při vyšších teplotách. Dvojné vazby nenasycených kyselin v rostlinných olejích však vnášejí do uhlíkatého řetězce zlomy a nepravidelnosti. Následkem těchto poruch se poté řetězce hůře skládají do pravidelného těsného uspořádání a teplota tání oleje je pak nižší. Odpovědi na otázky pro zvídavé chemiky Lipidy 20 PROCVIČUJ 1. V následujícím vzorci lipidu označte polární a nepolární část: 2. Které tvrzení o lipidech je pravdivé: a) jsou rozpustné ve vodě b) jsou rozpustné v benzínu c) jsou chemicky stejnorodé d) mají hydrofilní charakter 3. Mezi funkce lipidů nepatří: a) rozpouštějí vitamín A b) rozpouštějí vitamín C c) zásoba energie d) ochrana některých orgánů 4. Jaký je společný znak všech vyšších mastných kyselin v molekule lipidu: a) jsou pouze nenasycené b) jsou pouze nasycené c) mají vždy sudý počet uhlíků d) mají vždy lichý počet uhlíků 5. V oleji převažují kyseliny: a) nenasycené b) nasycené c) stearová d) palmitová 6. Mezi složené lipidy patří: a) lanolin b) lecithin c) acylglyceroly d) olivový olej 7. Mezi přírodní vosky nepatří: a) lanolin b) vorvaňovina c) včelí vosk d) parafín Lipidy 21 8. Žluknutí tuků probíhá: a) jako katalytická hydrogenace b) jako polymerace c) jako oxidace na dvojné vazbě d) jako redukce na dvojné vazbě 9. Pro vysychání olejů neplatí: a) probíhá jako polykondenzace b) používá se při výrobě fermeží c) probíhá jako polymerace d) probíhá radikálovým mechanismem 10. Produktem kyselé hydrolýzy acylglycerolu je: a) voda b) sůl vyšší mastné kyseliny c) mýdlo d) směs vyšších mastných kyselin 11. Pro ztužování tuků neplatí: a) dochází k přeměně tuků v oleje b)dochází k nasycení dvojných vazeb c) dochází k přeměně olejů v tuky d) probíhá jako katalytická hydrogenace 12. Která tvrzení o následující látce jsou pravdivá a která nikoli: Tvrzení: ANO/NE Jedná se o jednoduchý lipid. Tato látka má amfifilní charakter. Jedná se o glykolipid. Tento lipid obsahuje ve své molekule pouze nasycené mastné kyseliny. Patří mezi zástupce fosfolipidů. Zelená část molekuly je hydrofobní. Zelená část molekuly je polární. Tuto látku musíme nutně přijímat v potravě. Tato molekula obsahuje kromě matných kyselin a alkoholu ještě sacharidovou složku. Látky tohoto typu můžeme najít v membránách některých orgánů, především v mozku, játrech a ledvinách. Tato molekula má až na zelenou část hydrofobní charakter. Základním alkoholem v této molekule je glycerol. Lipidy 22 ŘEŠENÍ PŘÍKLADŮ 1. V následujícím vzorci lipidu označte polární a nepolární část: 2. Které tvrzení o lipidech je pravdivé: b) jsou rozpustné v benzínu 3. Mezi funkce lipidů nepatří: b) rozpouštějí vitamín C 4. Jaký je společný znak všech vyšších mastných kyselin v molekule lipidu: c) mají vždy sudý počet uhlíků 5. V oleji převažují kyseliny: a) nenasycené 6. Mezi složené lipidy patří: b) lecithin 7. Mezi přírodní vosky nepatří: d) parafín 8. Žluknutí tuků probíhá: c) jako oxidace na dvojné vazbě Lipidy 23 9. Pro vysychání olejů neplatí: a) probíhá jako polykondenzace 10. Produktem kyselé hydrolýzy acylglycerolu je: d) směs vyšších mastných kyselin 11. Pro ztužování tuků neplatí: a) dochází k přeměně tuků v oleje 12. Která tvrzení o následující látce jsou pravdivá a která nikoli: Tvrzení: ANO/NE Jedná se o jednoduchý lipid. NE Tato látka má amfifilní charakter. ANO Jedná se o glykolipid. NE Tento lipid obsahuje ve své molekule pouze nasycené mastné kyseliny. NE Patří mezi zástupce fosfolipidů. ANO Zelená část molekuly je hydrofobní. ANO Zelená část molekuly je polární. NE Tuto látku musíme nutně přijímat v potravě. NE Tato molekula obsahuje kromě matných kyselin a alkoholu ještě sacharidovou složku. NE Látky tohoto typu můžeme najít v membránách některých orgánů, především v mozku, játrech a ledvinách. ANO Tato molekula má až na zelenou část hydrofilní charakter. ANO Základním alkoholem v této molekule je glycerol. ANO