Természetes szerves vegyületek kémiája Orvosi laboratóriumi és képalkotó diagnosztikai analitikus szakos hallgatók részére Előadó: Dr. Juhász László egyetemi docens 2015/16 tanév 2. szemeszter
Fontos tudnivalók Elérhetőség: Iroda/: Kémia épület; E-409 Honlap: http://szerves.science.unideb.hu (előadás anyag) e-mail: juhasz.laszlo@science.unideb.hu Kötelező irodalom: Tantermi előadás Ajánlott irodalom: Az előadás ábraanyaga (szükséges és elégséges) Paul M. Dewick: Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach; Wiley (2009) Satyajit D. Sarker, Lutfun Nahar: Chemistry for Pharmacy Students; Wiley (2007) Antus Sándor, Mátyus Péter: Szerves Kémia I.- III.; Tankönyvkiadó, (2005) Kollokvium: A vizsgaidőszakban szóbeli kollokvium: 2 tétel 2
Természetes szerves vegyületek kémiája előadás célja A szerves vegyületek felépítésében résztvevő atomok: Szén (C) Hidrogén Oxigén Nitrogén Kén Egyéb elemek Miért van szükség külön tudományterületre: CA (Chemical abstract) adatázisban alapítása óta (1905) 106543984 vegyületet írtak le a mai napig, melyek közül körülbelül 1500000 a szervetlen vegyületek száma. Mi a célja az előadásnak: Az élő szervezetek felépítésében, illetve az életfolyamataik során szereplő szerves vegyületek szerkezetének, funkciójának (a részletes biokémiai háttér nélkülözésével), bioszintézisének, fizikai és kémiai sajátságainak a megismerése, támaszkodva az első félévben hallgatott Általános szerves és szervetlen kémia kurzusban elhangzott ismeretekre, azonban részletes szerves kémiai megközelítéssel. 3
Miről lesz szó a félév során? A természetes szerves vegyületek építőkövei és felépítési reakciói Lipidek Aminosavak, peptidek, fehérjék Flavonoidok Szénhidrátok Nukleinsavak Alkaloidok Vitaminok Antibiotikumok
A természetes eredetű szerves vegyületekről beszélve ( natural products ) legtöbbször valamely élő szervezetből (növény, mikróbák, állat, stb.) izolálható másodlagos anyagcseretermékekre gondolunk, melyek legfőbb jellemzői: Fellehetőek akár ez egész organizmusban, vagy annak részében (pl: növényeknél virág, szár, stb;) Lehetnek keverékek, vagy tiszta anyagok. Általában 1500 ate-nél kisebb molekulatömegűek. Az adott organizmusnak nem szükségesek az életben maradásukhoz. Elsődleges és másodlagos anyagcsere folyamatok elsődleges és másodlagos természetes anyagok Élete során minden élő szervezet rengeteg szerves molekulát alakít át, amihez energiára van szüksége. Ezt az ATP-ből szerzik, és az energiát is ATP formájában képesek raktározni. Élőlénytől függetlenül vannak olyan vegyületek, melyek mindegyiknek szükségük van az életfolyamataikhoz, illetve magukhoz az élő szervezetek felépítéséhez. Ilyen vegyületek a szénhidrátok; fehérjék, zsírok, nukleinsavak Ezek a vegyületek általában egyszerűbb molekulákból épülnek fel (poliszacharidok egyszerű cukrokból; fehérjék aminosavakból; nukleinsavak nukleitidokból, stb). Megfigyelték, hogy ezen biológiai szempontból nélkülözhetetlen vegyületek felépítése és lebontása organizmustól függetlenül hasonló módon játszódik le. (pl: glikolízis, citrátciklus; zsírsavak β-oxidációja, stb). Ezeket a folyamatokat nevezik elsődleges anyagcsere folyamatoknak, és a bennük szereplő anyagokat elsődleges anyagcseretermékeknek. A másodlagos anyagcseretermékek keletkezése nem létszükséglete az organizmusoknak, nem találhatóak meg minden organizmusban, vagyis erős specifitást mutatnak. Az ezek felépítésében/lebontásában résztvevő folyamatokat nevezzük másodlagos anyagcsere folyamatoknak. 5
Az építőkövek A növényék állatvilágban előforduló természetes vegyületek legfontosabb építőelemei szénhidrátokból keletkeznek a glikolízis során, vagy elemeiből épülhetnek fel a növényekben a fotoszintézis során. Fontos építőelemek és intermedierek (köztitermékek): Sikiminsav Aceteil-CoA Metil eritritol-4-p Mevalonsav Fehérjeépítő aminosavak Lizin Ornitin Stb. 6
