a gimnázium 3. és a nyolcosztályos gimnázium 7. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Mária Vydrová

Átírás

1 a gimnázium 3. és a nyolcosztályos gimnázium 7. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Mária Vydrová Vydavateľstvo Matice slovenskej 2011

2 Kémia a gimnázium 3. és a nyolcosztályos gimnázium 7. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Mária Vydrová

3 Kémia a gimnázium 3. és a nyolcosztályos gimnázium 7. osztálya számára Jóváhagyta a Szlovák Köztársaság Oktatási, Tudomány-, Kutatásügyi és Sport Minisztériuma / 35620:5-919 szám alatt, szeptember 11-én mint kémiatankönyvet a magyar tanítási nyelvű gimnázium 3. és a nyolcosztályos gimnázium 7. osztálya számára. A jóváhagyási bizonylat 5 évig érvényes Szerzők: doc. RNDr. Jarmila Kmeťová, PhD. RNDr. Marek Skoršepa, PhD. RNDr. Mária Vydrová Lektorálták: doc. RNDr. Katarína Mikušová, PhD. (1 7, 9 12 fejezet) doc. MUDr. Tibor Baška, PhD. (8 fejezet) RNDr. Bernarda Luptáková PaedDr. Danka Michálková RNDr. Svetozár Štefeček Összeállító: doc. RNDr. Jarmila Kmeťová, PhD. Fordította: Mgr. Lacza Tihamér Nyelvi szerkesztő: Magdaléna Karafová Grafikai elrendezés: Mgr. Erich Kmeť Illusztrációk: szerzők, Fotolia, Isifa Fordította: Mgr. Lacza Tihamér Kiadta Vydavateľstvo Matice slovenskej, s. r. o. Mudroňova 1, Martin, Slovensko info@vydavatel.sk Vydavateľstvo Matice slovenskej, s. r. o. Minden jog fenntartva. Ez a mű, sem valamely része nem reprodukálható a jogtulajdonos jóváhagyása nélkül. Első kiadás, 2011 Nyomta Neografia, a. s., Martin 2011 ISBN

4 Tartalom BEVEZETÉS 5 1 BEVEZETÉS A BIOKÉMIÁBA Az élő szervezetek kémiai összetétele (Skoršepa, M.) Heterociklusos vegyületek az élő természetben (Vydrová, M.) Öttagú aromás heterociklusos vegyületek és legfontosabb származékaik Hattagú aromás heterociklusos vegyületek és legjelentősebb származékaik 11 2 LIPIDEK ÉS BIOMEMBRÁNOK (Kmeťová, J.) Az egyszerű lipidek szerkezete és tulajdonságai Acil-glicerolok (trigliceridek) Viaszok Az összetett lipidek szerkezete és tulajdonságai Foszfolipidek Glikolipidek Biomembránok Izoprénvázas lipidek szerkezete és tulajdonságai Terpének Szteroidok Koleszterol 19 3 SZÉNHIDRÁTOK (Kmeťová, J.) A monoszacharidok szerkezete és tulajdonságai A monoszacharidok kémiai tulajdonságai Biológiai szempontból jelentős monoszacharidok Összetett szacharidok Diszacharidok Poliszacharidok 29 4 FEHÉRJÉK (Skoršepa, M.) Aminosavak a fehérjék alapvető építőkövei Peptidkötés A fehérjék szerkezete A fehérjék áttekintése 41 5 NUKLEINSAVAK (Skoršepa, M.) A nukleinsavak összetétele A nukleinsavak szerkezete A nukleinsavak jelentősége és szerepe 50 6 ENZIMEK (Skoršepa, M.) Az enzimek összetétele és szerkezete Az enzimatikus katalízis specifikussága Az enzimreakciók mechanizmusa Az enzimkatalízis folyamatát befolyásoló tényezők Az enzimek aktiválása és gátlása Az enzimek aktiválása Az enzimek gátlása Az enzimek allosztérikus működésének szabályozása Emésztő enzimek 61 7 VITAMINOK (Kmeťová, J.) 63 8 ÉLETMINŐSÉG ÉS EGÉSZSÉG (Vydrová, M.) Alkaloidok Az alkaloidok közös tulajdonságai 66

5 8.1.2 Ópium-alkaloidok (mák-alkaloidok, morfinvázas alkaloidok) Tropánvázas alkaloidok Anyarozs-alkaloidok További alkaloidok Gyógyhatású anyagok és gyógyszerek Gyógyhatású anyag Gyógyszer A gyógynövények felhasználása Antibiotikumok Pszichoaktív szerek (drogok) Drog Legális (engedélyezett) drogok Illegális drogok Drogfüggőség Az étrend és a táplálék biológiai értéke Kiegyensúlyozott táplálkozás Az egészséges táplálkozás elvei Probiotikumok és prebiotikumok Adalékanyagok az élelmiszerekben Vegetáriánus étkezés Elhízás Táplálkozási zavarok Genetikailag módosított élelmiszerek 84 9 BEVEZETÉS AZ ANYAGCSERE-FOLYAMATOKBA (Skoršepa, M.) A redoxi-folyamatok szerepe az anyagcserében A biokémiában használt savelnevezések A biokémiai reakciók energetikai jellege Makroerg (nagy energiájú) vegyületek BIOKÉMIAILAG FONTOS ANYAGOK KATABOLIZMUSA (Skoršepa, M.) A szénhidrátok katabolizmusa Glikolízis A piruvát lehetséges átalakulásai Tejsavas erjedés Alkoholos erjedés A piruvát aerob lebontása Citrátkör Légzési lánc, aerob ATP-termelés A lipidek katabolizmusa A fehérjék és az aminosavak katabolizmusa A nukleinsavak katabolizmusa BIOKÉMIAI SZEMPONTBÓL FONTOS ANYAGOK BIOSZINTÉZISE (Skoršepa, M.) A szénhidrátok bioszintézise Fotoszintézis A fotoszintézis fényszakasza A fotoszintézis sötét szakasza A lipidek és a zsírsavak bioszintézise A nukleinsavak bioszintézise A fehérjék bioszintézise protein szintézis Transzkripció Transzláció HELYES VÁLASZOK 117 Irodalom 120

