Biochemie - učebnice pro gymnázia by Flexibooks

Biochemie

Učebnicepro progymnázia gymnázia Učebnice

Biochemie

Učebnice pro gymnázia

Andrzej Novák Petr Hanák

Odborná korektura: Ing. Daniela Sumczynski Ph.D Mgr. Jaroslav Jurčák Jazyková korektura: Mgr. Ladislava Běťáková PhDr. Dagmar Pavloušková

Biochemie

Poděkování Autoři práce by rádi poděkovali v prvé řadě Michalu Najmanovi, který se na práci podílel v jejích raných začátcích a Tomáši Ptáčkovi, který nám laskavě dovolil použít jeho 3D modelů. Dále bychom rádi poděkovali Mgr. Jaroslavu Jurčákovi, který provedl odbornou korekturu. V neposlední řadě nesmíme zapomenout na Mgr. Ladislavu Běťákovou a PhDr. Dagmar Pavlouškovu, které provedly korekturu po stránce jazykové.

Autoři také děkují Ing. Daniele Sumczynski, Ph.D, z Univerzity Tomáše Bati, která provedla rigorózní korekturu této publikace z pohledu vysokoškolského.

Anotace Tato učebnice představuje komplexní řešení pro výuku biochemie na středních školách. Učebnice zároveň svým zpracováním stanovuje nový standard pro tvorbu učebnic a výukových materiálů pro střední školy. Pořadí autorů bylo určeno náhodně.

Annotation This textbook introduces a complex solution for biochemistry lessons in grammar schools. Through its arrangement the textbook also sets a new standard for creating textbooks and educational materials for grammar schools. Authors were ordered randomly.

Biochemie

Předmluva Milí čtenáři, učitelé a studenti,

před Vámi leží komplexní učebnice biochemie pro střední školy.

Tato učebnice vznikla v projektu Středoškolská odborná činnost. Byla psána studenty, kteří při její tvorbě zapojili jak informace z odborných knih, tak své vlastní nabyté vědomosti a zkušenosti z výuky, což je hlavní předností této učebnice. Je napsána studenty pro studenty. Učebnice byla zároveň během vývoje podrobována testování na domovské škole. Autoři sbírali informace od studentů, vztahující se k jejich preferovanému způsobu výuky a hlavně k praktičnosti a názornosti jednotlivých prvků knihy. Dle výsledků pak učebnice a pomocné materiály doznávaly úprav. Učebnice podává učivo biochemie v přehledné a ucelené formě s prvky, jejichž účel je text zpřehlednit a usnadnit učení. Jde hlavně o definice, zvýraznění a závěrečná shrnutí na koncích kapitol. Pro názornost je text také bohatě doplněn ilustracemi, schématy, vzorci a 3D modely. Doufáme, že budete s touto učebnicí spokojeni a pomůže Vám k získání nových a zajímavých informací, ale hlavně k úspěšnému studiu na střední škole.

Andrzej Novák, Petr Hanák

Obsah Poděkování � �� 2 Anotace �� 3 Annotation �� 3 Předmluva �� 4 Obsah � �� 5

Lipidy �� 7 Homolipidy �� 9 Acylglyceroly �� 9 Vosky �� 15 Heterolipidy �� 15 Fosfolipidy �� 16 Glykolipidy �� 19 Lipoproteiny �� 20 Lipoidy �� 20 Izoprenoidy �� 20

Sacharidy ��27 Enantiomery �� 28 Optická aktivita �� 29 Fischerova projekce �� 30 Monosacharidy �� 32 Tollensovy a Haworthovy vzorce �� 34 Anomery �� 35 Reakce monosacharidů �� 36 Zástupci �� 37 Oligosacharidy � �� 39 Zástupci �� 39 Polysacharidy �� 40 Homopolysacharidy �� 41 Heteropolysacharidy �� 43

Bílkoviny ��47 Aminokyseliny �� 48 Struktura aminokyselin �� 48 Základní aminokyseliny �� 50 Peptidy � �� 57 Kovalentní vazba �� 58 Zástupci �� 59 5