7
A természetes vegyületek építőelemei I. 8
A természetes vegyületek építőelemei II. 9
A természetes vegyületek építőelemei III. 10
Építőkövek a természetes vegyületekben OH HO OH CO 2 H O O O Cukor O OH O O OH O H 2 C O H 3 CO O O OCH 3 OCH 3 orsellinsav 4 x C 2 parthelinide 3 x C 5 naringin C 6 C 3 + 3 x C 2 + cukor podophyllotoxin 2 x C 6 C 3 + 4 x C 1 O OH CO 2 H tetrahidrokannabiolsav 6 x C 2 + 2 x C 5 H 3 CO H 3 CO H 3 CO H 3 CO N papaverin C 6 C 2 N + (C 6 C 2 ) + 4 x C 1 HO 2 C CH 3 N NH lizergsav indol-c 2 N + C 5 + C 1 NCH 3 CO 2 CH 3 O O kokain C 4 N + 2 x C 2 + (C 6 C 1 ) + 2 x C 1 C 6 C 3 C 6 C 3 11
Felépítési reakciók I. Alkilezési reakciók - S N - A SAM képződése O- és N-alkilezés a SAM-val; a metionin regenerálódása
C- alkilezés a SAM -val Felépítési reakciók II. Alkilezés a DMAPP -vel
Karbokation képzése és megszűnése Karbokationok generálása A karbokationok megszüntetése A karbokationok képződhetnek: jól távozó csoport lehasadásával; alkének, epoxidok protonálásával, alkének alkilezésével (pl: SAM) A pozitív töltés megszűnhet : protonvesztéssel (kettőskötés képződik); gyűrűzárással; nukleofillel történő reakcióval (pl.: víz)
Karbokationok stabilitása és a Wagner - Meerwein átrendeződés Electronküldö csoportok növeleki a karbokationok stabilitását (alkil, O-alkil, amino, stb.) A karbokation stabilitás első közelítésben a szénatom rendűségével növekszik Következmény: Egyébb tényezők?
Aldol és Claisen reació Az aldol és a Claisen reakció C-C kötés kialakítására lakalmazhatóak; Tipikusan bázis katalizált folyamatok A reakció lefutása függ az X csoport távozó jellegétől
C-C kötés képződése biológiai rendszerekben A C-C kötések képződése a biológiai rendszerekben sokszor coenzim-a észterek segítségével történok (acetil-coa). Ez egy tioészter (S) származék, és az O-észterekkel szemben két fontos előnye van: Az α hidrogén savasabb, így könnyebb generálni a karbaniont. A tiolát jobb távozócsoport Ezek következménye, hogy az aldol és a Claisen reakciók enyhébb körülmények között mehetnek végbe biológiai rendszerek!!
Malonil-CoA és az acetilaceto-coa Claisen reactió könyebben lejátszódik az élő szervezetekben, ha előbb az acetil-coa enzim katalizált folyamatokban átalakul malonil-coa vagy acetilaceto-coa intermedierekké
Retro-Aldol és retro Claisen reació: a zsírsavak -oxidációja Mindkét folyamatnak fontos szerepe van a természetes vegyületek szerkezetének a módosításában, a diverzitás növelésében!
A C-N kötés képződése A C-N kötés képződése tipikus kondenzációs folyamat, ami oxo vegyületek (ketonok, aldehidek) és aminok (esetleg ammónia) között játszódik le és imineket, Schiff bázisokat eredméynez. C-C kialakításában is részt vehetnek Mannich reakció
Reduktíve aminálás és transzaminálás biológiai rendszerekben Aminálás Az aminosav szintézis függ a Krebs ciklus (citrát ciklus) intermedierének, a 2-oxoglutársavnak glutaminsavvá történő átalakulásától, ami egy reduktív aminálás. ransamination
Mechanizmusa: A transzamináz enzime coenzime a piridoxál foszfát (PLP). Aminosavak dekarboxilezése Az aminosavakból származtatható építőkövek keletkezésénél van fontos szerepe. Ez a folyamat is PLP függő reakció.
α-ketosavak dekarboxilezése β-ketosavak dekarboxilezése Számos bioszintetikus folyamat jár a szénlánc hasadásával. Mint láttuk korábban a retro-aldol vagy a retro-claisen reactikkal 2 vagy több (páros számú) atommal csökkenhet a lánc hossza. A dekarbpxilezési reakciókkal egy szénatommal csökken a lánc hossza
Oxidációs és redukciós folyamatok Enzimek Dehidrogenázok Oxidázok Monooxigenázok Dioxigenázok B.V. monooxigenáz Egyéb folyamatok: Hologénezés Glikozilezés Phenolox oxidatív kapcsolása, Stb.