6 BEVEZETÉS Kedves diákok! egy újabb kémiatankönyvet vesztek a kezetekbe. A kémia egyik területét a biokémiát tartalmazza. Minden tudományterületnek megvannak a maguk sajátosságai, ami megnyilvánul a tananyag feldolgozásának módjában is. A szerzők azonban arra törekedtek, hogy ennek a tankönyvnek a szövege érthető és érdekes legyen számotokra. A tankönyvben található kémiai ismeretek kiválasztása és feldolgozása megfelel a négy- és a nyolcosztályos gimnáziumok oktatási anyagának. A tankönyv tartalma két fontos részre oszlik. Az első a biokémiai szempontból jelentős molekulák a biomolekulák szerkezetével és tulajdonságaival foglalkozik. Egy olyan, az élet és a táplálkozás minőségét hangsúlyozó fejezetet is tartalmaz, amely felöleli az előző fejezetek ismereteit a mindennapokra vonatkoztatva. A tankönyv második része néhány kiválasztott biokémiai folyamatot mutat be. Magyarázatot kapnak a legfontosabb bomlási és bioszintetikus folyamatok. Jóllehet, a tankönyvnek ezt a részét a pedagógiai dokumentumok közvetlenül nem jelölik ki törzsanyagként, a szerzők szándéka az volt, hogy kiegészítsék a biomolekulákkal kapcsolatos ismereteket és néhány kiválasztott biokémiai folyamat alapján bemutassák, hogyan keletkeznek a szervezetben és milyen átalakulásoknak vannak kitéve. A tankönyvnek ezt a részét mindenekelőtt azoknak a diákoknak szántuk, akik szeretnék alaposabban megismerni a biokémia törvényszerűségeit, akik kémiából fognak érettségizni, esetleg ezen a szakon szeretnék egyetemi tanulmányaikat folytatni. A tankönyvnek ezt a részét tanulmányozva jobban megérthető lesz az élő természetben előforduló kémiai anyagok szerkezete, a tulajdonságaik és feladataik közötti összefüggések. A tananyagot ebben a tankönyvben tipográfiailag megkülönböztettük. A törzsanyag mellett kiegészítő anyag is található, amelyet piktogram jelöl és a törzsanyagtól színével és betűméretével is különbözik. A képletek és a kémiai reakciók példái azt célozták meg, hogy bemutassák az élő szervezetekben található anyagok változatos szerkezetét és az ott lejátszódó folyamatok sokrétűségét. Természetesen, nem kell hiánytalanul megjegyezni őket. Minden fejezetet a tananyag összefoglalása zárja. Ebben megtalálhatók az adott téma legfontosabb ismeretei. Valamennyi fejezetben feladatok is szerepelnek, ezek megoldásával felmérhetitek, milyen mértékben értettétek meg a tananyagot, illetve sikerült megoldanotok a felvetett problémákat. A feladatok megoldását megtaláljátok a tankönyv végén. Mivel a kémia kísérleti tudomány, a tananyag elválaszthatatlan részét alkotják az iskolai kísérletek. Hogy besorolhatók-e az oktatási folyamatba, azt a tanárotok dönti el. Ezek közül jó néhány tartalmát tekintve alkalmas arra, hogy a diákok végezzék el azokat, vannak viszont olyanok, amelyek nagyobb követelményeket támasztanak és inkább a tanárnak kellene bemutatnia az adott kísérletet. A diákok számára alkalmas kísérletek elvégezhetők a tanítási órán vagy a laboratóriumi gyakorlatok keretében, ezek nem szerepelnek önálló részként a tankönyvben. A tankönyv végén megtalálható a kísérletekben használt vegyszerek jegyzéke, a vegyszert a kémiai anyagokról szóló érvényes rendelet alapján jellemző szimbólummal egyetemben. A felsorolt vegyületek elnevezése összhangban áll az IUPAC (Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Uniója) nevezéktani bizottságának ajánlásaival. Kedves diákok, reméljük, hogy ezzel a tankönyvvel szívesen fogtok dolgozni és tartalma segítségetekre lesz a biokémiai ismeretek jobb megértésében, és ezek tudásotok részévé válnak. Arról is meg vagyunk győződve, hogy a tankönyv hozzájárul a kémia színvonalasabb és hatékonyabb oktatásához. A szerzők 5

7 Magyarázatok definíció kísérlet ++ kiegészítő tananyag a tananyag összefoglalása kérdések és feladatok Az atomok színe a felhasznált szerkezeti modellekben szénatom oxigénatom nitrogénatom hidrogénatom aminosav oldallánca 6