Biochemie

Bílkoviny �� 61 Struktura bílkovin �� 61 Jednoduché bílkoviny �� 63 Složené bílkoviny �� 64 Denaturace bílkovin �� 64

Nukleové kyseliny �� 67 DNA � �� 70 Replikace DNA �� 71 RNA � �� 72 Proteosyntéza �� 73 Nukleotidy � �� 74

Metabolismus ��77 Energie � �� 78 Exergonické reakce �� 79 Endergonické reakce �� 79 Metabolická nerovnováha �� 80 ATP �� 80 Fosforylace �� 81 Cyklus ATP �� 83 Kontrola metabolizmu �� 83 Enzymy �� 83 Alosterická regulace �� 85 Kooperativita �� 86 Zpětnovazebná inhibice �� 87 Buněčné dýchání �� 87 Katabolizmus tuků – ß‑oxidace mastných kyselin �� 91 Krebsův cyklus �� 94 Katabolizmus bílkovin – transaminace �� 96 Fotosyntéza � �� 96 Fotosystémy �� 100 Calvinův cyklus �� 102 Hatch-Slackův cyklus �� 104 Zdroje ��113 Faktické informace �� 113 Další zdroje �� 113 Programy �� 113

Kapitola 1

Lipidy Název lipidy pochází z řeckého lipos neboli tuk. Je tedy možné nazývat tuto skupinu také tuky, ale jelikož lipidy obsahují i látky, které by do laické představy o tuku nezapadaly, tak se od české terminologie upouští. Obecně se jedná o poměrně malé přírodní organické molekuly, které však mají velký význam pro život, bez nich by totiž vůbec nemohl existovat. Bylo by snad ještě možné opomenout zásobní funkci, protože ačkoliv jsou lipidy v této oblasti nejefektivnější, je možné tuto funkci nahradit. Nicméně bez buněčných membrán, které mohou existovat jen díky unikátní vlastnosti lipidů, dvojakosti, by veškerý život končil na úrovni virů.

Obrázek 1.1 - Rozdělení lipidů

Obrázek 1.2 - Chování lípidů

Lipidy

„Lipidy jsou skupinou přírodních sloučenin, které se vyznačují relativní nerozpustností ve vodě a dobrou rozpustností v nepolárních rozpouštědlech. “ Podle definice je tedy jasné, že jde o velmi různorodou skupinu. Lipidy se často liší jak ve struktuře, tak ve funkci. Jejich nejvýznamnější společná vlastnost je hydrofobní charakter. Nejsou rozpustné ve vodě, ale jsou rozpustné v nepolárních rozpouštědlech, jako je například benzín nebo chloroform. Všechny mají nižší hustotu než voda.

Hydrofobnost Hydrofobnost lipidů vzniká díky nepolárním vazbám mezi atomy uhlíku a vodíku v řetězcích karboxylových kyselin. U nepolárních vazeb jsou elektrony mezi jednotlivými atomy v molekule rozprostřeny rovnoměrně, může však dojít k jejich zhuštění. Při zhuštění elektronů vznikne dočasný dipól, díky čemuž působí mezi molekulami lipidů tzv. Londonovy disperzní síly. Z tohoto důvodu mají molekuly lipidů tendenci se shlukovat. Molekuly vody se navzájem vážou přes vodíkové můstky. Přitažlivost lipid-lipid je větší než lipid-voda, a proto vzniknou shluky lipidů nesloučené s vodou, např. mastná oka na polévce.