Természetes vegyületek mint gyógyszerek A beteg azt mondja: Fáj a torkom! Erre az orvos: Kr.e. 2000: Tessék, edd meg ezt a gyökeret! Kr.u. 1000: Az a gyökér pogány dolog, mondj el egy imát! Kr. u. 1850: Az ima babonaság, idd meg ezt az elixírt! Kr. u. 1940: Az az elixír kígyóolaj, nem tesz jót, nyeld le ezt a pirulát! Kr. u. 1985: Az a pirula hatástalan, vedd be ezt az antibiotikumot! Kr. u. 2008: Az az antibiotikum nem természetes! Tessék itt egy gyökér A gyógynövények alkalmazása az egészség megőrzésében, és a betegségek gyógyításában Kr. előtt harmadik évezredig nyúlik vissza. Hipokratesz (Kr.e. 460 377) mint egy 400 a gyógyításban is használt természetes anyagot írt le. A kínai és egyiptomi gyógyászat szerves részét képezte a gyógynövények, és egyéb természetes eredetű anyagok használata. A fejlődő országok lakosainak a mai napig a gyógynövények alkalmazása az egyetlen elérhető lehetőség. Kínában több mint 7000 növényt tartanak nyílván gyógynövényként A természet által évezredek alatt kifejlesztett és előállított vegyületek jó kiindulási alapot adhatnak gyógyszerek fejlesztéséhez, illetve ők maguk is jó hatóanyagok lehetnek. 25
Morfin - narkotikum (Papaver somniferum) Artemisinin - Malária ellenes szer (Artemisia annua) Vincristine - Rák ellenes szer (Vincarosea) Taxol - rák ellenes szer (Taxus brevifolia) Penicillin vázas antibiotikumok (Penicillium ssp) 26
Gyógyszer fejlesztés és természetes eredetű vegyületek I. Thus,the term natural product has become almost synonymous with the concept of drug discovery. In modern drug discovery and development processes, natural products play an important role at the early stage of lead discovery, i.e. discovery of the active (determined by various bioassays) natural molecule, which it self or its structural analogues could be an ideal drug candidate. 1981 2002 között 877 új hatóanyagot vezettek be a piacra, ezek 61 %-a volt természetes anyag, vagy annak származéka, vagy mimetikuma. Ebből 6% természetes anyag; 27% természetes vegyület származéka; 5% tartalmazott valamilyen természetes vegyületből származó farmakofórt, 23% pedig úgynevezett természetes vegyület mimetikum. Vannak területek, ahol sokkal magasabb a természetes vegyületek aránya: antibakteriális vegyületek 78%-a rák ellenes gyógyszerjelölt (drug candidate) molekulák 72%-a természetes vegyület, vagy annak analogonja. 2001-ben a 30 legnagyobb bevételt hozó gyógyszer közül 8 természetes eredetű: simvastatin, pravastatin, amoxycillin, klavualsav, clarithromycin, azithromycin, ceftriaxone, cyclosporin, paclitaxel (16 milliárd US$) 27
Dózis (mg) Szerkezet optimálás Cél: biológiai hatás erősítése a mellékhatások és toxicitás visszaszorításával 20 mg / 750 db béka 35 30 Dózis titrálás toxikus Humán 2. fázis: Nem kívánatos gyomor és bélrendszeri mellékhatások miatt elvetve 25 20 15 terápiás 10 5 subterápiás 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Gyógyszer fejlesztés és természetes eredetű vegyületek II. A közelmúltban a gyógyszergyárak elhanyagolták a természetes vegyületeken alapuló gyógyszer fejlesztést. A 90-es években több ok is hozzájárult a terület hanyatlásához : kompatibilitás hiánya a high throughput screening (HTS) módszerekkel kis fokú automatizálhatóság izolálási és szerkezet meghatározási nehézségek kombinatorikus kémia kifejlődése DE! A gyógyszerfejlesztés újból a természetes vegyületek felé fordult: kombinatorikus kémia nem jött be. az elválasztási és azonosítási módszerek fejlődése elképzelhetetlen diverzitás több mint 250 000 növény faj él a földön, de ezek alig 10 %-át vizsgálták. Új lelőhelyek: tengeri élőlények 29
HTS screening automatizált nagy áteresztőképességű vizsgálatok Célja: egy vagy több molekula/vegyület kiválasztása, amely megfelel a feltételeknek Jól automatizálható módszer Receptorok, enzimek, fehérjék, ioncsatornák, vagy egyéb farmakológiai célmolekulák ligandumainak meghatározása Sejt alapú tesztek esetében vizsgálható a vegyületek biológiai hozzáférhetősége, citotoxikussága és hatása a biokémiai folyamatokra A receptor ligandum kölcsönhatás könnyen detektálható megfelelő indikátorok segítségével (pl.: fluorescencia) Izolált fehérjék esetén a tisztítás külön problémát jelent - hátrány