8 BEVEZETÉS A BIOKÉMIÁBA 1 BEVEZETÉS A BIOKÉMIÁBA A biokémia az élő szervezetek molekuláris szintjének vizsgálatával foglalkozó tudományág. Határtudomány, mert vizsgálódásának tárgya a biológia és a kémia határán található. A biokémia néhány kérdéskörre keresi a választ. Ezek között a legfontosabbak: 1. Milyen az élő anyag összetétele? Az élő szervezeteket alkotó molekulák az ún. biomolekulák szerkezetének és tulajdonságainak a vizsgálatával foglalkozik. Vizsgálja továbbá a szerkezetük és a funkciójuk közötti összefüggéseket is. 2. Milyen kémiai reakciók során keletkeznek az élőlényekben és hogyan alakulnak át, illetve bomlanak le? A biokémia az élő szervezetekben lejátszódó kémiai folyamatokat tanulmányozza. Ezeknek a folyamatoknak a legfontosabb célja, hogy energiát nyerjenek a környezetből az élő rendszerek működéséhez és a növekedésükben, a fejlődésükhöz és a szaporodásukhoz fontos saját biomolekuláik felépítéséhez. 1.1 Az élő szervezetek kémiai összetétele Az élő és az élettelen természetben többé-kevésbé ugyanazok az elemek találhatók. Az eltérés a mennyiségükben és az egymáshoz viszonyított arányukban van. Míg az élettelen természetben a leggyakoribb elemek az oxigén, a szilícium, az alumínium, a vas és a kalcium, addig az élő anyag több mint 98 %-át oxigén, szén, hidrogén és nitrogén alkotja. Még ha az egyes szervezetek el is térnek egymástól, kémiai összetételük lényegében azonos. Azokat az elemeket, amelyek nélkülözhetetlenek az élőlények felépítéséhez és életműködésükhöz, biogén elemeknek nevezzük. A biogén elemek két csoportját különböztetjük meg (1.1 táblázat): 1. Makroelemek (elsődleges biogén elemek) mindegyikük a szervezet össztömegének több mint 0,005 %-át alkotja. A legfontosabb makroelemek a C, H, O, N, P és az S. Ezek az elsődleges biogén elemek. 2. Mikroelemek (másodlagos és harmadlagos biogén elemek, nyomelemek) a szervezetekben csak elenyésző mennyiségben találhatók (kevesebb, mint 0,005 %), de különböző funkciókat látnak el és létezésükhöz nélkülözhetetlenek. 1.1 táblázat A biogén elemek felosztása A legtöbb elem az élő rendszerekben szervetlen és szerves vegyületek formájában található. A legfontosabbak gyakoriságát az emberi szervezetben az 1.1. ábrán látható grafikon szemlélteti. A legegyszerűbb szervetlen vegyületek, a víz, a szén-dioxid és az ammónia (esetleg a nitrogén-molekula) egyúttal a legfontosabb anyagok is, amelyekből a szervezetek szerves anyagokat állítanak elő (szintetizálnak). 7

9 A víz a legfontosabb szervetlen vegyület az élő rendszerekben. Az élő természetben emellett a leggyakoribb anyag is. A különböző szervezetek víztartalmukat tekintve eltérnek egymástól. A felnőtt ember szervezete kb. 65 % vizet tartalmaz, míg az egér 67 %-ot, a pisztráng 84 %-ot, a földigiliszta 88 %-ot vagy a papucsállatka akár 90 %-ot. A szervezetben lévő víz mennyisége az egyén fejlettségi szintjétől is függ, pl. az újszülött teste a felnőtt emberéhez képest kb. 80 % vizet tartalmaz. A víz különböző szerepet tölt be az élőlényekben. A legfontosabbak ezek közül: Kialakítja azt a környezetet, amelyben valamennyi fizikai és kémiai folyamat végbemegy. A vízben játszódik le az összes életfolyamat, tehát az anyagok és az energia átalakulása is. Feloldja és ionizálja a szervetlen vegyületeket és sok szerves vegyületet is. Lehetővé teszi az anyagok szállítását (transzportját) a szervezetben. A sejtszervecskék fontos alkotórésze. Ezért a víz egy része kötött formában visszamarad a szabadon kiszáradó biológiai anyagban is. Közvetlenül részt vesz számos biokémiai reakcióban vagy melléktermékként keletkezik. Közreműködik a szervezet hőszabályozásában is, mert nagy a fajlagos hőkapacitása. 1.1 ábra A legfontosabb anyagcsoportok relatív gyakorisága az emberi testben A szén-dioxid a legfontosabb kiindulási anyaga a szénhidrátok szintézisének (a fotoszintézisnél). Egyúttal a szerves anyagok lebomlásának a végterméke is. A szén-dioxid központi helyet foglal el a szén körforgásában a természetben. A nitrogént tartalmazó szerves anyagok (aminosavak, nitrogénbázisok és az ezekből képződő fehérjék és nukleinsavak) szintéziséhez különböző autotróf szervezetek ammóniát vagy molekuláris nitrogén használnak. Az ammónia ugyanis a nitrogéntartalmú szerves anyagok lebomlásának végterméke is. Azokat a szerves anyagok, amelyeket az élőlények termelnek, részt vesznek a felépítésükben és életfolyamataikban, természetes anyagoknak vagy biomolekuláknak szokás nevezni. A legjelentősebb természetes anyagok a lipidek, a szénhidrátok, a fehérjék, a nukleinsavak. A szervezetben különböző feladatokat látnak el, amelyekkel kölcsönösen kiegészítik egymást. A természetes anyagokat a szerkezetük különbözteti meg egymástól. Némelyek viszonylag egyszerűek, mások bonyolultak és makromolekuláris jellegűek nagy molekulák, amelyek sok tucatnyi vagy akár több ezernyi építőegységből állnak. A természetes anyagok között a fehérjék, a poliszacharidok és a nukleinsavak makromolekulák. Ezeket az anyagokat olykor biomakromolekuláknak is nevezzük. 8