Rozdělení lipidů V současné době jsou lipidy oficiálně klasifikovány do osmi samostatných kategorií: skupina zbytků mastných kyselin, acylglyceroly, fosfoacylglyceroly, sfingolipidy, sterolové lipidy, prenolové lipidy, glykolipidy a polyketidy. Pro potřeby středoškolské chemie je však lepší použít starší dělení, které klasifikuje lipidy na dvě hlavní skupiny podle struktury. První sourodou skupinu tvoří zmýdelnitelné lipidy (viz dále), za jejichž základ se považuje ester alkoholu a mastné kyseliny, a které budeme dále označovat jen jako lipidy. Druhou skupinu tvoří takzvané doprovodné látky lipidů, které splňují definici hydrofobnosti, ale značně se liší strukturou a jsou nezmýdelnitelné. Tyto budeme dále označovat jako lipoidy. Lipidy jsou poté rozděleny do dvou velkých skupin: homolipidy, které jsou tvořeny pouze estery vyšších mastných kyselin s alkoholem; heterolipidy, které obsahují kromě esteru i jiné složky (např. fosfát), či na sebe váží jiné biochemické sloučeniny jako bílkoviny a sacharidy, tyto bývají někdy vyčleňovány jako komplexní lipidy.

Nepolární vazba vzniká mezi dvěma různými atomy, jejichž roz‑ díl elektronegativit ∆X je menší než 0,4. Elektrony jsou mezi atomy rovnoměrně rozprostřeny, ale může se stát, že se elektrony na určitém místě zhustí a vznikne tak dočasný dipól. Disperze je výraz pro rozptýlení jedné látky v jiné.

Mastné kyseliny jsou jednosytné karboxylové kyseliny s převážně sudým počtem uhlíků, v jejichž skeletu (řetězci) se nachází mini‑ málně 4 atomy uhlíku. Fosfát je zbytek kyseliny fosfo‑ rečné, zbavený vodíků. Esterifikace je reakce, při níž hydroxylová (-OH) skupina alko‑ holu reaguje s karboxylovými kyselinami, popř. s jejich deriváty. Produktem je ester a voda. Při vzniku lipidů voda vzniká z hydro‑ xylové části karboxylové skupiny kyseliny a atomu vodíku alkoholu.

Sytnost u alkoholů znamená počet obsažených hydroxylových skupin.

Obrázek 1.3 - Esterifikace Reakce probíhá v kyselém prostředí (např. za přítomnosti HCl nebo H2SO4). Hydro‑

xylová (-OH) skupina glycerolu reaguje s -OH skupinou karboxylové skupiny za vzniku vody. Kyslík, od kterého byl odtržen atom vodíku, se spolu s glycerolem naváže na uhlík karboxylové skupiny.

Tuky a oleje jsou směsi různých triacylglycerolů.

Kapitola 1 Funkce lipidů V organizmech mají lipidy pestrou škálu využití. Jejich dvě nejdůležitější funkce jsou strukturní a zásobní. Lipidy totiž tvoří základ buněčných membrán a proto jsou pro život nepostradatelné. Fungují také jako zdroj energie, v porovnání s sachridy jsou totiž až dvakrát energeticky výhodnější. Vedlejší funkcí lipidů je ochrana před mechanickým poškozením, ať už jde o obalování orgánů nebo o tenké filmy na částech rostlin. Tabulka 1.1 - Přehled mastných kyselin Nasycené