31
Lipidek Lipidek csoportosítása Lipidek - kémiailag igen változatos vegyületcsoportok gyűjtőneve. Közös megkülönböztető jegyük, hogy vízben oldhatatlanok. Csoportosítás biológiai funkció alapján energiatárolás, tápanyag raktározás (trigliceridek: zsírok, olajok) biológiai membránok fő alkotórészei (foszfolipidek, glikolipidek, szterinek) enzim kofaktorok, elektronszállítók, fényabszorbeáló molekulák, hidrofób horgonyok, emulzifikáló anyagok, hormonok, stb. Csoportosítás kémiai szerkezet alapján - Nem hidrolizálható (egyszerű) lipidek: Terpének Karotinoidok Szteroidok Eikozanoidok - Elszappanosítható/hidrolizálható (összetett) lipidek: Triacilglicerinek (trigliceridek) Viaszok Foszfolipidek (foszfogliceridek, szfingolipidek) Glikolipidek (galaktolipidek, szulfolipidek, glikoszfingolipidek 32
Izoprén vázas vegyületek csoportosítása, szerkezete és hatásuk A növényvilágban nagyon gyakoriak azok a szénvegyületek, amelyeknek szénváza két vagy több izoprén egységet foglal magában. Az öt szénatomos izoprénváz nagyszámú és igen változatos szerkezetű és biológiai hatású vegyület építőegysége. Ezek a vegyületek két csoportra oszthatók, mégpedig a terpenoidokra és a karotinoidokra. Terpenoido monoterpének k : (C 5 H 8 ) 2 szeszkviterpének: (C 5 H 8 ) 3 diterpének: (C 5 H 8 ) 4 szesterterpének: (C 5 H 8 ) 5 triterpének: (C 5 H 8 ) 6 tetraterpének: (C 5 H 8 ) 8 politerpének (C 5 H 8 ) n ; n>8 Leopold Ruzicka 1887-1976 Kémiai Nobel-díj (1939) Otto Wallach 1847-1931 Kémiai Nobel-díj (1910) Karotionidok csak C és H atomot tartalmazó konjugált tetraterpének heteroatomot is tartalmazó konjugált tetraterpének: xantofilek Izoprén szabály: a terpénekben az izoprén egységek fej-láb módon kapcsolódhatnak össze 33
Terpenoidok bioszintézise A terpenoidok bioszintézise szénhidrátokból kiindulva mevalonsavon át valósul meg, oly módon, hogy a mevalonsavból ún. aktív izoprén (izopentenil-pirofoszfát, IPP), keletkezik, ami a természetes izoprénvegyületek prekurzora. Az izopentenil-pirofoszfát (IPP) izomeráz enzim hatására savkatalizált folyamatban dimetilallilpirofoszfáttá (DMAPP) alakul. Ebből a pirofoszfát anion lehasadásával egy dimetilallil kation keletkezik, ami prenil-transzferáz enzim közreműköfésével IPP-vel reagálva geranil-pirofoszfátott ad. Ez lesz a különböző terpenoidok szintézisének kulcs intermediere. 34
A geranil-pirofoszfátból (GPP) a pirofoszfát lehasadásával keletkező kationból számos monoterpén levezethető. Amennyiben ez a kation egy IPP molekulával reagál, akkor a szeszkviterpénekhez juthatunk. További láncnövekedéssel és enzimatikus átalakulással minden származék levezethető belőle. 35
A terpenoidok leggyakrabban növényekben fordulnak elő. A monoterpének általában alacsony forráspontú, kellemes illatú vegyületek (illóolajok), melyek az izoprén egységeken kívül tartalmazhatnak egyéb funkciós csoportokat (OH; CHO; C=O) A monoterpének (két izoprén egységből felépülő vegyületek) szerkezetük szerint lehetnek aliciklusosak, monociklusosak vagy bicuklusosak. babérfa kakukkfű Antiszeptikus, fungicid hatású citromfű Hűsítő, csiraölő hatású borsmenta 36
Kitekintés kiralitás és szerepe a biológiai hatásban Az enantiomerek nem feltétlenül rendelkeznek azonos biológiai hatással 37