10 BEVEZETÉS A BIOKÉMIÁBA 1.2 Heterociklusos vegyületek az élő természetben A természetes vagy mesterségesen előállított (szintetikus) heterociklusos vegyületek a szerves anyagok nagy és rendkívül fontos csoportja. Közülük számosat az élő anyagban is megtalálunk (pl. a furanózok a szénhidrátok szerkezetében, a nitrogénbázisok a nukleinsavak szerkezetében, alkaloidok a B-vitaminok csoportja). Mások gyógyhatású anyagokként, színezékekként, peszticidekként (herbicidek vegyszeres gyomirtók, fungicidek gombaölő szerek, inszekticidek rovarölő szerek) ismertek. A heterociklusos vegyületek a legtöbb gyógyszeripari készítményben is megtalálhatók. A heterociklusos vegyületek származékai a természetben is előfordulnak, mint a természetes színanyagok (pigmentek) alkotórészei, pl. a klorofillban (a levél zöld színéért felelős anyag, levélzöld), a hemoglobinban (vörös vér pigment), a mioglobinban (az izom vörös pigmentje), a bilirubinban (az epe színanyaga). A heterociklusos vegyületek közötti eltérés néhány példája: a gyűrűt alkotó atomok száma a gyűrűt legalább három vagy ennél több atom alkotja, a legstabilisabbak az öt- és a hattagú gyűrűk, a gyűrűt alkotó atomok közötti kötések jellege, a heteroatom fajtája és száma egy, ill. több heteroatomot tartalmazó vegyületek. 1.2 ábra A heterociklusos vegyületek felosztása 9

11 A legjelentősebb heterociklusos vegyületek a következők: öttagú heterociklusok egy vagy két heteroatommal, hattagú heterociklusok egy vagy két heteroatommal. A heterociklusos vegyületek nevezéktanában (nómenklatúrájában) gyakran a triviális elnevezéseket részesítik előnyben a bonyolult szisztematikus nevezéktannal szemben. A heterociklusos vegyületek tulajdonságait a gyűrű nagysága és jellege mellett gyakran a heteroatom tulajdonságai is meghatározzák pl. a nitrogént tartalmazó heterociklusok bizonyos tulajdonságai az aminokra emlékeztetnek Öttagú aromás heterociklusos vegyületek és legfontosabb származékaik Az öttagú aromás heterociklusok alapképviselői: A pirrol a biológiailag jelentős természetes anyagok a tetrapirrol színanyagok építőköve. A négy pirrolgyűrű ciklikusan vagy nyílt rendszerben helyezkedhet el bennük (1.3. és 1.4 ábra), a tetrapirrol szerkezet része lehet egy komplexen kötött fématom. A biológiai szempontból legjelentősebb tetrapirrol szerkezetű anyagok az 1.2. táblázatban találhatók, a pirrolgyűrűk elhelyezkedésének példáit a nyílt rendszerben, illetve ciklikusan az 1.3. és az 1.4. ábrán szemléltettük. 1.2 Biológiailag jelentős tetrapirrol szerkezetű anyagok Biológiailag jelentős anyag A pirrolgyűrűk elrendeződése Fém hemoglobin ciklikus vas mioglobin ciklikus vas bilirubin nyílt rendszer nem tartalmaz Funkció vörös vérfesték az oxigén szállítása a tüdőből a szövetekbe vörös izom pigment megköti az oxigént a vázizmokban és a szívizomban, így oxigéntartalék képződik az izmok munkájához epefesték a vörös vértestek szétesésekor keletkezik, az epe sárga színének, de a kék foltok, a vizelet és a széklet színének is az okozója klorofill ciklikus magnézium levélzöld, nélkülözhetetlen a fotoszintézisnél B kobalamin ciklikus kobalt 12 -vitamin, nélkülözhetetlen a nukleinsavak képződésénél, a sejtosztódásnál 10

12 BEVEZETÉS A BIOKÉMIÁBA 1.3 ábra A bilirubin molekula a pirrolgyűrűk nyílt rendszerének a példája 1.4 ábra A hem molekula (a hemoglobin része) a pirrolgyűrűk ciklikus elrendeződésének a példája A hemoglobin (Hb) a vörös vértestekben (eritrocitákban) található, a vér vörös festékanyaga (pigmentje). A vas, amelyet a hemoglobin tartalmaz, az oxigénnek a tüdőből a szövetekbe történő szállítása és a szövetek megfelelő oxigénellátása miatt szükséges, hiszen ezzel függ össze szervezetünk fizikai és pszichikai teljesítőképessége. A vashiány vérszegénységet (anémiát) okoz. A betegség tünetei elsősorban a hosszan tartó fáradtság, a sápadtság, a hideg felső és alsó végtagok, bágyadtság, a koncentráció zavarai (a vashiány kedvezőtlenül hat az emlékezetre és a tanulási képességre is). Az anémia diagnózisát és okait a vértesztek eredményei alapján az orvos állapítja meg. Ha a vérszegénységet a vashiány okozza, a gyógyítás alapja a vas kívülről történő bevitele a szervezetbe, olykor injekció formájában. A vas különböző élelmiszerekben, főleg a friss húsban (a marhahúsban, a vörös baromfihúsban, a belsőségekben, a tenger gyümölcseiben a szardíniában), a zöld levélzöldségben, a paradicsomban, a hüvelyesekben, az aszalt gyümölcsben (kajszibarack, szilva) található. A vérszegénység hagyományos természetes ellenszere a cékla friss leve. A vasat könnyebben pótolhatjuk a húsból, mint a növényi termékekből, ezért fontos, hogy a vegetáriánusok (főleg a gyermekek és termékeny korban lévő nők) elegendő mennyiségű, vasban gazdagabb élelmiszert fogyasszanak. Az imidazol (aromás öttagú heterociklus két heteroatommal) előfordul pl. a hisztidin aminosav, a H-vitamin és a hisztamin szerkezeteiben. A hisztamin az emberi szervezetben előforduló anyag, amely nagy mennyiségben szabadul fel allergiás reakcióknál. Allergiás reakció esetén a hisztamin pl. pirulást (bőr, szemek, orr, nyálkahártya), duzzanatot, kiütéseket, viszketést, tüsszögést, légzési problémákat okoz. A hisztamin hatását antihisztaminikum adagolásával enyhítik Hattagú aromás heterociklusos vegyületek és legjelentősebb származékaik A piridin (aromás hattagú heterociklus egyetlen heteroatommal) szerkezete emlékeztet leginkább a benzoléra, ezért a legstabilabb heterociklusos vegyület. A piridin származéka például a piridoxin a B 6 -vitamin. 11