Počet

kyseliny

uhlíků

Laurová

Myristová Palmitová Stearová

Racionální vzorec CH3(CH2)10COOH

CH3(CH2)12COOH

CH3(CH2)16COOH

CH3(CH2)14COOH

Nenasycené

Arachová

Počet

kyseliny

uhlíků

CH3(CH2)18COOH

Racionální vzorec

CH3(CH2)5=CH(CH2)7COOH

Ricinolejová

CH3(CH2)5CH(OH)CH2CH=CH(CH2)7COOH

Linoleová

CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2 )4COOH

Palmitoolejová Olejová

Linolová

Arachidonová

Homolipidy

CH3(CH2)7=CH(CH2)7COOH

CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH

Karboxylové kyseliny jsou dvo‑ jího typu – nasycené a nenasy‑ cené. Nasycené kyseliny obsahují pouze jednoduché vazby. Nenasycené kyseliny mají ve svých molekulách alespoň jednu dvojnou vazbu, což snižuje tep‑ lotu tání acylglycerolů a celkovou odolnost vůči vnějším vlivům. Čím je vyšší obsah dvojných vazeb, tím nižší je teplota tání. Všechny uvedené nenasycené kyseliny mají v přírodě izomeri ckou konfiguraci cis (Z), která je běžnější. Izomerie cis/trans vzniká u lá tek obsahujících dvojnou vazbu mezi uhlíky, jejichž substituenty mohou mít na obou stranách různé uspořádání. Konfigurace cis (označována také Z) má sub‑ stituenty na stejné straně, konfigurace trans (E) má substitu‑ enty v pozici proti sobě. Konfigurace se určuje podle sub‑ stituentů s vyšší prioritou. Prvek má tím vyšší prioritu, čím vyšší je jeho protonové číslo.

„Homolipidy jsou tvořeny pouze esterem alkoholu a vyšší mastné kyseliny.“

Obrázek 1.4 - Obecný vzorec homolipidu Alkoholová část je spojena esterovou vazbou se zbytkem vyšší mastné kyseliny.

Homolipidy se dělí na skupiny podle typu alkoholové složky, jež je v nich obsažena; dvě největší skupiny jsou acylglyceroly a vosky. Na rozdíl od acylglycerolů, které obsahují trojsytný alkohol glycerol, mají vosky ve svých molekulách přítomen vyšší jednosytný alkohol.

Acylglyceroly

„Acylglyceroly jsou estery mastných kyselin a trojsytného alkoholu glycerolu.“ Podle počtu mastných kyselin v molekule je můžeme dělit na monoacylglyceroly, diacylglyceroly či triacylglyceroly. Zde jsou však rozděleny podle vlastností, které mají při pokojové teplotě (cca 18 – 24 °C), a to na pevné acylglyceroly (tuky) a na kapalné acylglyceroly (oleje).

Jednosytné kyseliny jsou kyse‑ liny obsahující pouze jednu kar‑ boxylovou skupinu. Vícesytné kyseliny mají ve svých moleku‑ lách více než jednu karboxylovou skupinu (dvojsytné, trojsytné atd.).

Lipidy

Obrázek 1.5 - Glycerol (propan-1,2,3-triol)

Acyl je kyselinový zbytek, v pří‑ padě biochemie jde o zbytek karboxylové kyseliny po odtržení jedné nebo více hydroxylových (-OH) skupin.

Trojsytný alkohol glycerol je základní složkou acylglycerolů.

Obrázek 1.6 - Dělení acylglycerolů Acylglyceroly je možno také dělit podle počtu zbytků vyšších mastných karboxylo‑ vých kyselin, tzv. acylů, které jsou esterově vázány na glycerol.

Funkce Uhlovodíkové řetězce lipidů jsou velmi bohaté na energii, a proto je hlavní funkcí acylglycerolů v přírodě uskladňování energie. Živočišný tuk prasat, sádlo, uskladní přibližně čtyřikrát více energie než škrob. Sacharidy jsou sice rychlejším zdrojem energie než acylglyceroly, ale jsou energeticky méně hodnotné. Další jejich funkcí je rozpouštění vitaminů rozpustných v tucích (rozuměj v lipidech), tepelná izolace či ochrana vnitřních orgánů proti mechanickému poškození. Hydrolýza acylglycerolů Existují dva základní typy chemické hydrolýzy – kyselá a zásaditá. Při kyselé hydrolýze se molekula acylglycerolu rozpadá a vzniká samotný glycerol a směs mastných kyselin. Při zásadité (alkalické) hydrolýze se molekula acylglycerolu rozpadá a vznikají mýdla, což je směs solí mastných kyselin a glycerolu (viz Reakce acylglycerolů).

Hydrolýza je rozklad látek za pří‑ tomnosti.