A biciklusos monoterpéneknek számos szerkezetileg érdekes képviselője ismert a természetben, melyek közül a tuján és a tujon (a tuja illóolajában fordul elő) ami biciklo[3,1,0]hexán gyűrűrendszert tartalmaz. a tujon mentol illatú vegyület a GABA (g-aminobutánsav legfontosabb inhibitora az idegi ingerület átvitelnek) receptorra hat. Nem okoz hallucinációkat Erre a receptorra hatnak a barbiturátok, benzodiazepám, kábítószerek. az abszint is tartalmazza elenyésző mennyiségben (szabályozzák a mennyiségét) Az abszint egy alkoholtartalmú ital, mely főleg fehér ürömből, ánizsból és édesköményből készül. A smaragdzöld folyadék általában rendkívül magas (50%-nál több) alkoholtartalmú és kesernyés ízű. Ebből kifolyólag vízzel hígítva és cukor hozzáadásával fogyasztják. Amikor vízzel keverjük, érdekes hatásnak lehetünk tanúi, ugyanis az abszint a víz hatására opálos fehér-zöld színt vesz fel. Ennek oka az italban található illóolajok, főleg az ánizsolaj nagyon rossz vízoldhatósága, melyek a hígítás során kicsapódnak az oldatból. 38
Jellegzetes szagú, illékony, hűsítő és fertőtlenítő hatású vegyület. Trópusi növényekben található Szeszkviterpének: három izoprén egységből felépülő terpenoidok. hársfavirág ciklámen narancsvirág 39
Karotinoidok szerkezete és csoportosításuk A karotinoidok zsírban oldódó természetes eredetű pigmentek. A nyolc izoprénegységből felépülő karotinoidok közös szerkezeti sajátossága a folytonos konjugációt alkotó polién struktúra. A vegyületcsalád neve a sárgarépából (Daucus carota) izolált pigmentre, a karotinra utal. A karotin három hasonló szerkezetű vegyület, mégpedig az -, - és g-karotin keveréke. -karotin -jonon -karotin -jonon -karotin -jonon -karotin -jonon -karotin -jonon g-karotin likopin 40
Xantofilek 41
Az A-vitamin 42
A látás fotokémiája (addíció, elimináció, izomerizáció): Az emberi szem kétfajta receptor sejtet tartalmaz: pálcikákat és csapokat pálcikák (retina peremén helyezkednek el, gyenge fényviszonyoknál aktívak színlátásra nem alkalmasak.) csapok (retina központi részén találhatók, erős fényviszonyok között aktívak, színlátásért felelősek) Állatvilágban: galambok (csak csapok: csak nappal látnak), baglyok (csak pálcika: színvakság, viszont szürkületben is látnak) A pálcikákban található a rodopszin kromofórja a 11-cisz-retinal. A rodopszin kialakulása során a retinal karbonilcsoportjára addícionálódik a fehérje (opszin) egy aminocsoportja (Ad N -reakció), majd egy vízmolekula eliminációjával jön létre az imin (ez a rodopszin, látóbíbor). A látást a pálcikákban található rodopszin biztosítja, mely fény hatására elhalványodik, lebomlik. A fényérzékeny komponens, a retinén, egy foton hatására cisz konfigurációja all- transz konfigurációra változik, elhagyja a fehérjemolekulát, melynek ekkor bekövetkező konfigurációváltozása megváltoztatja a membránpermeabilitást. Így alakul ki a látásinger. Sötétség hatására a rodopszin újratermelődik. 43
44
Periplanone B Amerikai csótány sexferomonja Egyszerű vegyület, de mennyire egyszerű a kémiai szintézise? 45
Still, W.C; J. Am. Chem. Soc., 101, 2493 (1979) 46
Mentol 3500 tonna / év 47
Szteroidok A szteroidok a természetes szénvegyületek egyik legfigyelemreméltóbb csoportját alkotják, mivel fontos szerepet játszanak az életfolyamatokban és nélkülözhetetlenek a gyógyításban. A szteroid név a vegyületcsoport legrégebben izolált tagjára a koleszterinre utal, amit epekőből (görögül khole epe, sztereosz szilárd) nyertek ki. Valamennyi szteroidmolekulára jellemző az ún. szteroid alapváz, ami kémiai szerkezetére nézve perhidro-1,2- ciklopentanofenantrén 48
A tetraciklusos szénhidrogénben az egymáshoz kapcsolódó gyűrűk téralkata különböző lehet. A természetben előforduló szteroidok esetében ezek közül három lehetséges gyűrűkapcsolódás valósul meg, amit az androsztán alapvázon mutatunk be. A gyűrűrendszer felső oldalán elhelyezkedő szubsztituensek -, míg az alsó térfélen elhelyezkedőek - térállásúak 49
Bioszintézis 50