13 A pirimidin (aromás hattagú heterociklus két heteroatommal) az a vegyület, amelyből levezetjük a nitrogén tartalmú pirimidinvázas citozin (C), timin (T) és uracil (U) bázisokat. A pirimidinvázas nitrogén tartalmú bázisok (nukleobázisok) a nukleinsavakban fordulnak elő. A pirimidin származéka a barbitursav is, amely a barbiturátok csoportjának alapvegyülete. A barbiturátok (a barbitursav származékai) a központi idegrendszer tevékenységét tompító gyógyszerek nagy csoportját alkotják, alkalmazásuk azonban nagy kockázattal jár, mert függőséget okozhatnak (8.2. fejezet). A purin alapvegyület, amely nyomán biokémiailag jelentős származékok egész csoportját a purinokat nevezték el. A purin vázas nukleotidok szintetikusan előállított analógjait a gyógyításban, például a daganatos betegségek kezelésében, a kemoterápia részeként, másokat a vírusos betegségek (herpesz, HIV, hepatitisz B) gyógyításában alkalmazzák. A purinból vezetjük le az adenin (A) és a guanin (G) purinvázas nitrogén tartalmú bázisokat is, amelyek a nukleinsavakban fordulnak elő (5. fejezet). A purin tartalmú anyagok gazdag forrása főleg a hús, a kávé, a tea, a csokoládé, a halak. A fölösleges purinokat az egészséges szervezet a viszonylag rosszul oldódó húgysavvá oxidálja, amely a vizelettel távozik. A fájdalmas köszvény (podagra, királyok betegsége ) nevű betegség esetén fölösleges mennyiségű húgysav képződik, amelynek nátriumsója kristályok formájában lerakódik a vesében, valamint a végtagok apró ízületeiben. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA A biokémia határtudomány, amely az élő szervezetek molekuláris szintjét kutatja. Az élőlények felépítésében és életműködésében részt vevő elemeket biogén elemeknek nevezzük. Az elsődleges biogén elemek: a szén, a hidrogén, az oxigén, a nitrogén, a foszfor és a kén. Az élőlények felépítésében és életfolyamataiban közreműködő szerves anyagokat természetes anyagoknak nevezik. A legfontosabbak közöttük a lipidek, a szénhidrátok, a fehérjék, a nukleinsavak. A heterociklusos vegyületek gyűrűs szerves vegyületek legalább egy heteroatommal, amely a gyűrű része. A leggyakrabban előforduló heteroatomok az oxigén-, a kén- és a nitrogénatom. A heterociklusos vegyületek tulajdonságait a gyűrű nagysága és jellege mellett a bennük lévő heteroatom tulajdonságai is meghatározzák. A heterociklusos vegyületeket megtaláljuk az élő anyagban, mások ismert orvosságok, színanyagok, peszticidek, a gyógyszeripari termékek döntő többségének alkotórészei. 12

14 LIPIDEK ÉS BIOMEMBRÁNOK 2 LIPIDEK ÉS BIOMEMBRÁNOK Lipidek (gör. liposz = zsír) a természetes szerves anyagok heterogén csoportja. Közös tulajdonságuk, hogy a vízben nem oldódnak, jól oldódnak viszont a szerves oldószerekben, mint pl. a benzol, a kloroform vagy az éter. A lipidek biológiai jelentősége és szerepe A szervezetben a lipideknek néhány fontos funkciójuk van: a biomembránok (hártyák) építőkövei, a leghatékonyabb energiaraktárak, védő funkciójuk van beborítják a szerveket, és ezzel védik őket a mechanikus sérülésektől, hőszigetelő funkciót látnak el, hidrofób tulajdonságaik vannak a szervezetben olyan környezetet alakítanak ki, amelyben feloldják a biológiailag fontos apoláris anyagokat, vitaminokat, hormonokat, gyógyszereket stb., különböző speciális funkciójuk van a lipidek közé sorolunk bizonyos hormonokat, vitaminokat, pigmenteket, enzimek kofaktorait, emulzifikátorokként is működhetnek. KÍSÉRLET A lipidek hidrofób tulajdonságainak bizonyítása Két kémcsőbe öntsünk 1 1 cm 3 növényi olajat. Az első kémcsőbe 2 cm 3 vizet, a másikba 2 cm 3 benzint öntünk. A két kémcső tartalmát óvatosan összerázzuk és figyeljük. 2.1 ábra A lipidek felosztása 2.1 Az egyszerű lipidek szerkezete és tulajdonságai Az egyszerű lipidek alapvető összetevői alkoholok és hosszú szénláncú alifás karbonsavak. Az alkoholos összetevő alapján az egyszerű lipidek feloszthatók acil-glicerolokra (gliceridekre) és viaszokra. A hosszú szénláncú karbonsavakat zsírsavaknak nevezzük. Molekuláik többnyire páros számú szénatomot tartalmaznak, alakjuk nem elágazó, egyenes lánc. Lehetnek telítettek és telítetlenek. A legismertebb zsírsavakat a 2.1 táblázat foglalja össze. 13

15 2.1 táblázat A legismertebb zsírsavak képletei A sav képlete CH 3 (CH 2 ) 14 COOH CH 3 (CH 2 ) 16 COOH CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH CH 3 CH 2 CH=CHCH 2 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH A sav neve palmitinsav sztearinsav olajsav linolsav linolénsav Azok a telítetlen zsírsavak, amelyek molekulájában egynél több kettőskötés található, az ember számára esszenciálisak (azokat az anyagokat, amelyeket a szervezet nem képes szintetizálni (előállítani), és ezért táplálék formájában kell felvennie). Minél több telítetlen zsírsavat tartalmaznak, annál nagyobb a lipidek biológiai értéke. 14 KÍSÉRLET A kettőskötések kimutatása a lipidekben kálium-permanganáttal Egy kémcsőbe 0,5 cm 3 napraforgó olajat, 1 cm 3 KMnO 4 -oldatot (c = 0,01 mol cm 3 ) öntünk, hozzáadunk 1 csepp koncentrált H 2 SO 4 -et. A kémcső tartalmát óvatosan összekeverjük és figyeljük a színváltozást. Az oxidálószer (KMnO 4 ) hozzáadásával a savas közegben végbemegy a kettőskötés hidrogénezése (a hidrogén addíciója) és a permanganát redukciója. Hasonlóképp járunk el az olivaolaj vagy más olajfajták esetében is. A keverék színének intenzitása alapján öszszevetjük az olajok telítetlenségét Acil-glicerolok Az acil-glicerolok (gliceridek) a glicerol (glicerin) OH csoportjainak észteresítésével keletkeznek. Az észteresített hidroxilcsoportok száma alapján megkülönböztetünk mono-, di- és triacil-glicerolokat (-glicerideket). Ha az észteresítésben egyféle zsírsav vesz részt, egyszerű acilglicerolok képződnek. Ha különböző zsírsavak vesznek részt, vegyes acil-glicerolok keletkeznek. Az acil-glicerolok (gliceridek) a hosszabb szénláncú karbonsavak és a háromértékű glicerol (glicerin) észterei. A hosszú szénláncú karbonsav típusától függően az acil-glicerolokat zsírokra és olajokra osztják. A zsírok molekuláiban a telített zsírsavak dominálnak, mindenekelőtt a palmitinsav és a sztearinsav. Szobahőmérsékleten szilárdak. Az olajok molekulái elsősorban telítetlen zsírsavakat tartalmaznak, pl. olajsavat és linolsavat. Szobahőmérsékleten cseppfolyósak. Származásukat tekintve megkülönböztetünk növényi eredetű acil-glicerolokat (napraforgó-, mák-, szezám-, tökmagolaj) és állati eredetű acil-glicerolokat (sertészsír, vaj, faggyú, halzsír). A növények és a halak acil-gliceroljaiban magasabb a telítetlen zsírsavak aránya, szobahőmérsékleten olajok. Kivételt jelent pl. a kakaóvaj, amely szilárd növényi zsiradék. Az állati eredetű acil- -glicerolokban a telített zsírsavak dominálnak, szobahőmérsékleten szilárd halmazállapotúak. A növényi olajok kinyerésének leggyakoribb módja a magvak sajtolása vagy megfelelő szerves oldószerrel történő extrakciója. A biológiai érték megőrzése szempontjából előnyösebb a hidegsajtolás, mint a magasabb hőmérsékleten történő sajtolás. A növényi olajok a szénvegyületek perspektivikus megújítható forrásai közé tartoznak. A repceolajból már ma bionaftát gyártanak. Az állati zsírokat kiolvasztással nyerik.

16 LIPIDEK ÉS BIOMEMBRÁNOK A zsírok tulajdonságai és jelentősége A természetes zsírok mindig különböző acil-glicerolok (trigliceridek). Azok a zsírok, amelyek nem tartalmaznak adalékot és szennyezést, színtelen, íztelen és szagtalan anyagok. A légköri oxigénnek kitett zsírok baktériumok hatására nagyon könnyen oxidálódnak (avasodás), amely során a zsírsav lánca aldehidekre, ketonokra és kisebb szénatomszámú karbonsavakra hasad. Az avasodást a zsír sárgulása és kellemetlen szag kíséri. A zsírok eközben elveszítik biológiai értéküket és a bennük feloldott anyagok is tönkremennek. Biológiai szempontból a zsírok nagy energiaértéket jelentenek a szervezet számára. Oxidációjuk során csaknem kétszer annyi energiamennyiség nyerhető, mint amennyi a szénhidrátok oxidációjakor felszabadul. A túlzott lipidfelvétel, akárcsak a túlzott szénhidrátfelvétel hozzájárul az elhízás (obezitás) kialakulásához (8 fejezet). Az emberi zsír elsősorban palmitin-, sztearin- és olajsav molekulákból áll. Kis mennyiségben linolés linolénsavat, valamint acil-koleszterolokat, foszfolipideket, vitaminokat és színanyagokat is tartalmaz. A zsírok keményítése Az olajokból kívánt tulajdonságú szilárd zsírok készíthetők (pl. nagyobb ellenálló képesség az avasodással szemben, ill. a kellemetlen szag csökkentése). Ezt a folyamatot a zsírok keményítésének nevezik. A keményített zsírok lényegesen stabilabbak, mint az olajok. Naponta találkozunk velük szilárd étkezési zsírok formájában, amelyeket margarinoknak neveznek. A keményített zsírok előállításának katalitikus hidrogénezésen alapuló technológiai folyamatát korszerűbb módszerek váltják fel, az ún. interészterezés, amely lényegesen csökkenti a transz-zsírsavak arányát a végtermékben. Az acil-glicerolok (gliceridek) hidrolízise, elszappanosítás Ahogy más észtereket, az acil-glicerolokat (glicerideket) is glicerolra és zsírsavakra lehet hasítani. A hidrolízis szervetlen savakkal, alkáli hidroxidokkal (lúgokkal) történhet, vagy a szervezetben játszódhat le a lipázoknak nevezett enzimek hatására. Az alkalikus hidrolízis során karbonsavak sói keletkeznek, amelyek szappanok néven ismertek (a zsírsavak nátrium- vagy káliumsói). Ezért az alkalikus hidrolízist elszappanosításnak (szappanosodásnak) nevezik. 2.2 ábra Az acil-glicerolok (trigliceridek) alkalikus hidrolízise elszappanosítása A nátronszappanok szilárdak és tisztító- vagy mosószerekben alkalmazzák őket. A káliszappanok kenhetőek és fertőtlenítőszereket (pl. Ajatín, Septonex stb.) készítenek belőlük. KÍSÉRLET Az acil-glicerolok (trigliceridek) alkalikus hidrolízise, szappankészítés Egy kis főzőpohárban összekeverünk kb. 1 cm 3 étolajat és 5 cm 3 NaOH-t (c = 7 mol dm 3 ), valamint néhány csepp etanolt (ϕ = 0,96). A keveréket állandóan kevergetve óvatosan hevítjük vagy percig. A keveréket lehűtve két réteg keletkezik. A felső réteg a szilárd szappan, az alsó réteget a glicerol és az NaOH alkotja. 15