Szterinek: olyan szteroid alkoholok, melyek állatokban (zooszterinek), növényekben (fitoszterinek) vagy gombákban (mikoszterinek) képződnek. Zooszterinek: legfontosabb képviselője a koleszterin, ami minden állati szervezetben előfordul, különösen sok található például a tojássárgájában és az emberi epekőben. A koleszterin fontos szerepet játszik a szteroid hormonok és az epesavak bioszintézisében. A D 3 -vitamin ipari szintézisének is kiindulási anyaga. A koleszterin minden emberi és állati sejtben megtalálható. Különösen nagy mennyiségben fordul elő egyes szervekben, pl. a mellékvesében, idegrendszerben. A koleszterint a szervezet a májban állítja elő, és a sejthártyák felépítésében van fontos szerepe, valamint sokféle hormon alapanyaga. A koleszterin meghatározásából következtetni lehet a máj működési állapotára. A vér koleszterin tartalma cukorbetegség (diabetes), sárgaság, a pajzsmirigy csökkent működése, vesebetegségek és érelmeszesedés esetén fokozott lehet. A koleszterin lerakódva az erek falában annak rugalmasságát csökkenti, és elősegíti az érelmeszesedés kialakulását. A vizelet üledékvizsgálatakor gyakran találhatók kicsapódott koleszterin kristályok. Csökken a koleszterinszint máj-, és fertőző betegségekben, és Basedow-betegségekben (hipertireózis). 51
52
A mikoszterinek közül a legfontosabb az ergoszterin, amit elsőként egy a rozson élősködő gombából az anyarozsból (Claviceps purpurea) izoláltak. A vegyület neve az anyarozs francia nevéből (ergot) származik. Az ergoszterin UV-besugárzás hatására a C9 C10 kötés homolitikus hasadását követően D2-vitaminná alakul A fitoszterinek növényekben fordulnak elő. Egyik legelterjedtebb képviselőjük a sztigmaszterin, amit szójaolajból állítanak elő, és egyes nemi hormonok előállításához használják kiindulási anyagként. A legfontosabb epesavak az 5 -androsztán hidroxikarbonsav származékai. Az epében aminosavakkal (glicin, taurin) képzett peptidszerű vegyületeik az ún. páros epesavak nátriumsó formájában fordulnak elő. Az epesavak szerepe a vízben nem oldódó zsírok felszívódásának elősegítése. 54
Szívre ható glikozidok és varangymérgek: gyógyászati szempontból nagyon fontosak. Növényekben (pl. a Digitalis- és Strophantus-fajokban), tengeri hagymákban (Scilla maritima) és egyes békafajokban (Bufo-fajok) fordulnak elő. A csoport valamennyi tagja 5,14 -androsztán alapvázat tartalmaz, melyhez 3 - és 14 helyzetben két hidroxicsoport, 17-helyzetben pedig egy laktongyűrű kapcsolódik, valamint a 3 -hidroxicsoport különböző szénhidrátokkal glikozidos kötést alkot. A glikozidos kötés már enyhe savas hidrolízis hatására is felszakad, és a szénhidrátok mellett aglikon (pl. genin) is izolálható. Egyik legfontosabb képviselőjük a digitoxin és a digoxin. Hatásai: dózistól függően növelik a szív összehúzódási erejét, ami szívelégtelenség esetén jelentősen csökkent. Ezt a hatást úgy fejtik ki, hogy a szívizomsejtekben egyes ioncsatornák működését gátolva megváltoztatják a sejtekben az ioneloszlást. A sejt belsejében megnő a kalcium tartalom a normálishoz képest, ami növeli az összehúzódások erejét. A szív így kevesebb erőfeszítéssel több vért tud kilökni. Azonos munkához kevesebb oxigént igényel, és jobb hatásfokkal dolgozik. A túladagolás során kialakuló túlzottan magas kalcium szint azonban káros, mert túl hamar idézhet elő újabb ingert az összehúzódáshoz. Csökkentik a káliumszintet, ami túladagolás esetén lehet nagy fontosságú. A nagyon alacsony káliumszint ugyanis szintén extra ütésekhez vezethet, ami ritmuszavart vagy túl gyors szívverést válthat ki. 55
A szteroidszaponin gyűjtőnév az idesorolt vegyületek vizes oldatának szappanhoz hasonló habzására utal. A szaponinok hatgyűrűs alapvázat tartalmazó glikozidok, melyeknek jellegzetes szerkezeti eleme a spiroketál gyűrűrész. Legfontosabb képviselőjük a Dioscorea-fajokban előforduló dioszcin, melynek aglikonja a dioszgenin. A dioszgenin fontos kiindulási anyaga a sztereoid hormonok, például a progeszteron félszintetikus előállításának. A szteroid alkaloidok nitrogéntartalmú szteránvázas vegyületek, amelyek főként a Solanum fajokban fordulnak elő glikozidjaik formájában. Néhány képviselőjük (pl.a szolaszodin és a tomatidin) szerkezete sok hasonlóságot mutat a szaponinok gyűrűrendszerével, csak a spiroketál rész hattagú gyűrűjében oxigénatom helyett nitrogén található. 56