17 KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG ++ A szappanok tisztító hatása az apoláris (hidrofób, víztaszító) anyagok kölcsönhatásából és a poláris (hidrofil, vízkedvelő) anyagok kölcsönhatásából adódik. A zsírsav apoláris szénhidrogénlánca az apoláris zsírfolt felé irányul (mosó hatás), míg a poláris karboxilcsoport a vizes fázis felé irányul és ezáltal lehetővé teszi a zsíros anyag (pl. szennyeződés) eloszlatását a poláris közegbe (emulgeálás). 2.3 ábra A szappanmolekulák iránya a zsíros szenynyeződés és a víz határán: (a) a poláris karboxilcsoport, (b) a zsírsav apoláris szénhidrogénlánca. KÍSÉRLET A szappan emulgeáló képessége Egy kémcsőben összerázunk néhány csepp olajat és vizet és a keletkezett emulziót hagyjuk állni. Egy idő után a kémcsőben két réteg alakul ki. A kémcsőben lévő rendszerhez kevés szappanoldatot adunk és a keveréket összerázzuk. Finom emulzió keletkezik, amelyben még hosszabb idő elteltével sem válik el a két réteg Viaszok A viaszok az egyszerű lipidek jelentős csoportját alkotják. Ezek szilárd apoláris és kémiailag stabilis anyagok, jóval ellenállóbbak a hidrolízissel szemben, mint az acil-glicerolok (trigliceridek). A viaszok a hosszú szénláncú karbonsavak és a hosszú szénláncú egyértékű alkoholok észterei. A legelterjedtebb egyértékű hosszú szénláncú alkoholok közé tartozik pl. a cetilalkohol C 16 H 33 OH, a sztearilalkohol C 18 H 37 OH vagy a miricilalkohol C 30 H 61 OH. A viaszok növényi és állati szervezetekben egyaránt előfordulnak. Szerepük mindenekelőtt abban van, hogy képesek taszítani a vizet. Bizonyos szerveken védőbevonatot képeznek, és ezzel megvédik a növényt a kiszáradástól (2.4. ábra). Az állatok testében elsősorban a szőrzetben, a gyapjúban és a prémben találhatók. Az állati viaszok közül a mindennapi életben elsősorban a méhviasz és a lanolin (a birkagyapjú viasza) használatos, mégpedig a kozmetikai termékekben és jelentős mértékben a gyógyszeriparban. Az állatvilágban építőanyagként is szolgálnak (pl. a méhek lépe). 2.4 ábra A viaszbevonat a levelek felületén áthatolhatatlan réteget alkot 16

18 LIPIDEK ÉS BIOMEMBRÁNOK 2.2 Az összetett lipidek szerkezete és tulajdonságai Az összetett lipidek abban különböznek az egyszerű lipidektől, hogy a zsírsavak és az alkoholok mellett a molekulájukban egy további összetevőt is tartalmaznak. Az anyagoknak egy nagyon jelentős csoportját alkotják, mivel a biomembránok alapvető építőkövei. Az összetett lipidek molekuláiban van hidrofób (apoláris) és hidrofil (poláris) rész is, tehát amfifilek Foszfolipidek A foszfolipidek molekuláikban a zsírsav és az alkohol (glicerol vagy szfingozin) mellett észterként megkötött foszforsavat is tartalmaznak. További összetevők is találhatók bennük, pl. a szerin aminosav vagy az etanolamin és a kolin aminoalkohol. A lecitin is egy foszfolipid (2.5. ábra). A glicerolból (glicerinből) levezetett foszfolipideket glicero-foszfolipideknek, a szfingozinból levezetett foszfolipideket szfingolipideknek nevezzük. A sejtmembránok mellett a foszfolipidek előfordulnak a májban, a vesében, a tojássárgájában is. A szójabab igen gazdag foszfolipidekben Glikolipidek A glikolipidek molekulái a zsírsav és az alkohol mellett még egy szénhidrátrészt is tartalmaznak, leggyakrabban glükózt (szőlőcukrot) vagy galaktózt. A szervezetben található glikolipidek lebontásának zavarai az idegrendszer zavarait okozhatják. A glikolipidek jelentősége hasonló a foszfolipidekéhez Biomembránok A sejtmembránok alapvető építőkövei a lipidek és a fehérjék. A lipidek közül elsősorban a foszfolipidek, de a glikolipidek és a szteroidok is ( rész). A membránok lipid- és fehérjeöszszetétele attól függően különbözik, hogy milyen a lipidek és a fehérjék részaránya és milyen típusú lipidek és fehérjék találhatók bennük. A biomembránok minden sejtben jelen vannak. Különböző feladatokat látnak el, pl.: körülhatárolják a sejtet és elválasztják a környezetétől, biztosítják a sejt belsejében a közeg heterogenitását és a sejtszervecskék körülhatárolását, bonyolult metabolikus folyamatokat, anyagcsere-kapcsolatokat tesznek lehetővé, biztosítják a sejt és a környezete közötti kommunikációt. A biomembránok alapvető szerkezeti egysége a foszfolipidekből álló kettősréteg (2.5. ábra). Kialakulásukat a molekula hidrofil (poláris) és hidrofób (apoláris) részének együttes jelenléte (amfifil volta) teszi lehetővé. Vizes környezetben így egy olyan alakzat jön létre, amelynek lényege a hidrofób interakció, tehát a zsírsavak apoláris szénhidrogénjeinek az a képessége, hogy egymás felé irányulnak és taszítják a vízmolekulákat. A hidrofil (poláris) részek a hidrogénhidak és az elektrosztatikus kölcsönhatások segítségével reagálnak a vízzel és ezért a kettősréteg felületén helyezkednek el. A biomembránok alapvető funkciós összetevői a fehérjék. 17

19 2.5 ábra Foszfolipid kettősréteg 2.6 ábra Sejtmembrán KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG A izoprénvázas lipidek szerkezete és tulajdonságai Az izoprénvázas anyagok vagy izoprenoidok lipid jellegű természetes vegyületek a növényi vagy állati szervezetekben, valamint a mikroorganizmusokban képződnek. Szerkezeti egységük az izoprén (2-metil-buta-1,3-dién). Az izoprenoidok közé tartoznak a terpének és a szteroidok Terpének A terpének elsősorban a növényekben találhatók. Molekuláik két (monoterpének) és több izoprén egységből épülhetnek fel (a 16-nál több izoprén egységet tartalmazókat politerpéneknek nevezik). A növényi illóolajok, gyanták és balzsamok leglényegesebb alkotórészei. A szteroidok és a karotenoidok képződésének fontos kiindulási anyagai. Ez utóbbiak felelősek a növényi gyökerek, termések és levelek színéért (β-karotin a sárgarépában, a likopin a paradicsomban stb.). A terpének közé tartozik a limonén a citrusfélék illóolajainak fő alkotórésze, a mentol a borsmenta illóolajának egyik összetevője és az A-vitamin. A politerpének közül példaként említhetjük a latex nevű természetes kaucsukot, valamint sztereoizomerjét, a guttapercsát.

20 LIPIDEK ÉS BIOMEMBRÁNOK Szteroidok Az izoprenoidok legfontosabb és legelterjedtebb csoportja a szteroidok. Általában fiziológiailag nagyon hatékonyak. Alapvető szerkezeti egységük a négygyűrűs szterán szénhidrogén. Előfordulásuk és fiziológiai hatásuk alapján a szteroidokat felosztjuk szterolokra (szterinek), epesavakra és szteroid hormonokra. A szterolok megtalálhatók az állatokban (zooszterolok), a növényekben (fitoszterolok) és a gombákban (mikoszterolok). A legelterjedtebb zooszterol a koleszterol (koleszterin) ( fejezet). A koleszterolhoz hasonló szerkezete van az élesztőben található ergoszterolnak. Az UVsugárzás hatására átalakul ergokalciferollá D 2 -vitaminná. Az epesavak az epe fő anyagai, a májban képződnek. Emulgeáló képességüknek köszönhetően a szervezetben részt vesznek a zsírok emésztésében és felszívódásában. Legismertebb közülük a kólsav és a dezoxikólsav. A szteroid hormonok közé a nemi hormonok (tesztoszteron, ösztrogének, gesztagének stb.) és a mellékvese kéregállományának hormonjai (kortikoidok) tartoznak Koleszterol A koleszterol (vagy koleszterin) minden állati szövetben előfordul vagy szabadon, vagy egy hosszú szénláncú karbonsavval észtert alkotva. Az állati plazmamembrán kialakításában is közreműködik és szabályozza a membrán viszkozitását és áteresztőképességét. Kiindulási anyaga további fontos szteroid jellegű vegyületeknek az epesavaknak és a szteroid hormonoknak. A felnőtt ember szervezetében mintegy 100 g koleszterol van, egy részét a táplálékkal veszi fel, egy részét pedig maga szintetizálja a májban. A szervezetben az észter formájában található koleszterolt a lipoprotein részecskék szállítják (erről többet a 4. fejezetben). Annak ellenére, hogy a koleszterol a szervezet számára nélkülözhetetlen, mennyisége a vérben szigorúan meghatározott. Az emberi vér koleszterol-szintjének a vizsgálata rendkívül fontos, mert kórosan lerakódik az érfalakon és érelmeszesedést okoz. Felelős bizonyos epekőtípusok képződéséért is. Hasonlóan a magas vércukorszinthez, a magas koleszterinszint is az alattomos betegségek közé tartozik, mert nem okoz fájdalmat és fiatalabb korban a megemelkedett szintje különösebben nem nyilvánul meg. A koleszterol a dohányzással és a magas vérnyomással együtt a szív- és érrendszeri (keringési) betegségek legsúlyosabb kockázati tényezőinek (rizikófaktorok) csoportjába tartozik. A koleszterol a fő alkotórésze a HDL (High Density Lipoprotein) és az LDL (Low Density Lipoprotein) lipoproteineknek (lipidrészt tartalmazó fehérjék, 4. fejezet), amelyeknek a lipidek szállítása a feladata a vérben. A HDL-kötésű koleszterolt általában jó koleszterinnek nevezik, mert ezek a részecskék biztosítják a koleszterol szállítását a szövetekből a májba. Ellenkezőleg, az LDL részecskék szállítják a koleszterolt a májból a szövetekbe. Túlzott szállítása káros, ezért az LDL-kötésű koleszterolt olykor rossz koleszterinnek is nevezik. A vér összkoleszterol-szintjét az LDL- és a HDL-koleszterolok mennyiségéből számítják ki. 19