A szteroid hormonok egy része a nemi funkciókat szabályozza ezek a nemi hormonok, más részük pedig a szervezet anyagcseréjét (cukor- és sóháztartás) befolyásolják ezeket az előfordulásukra utalva mellékvesekéreg-hormonoknak (vagy kortikosztereoidoknak) nevezzük. A hormonok nagyon változatos funkciókat töltenek be, ennek ellenére azonban szerkezetük sok tekintetben hasonló. A 17-helyzetben a hosszú oldallánc vagy gyűrű helyett általában hidroxi-, oxo- vagy acetil-csoportot tartalmaznak. A női nemi hormonok egy része (ösztrogének) a másodlagos nemi jelleg kialakulásáért felelősek ezek az ösztradiol, ösztriol és az ösztron. Közös jellemzőjük, hogy az A-gyűrű mindhárom vegyületben aromás. A női nemi hormonok másik csoportját a terhesség fenntartását biztosító gesztagének alkotják, melyeknek egyetlen természetes képviselője a progeszteron. 57
A férfi nemi hormonok (androgének) közé a másodlagos nemi jelleg kialakulásáért felelős tesztoszteron és annak átalakulásával képződő androszteron tartozik. A mellékvese nagy számú kortikoszteroidot termel. Közülük a kortizolt szintetikusan is előállítják, ez a hidrokortizon, amely gyulladáscsökkentő hatású szer. Néhány szintetikus szteroid hasonló hatást mutat, ilyen például a prednizolon. Bármely gyulladásos folyamatban hatékonyak, így reumatoid artritiszben és egyéb kötőszöveti betegségekben, szklerózis multiplexben, illetve sürgősségi esetekben, például agyduzzadásban, asztmás rohamban és súlyos allergiás reakciókban is. Mivel a gyulladásos válasz elnyomásával csökkentik a szervezet fertőzésekkel szembeni védekezőképességét, csak nagyon óvatosan adhatók fertőzésben. Alkalmazásuk ronthat a magas vérnyomáson, a szívelégtelenségen, a cukorbetegségen, a peptikus fekélyen, a veseelégtelenségen és a csontritkuláson, és ezen esetekben csak akkor adhatók, ha nagyon szükséges. 58
Prosztaglandinok és eikozanoidok A prosztaglandinok a C20 lipidek közé tarroznak, és szerkezetükre jellemző az 5 tagú gyűrű, amihez két oldallánc kapcsolódik. Számos biológiai hatással rendelkeznek: vérnyomáscsökkentő hatás, vérlemezke aggregációt növelő hatás sérülések esetén, gyomorsav kiválasztás csökkentő hatás, gyulladás csökkentés; vese funkcióit befolyásolja, méh összehúzó hatás, stb.. Prostaglandinok a tromboxánokkal és a leukotriénekel alkotják az eikozanoidok csoportját, mivel e vegyületek mind a 5,8,11,14-eikozatetraésavból másnéven arakidonsavből képződnek. Prostaglandinokra (PG) jellemző a ciklopentán gyűrű a két oldallánccal; tromboxánok (TX) hat tagú oxigén heterociklust tartalmaznak, míg a leukotriének (LT) nyíltláncúak.
Hidrolizálható lipidek csoportosítása A zsírsavak hosszú szénatom számú karbonsavak (C 4 - C 36 ), melyekben a szénlánc lehet telített, de tartalmazhat 1 vagy több kettős kötést is. 60
61
A zsírsavak fizikai tulajdonságait erősen befolyásolja a szénlánc hossza, és telítettségi foka. Az apoláris alkil lánc miatt vízben oldhatatlanok. Az olvadáspontjuk szintén függ a lánc hosszától és telítettségi fokától. A telített zsírsavak (12:0 24:0) viaszos szilárd vegyületek, míg a telítetlen származékok olajok. 62
Trigliceridek Vízben oldhatatlanok poláris funcióscsoportok hiánya A természetes trigliceridek általában vegyes gliceridek különböző zsírsavakat tartalmaznak Jobb üzemanyagok a szénhidrátoknál: - alacsonyabb oxidációs állapot miatt több energia nyerhető az elégetésük során; apolárisak, nem hidratált formában tárolódnak a szervezetben kisebb tömegűek! 63
Néhány természetes zsír és olaj összetétele 64
65
Szappanok A szappan a legősibb mesterséges mosószer. A szappanok a hosszú szénatomszámú karbonsavak nátrium- vagy káliumsói. Az első szappanok már kr.e. 600-ban ismertek voltak. A házilag készült szappant a következő technológiai lépésekben gyártották. Zsíros és faggyús állati anyagokat (például a disznóvágásból kimaradtakat) NaOH-val (nátrium-hidroxid, lúgkő) együtt főzték, melynek során glicerin és a karbonsavak nátriumsója keletkezett. Mivel a glicerin és az említett só még összekevert állapotban volt, az oldatba konyhasót adagoltak és ennek hatására a szappan kivált az oldatból. 66
Hogyan működnek a szappanok?
Viaszok A viaszok zsírsavaknak hosszú szénatomszámú alkoholokkal képzett észterei. A viasz szó jelentése nem pontosan meghatározott, de általában olyan anyagot jelent, ami tulajdonságaiban a méhviaszra hasonlít, tehát: szobahőmérsékleten plasztikus (formálható) olvadáspontja 45 C fölött van megolvasztva alacsony a viszkozitása vízben nem oldható, hidrofób azaz víztaszító, vízlepergető. A legközönségesebb viasz a méhviasz, mely főtömegében a palmitinsavnak miricilalkohollal képezett észteréből, C 15 H 31 COOC 30 H 61, áll. A bőrgyógyászatban előszeretettel használják a bálnaviaszt vagy cetaceumot (spermacet-et), mely a bálnafélék koponyaüregében található, és főleg a palmitinsav cetilalkohollal képezett észteréből, C 15 H 31 COOC 16 H 33, áll. A kínai viasz rovaroknak az anyagcsereterméke és cerotinsavas cerilészterből áll, C 25 H 51 COOC 26 H 53. Az állati eredetű viaszok közül említésre méltó még a gyapjúzsír (lanolin), mely a gyapjún keletkezik és a gyógyszerészetben, valamint a kozmetikában játszik fontos szerepet. A carnauba-viasz viszont, melyet pl. paraffingyertyák fehérítésére használnak, növényi eredetű és főalkatrésze a cerotinsavas miricilészter, C 25 H 51 COOC 30 H 61.
Hidrolizálható lipidek A biológiai membránok fontos szerkezeti eleme a lipid kettős réteg, melyen keresztül történik a molekulák és ionok transzportja. A membrán alkotó lipidek amfipatikus molekulák, a molekula elkülönülten tartalmaz hidrofil és hidrofób részeket is A foszfolipidek a foszforsav észter származékai.
Foszfolipidek A foszfolipidek két fő típusa: glicerofoszfolipidek és szfingolipidek (szfingomielinek). A glicerofoszfolipidek alapja a foszfatid sav (R = H), ami glicerinből, ahoz észter kötéssel kapcsolódózsírsavakból (2 db) és foszforsavból áll. Jóllehet bármely C12 C20 zsírsav előfordulhet ezekben a vegyületekben, azonban leggyakrabban glicerin C1 hidroxil csoportját telített, míg a C2 hidroxil csoportját általában telítetlen zsírsav észteresíti. A C3 hidroxilcsoporton található foszforsav egység aminoalkoholokkal, mint például kolin, etanolamin vagy a szerin van észteresítve. A szifingolipidekben a szfingozin amino csoportját egy zsírsav molekula acilezi, míg a C1 hidroxil csoporton található a foszfát egység, ami kolinnal van észteresítve. E molekulákban a foszfát rész semleges ph-n is negatív töltésű (hidrofil), míg a zsírsav egység és a szfingozin oldallánca a hidrofób rész. A C3 hidroxil csoport gyakran glikozileződik (pl: glukozilkeramid)
Glikoszfingolipidek a plazmamembrán külső oldalán találhatóak, és a ceramid egység C1 hidroxil csoportja van glikozilezve. Szerepük a felismerésben (vírusok, baktériumok) és a sejtek közötti kommunikációban van. Galaktolipidekben egy vagy két galaktóz egység kapcsolódik glikozidos kötéssel az 1,2-diacilglicerin C3 hidroxilcsoportjához. A növényi sejtmembránok szulfolipideket is tartalmaznak, melyekben A C6 helyzetben szulfonált glükóz egységek találhatóak. Ezek a molekulák is amfipatikusak a foszfolipidekhez hasonlóan, és a molekula hidrofil része negatív töltésű.
Glikoszfingolipidek határozzák meg a vércsoportot. Az emberi vércsoportokat (O, A, B) meghatározó antigének glikoszinolipidekben taláható eltérő oligoszacharid egységekben különböznek egymástól (glu: glökóz; Gal: galaktóz; GalNAc: N-acetil-galaktózamin; Fuc: fukóz)
A vércsoportrendszerek az emberi vért a benne megtalálható fehérjék [antigének(nem fehérje), antitestek] alapján kategorizálják. Ma 29 ilyen rendszert fogad el a tudomány. A vérátömlesztés során csak az ABO- és az Rhrendszereket veszik figyelembe, mivel az indirekt antiglobulin teszt és a keresztpróba segítségével kiszűrik az egyéb antigén/antitestinkompatibilitást a donor vére és a transzfúziót befogadó között. Az RhD antigént a Rhesus majmok (Macacus rhesus) vérében mutatták ki először, innen az Rh jelölés. Az ember vérében ez az antigén vagy jelen van (Rh+), vagy nincs (Rh ). Az Rh+ domináns mendeli tulajdonság, azaz valaki csak úgy lehet Rh, ha mindkét szülőtől olyan gént örököl (ettől még persze mindkét szülő lehet Rh+, ha heterozigóták). Az Rh vérben természetes körülmények között nincsenek jelen antitestek, így a legtöbb esetben a véradásnál nem kell figyelembe venni ezt a vércsoportot. Rh+ donorok vérét azonban antitest-vizsgálatnak kell alávetni.