Tuky

„Tuky jsou při pokojových teplotách pevné acylglyceroly.“ Rozdíly mezi tuky a oleji jsou způsobeny různým procentuálním zastoupením mastných kyselin, které obsahují. Tuky obsahují převážně nasycené mastné kyseliny. Nejčastějšími nasycenými mastnými kyselinami obsaženými v tucích jsou kyselina myristová, palmitová a stearová. Teplota tání Obecná teplota tání tuků či olejů je velmi obtížně určitelná, protože jsou složeny z mnoha odlišných triacylglycerolů. Určuje se proto jen teplotní interval tavení. Čím více nenasycených kyselin tuk obsahuje, tím se jeho teplota tání snižuje. 10

Nebezpečí zvýšené konzumace tuků spočívá v tom, že tuky obsahují velké množství nasycených mastných kyselin, které mohou způsobit nejrůznější nemoci jako například ateroskle‑ rózu. Při této chorobě se zanášejí cévy, čímž se snižuje jejich prů‑ chodnost a pružnost. To může vést například k srdečnímu infarktu.

Kapitola 1 Funkce Tuky se vyskytují zejména u živočichů, kteří je skladují v podkoží, kde slouží jako tepelná izolace, či u vnitřních orgánů, což je chrání před mechanickým poškozením. U rostlin se vyskytují v menším.

Zástupci Klasickým zástupcem živočišných tuků je sádlo, což je bílý, charakteristicky mastný, podkožní tuk prasat. Využívá se zejména v potravinářství a k výrobě mýdel. Dalšími zástupci jsou hovězí lůj či rybí tuk, který obsahuje velké množství nenasycených mastných kyselin. Tabulka 1.2 - Přibližné složení některých tuků Tuk

Lidský tuk

Nasycené mastné kyseliny (%)

myristová 3

Máslo

Velrybí tuk

Sádlo

Oleje

palmitová 25

stearová

15 3

Nenasycené mastné kyseliny (%) olejová

linolová

46 50 35

10 6

„Oleje jsou při pokojových teplotách kapalné acylglyceroly.“ Oleje mají podobnou stavbu jako tuky, ale obsahují více nenasycených mastných kyselin, což způsobuje jejich nižší teplotu tání. Nejčastěji je v molekulách olejů obsažena kyselina olejová. Dvojné vazby ohýbají uhlíkatý řetězec nenasycených mastných kyselin. Nenasycené mastné kyseliny mají sníženou teplotu tání tím, že dvojné vazby ohýbají uhlíkatý řetězec v místě svého výskytu. Toto ohnutí má za následek neschopnost molekul semknout se blízko k sobě, a tak při pokojové teplotě vytvořit pevnou fázi (skupenství). Dvojné vazby také způsobují, že oleje jsou náchylnější vůči žluknutí.

Obrázek 1.7 - Kyselina olejová (cis-oktadek-9-enová kyselina) Díky konfiguraci cis dvojné vazby vzniká ohyb řetězce. Toto ohnutí zabraňuje jed‑ notlivým molekulám se k sobě blízko semknout, a tak mají nižší teplotu tání.

Obrázek 1.8 - Kyselina elaidová (trans-oktadek-9-enová kyselina) Izomer kyseliny olejové v poloze trans. Konfigurace trans u nenasycených mast‑ ných kyselin je v lipidech spíše vzácností.

Nenasycené mastné kyseliny jsou životně důležité, protože jsou základem pro tvorbu hormonům podobných látek prostaglandinů, které plní v těle velmi důležité funkce, jako je regulace funkce krevního oběhu a imunitního sys‑ tému a další.

Jako „Pach smrti“ je označován jev způsobený rozkladem těl vět‑ šiny druhů hmyzu, např. včel. Při rozkladu vznikají mastné kyseliny, které hmyz odpuzují. Pach mastných kyselin slouží jako spouštěč instinktů pro ostatní děl‑ nice, aby mrtvolu odklidily. Je-li i živá včela potřísněna těmito rozkladnými produkty, dělnice ji z hnízda vyvlečou jako by byla mrtvá. Tento varovný systém založený na pachu rozkládající se mrtvoly slouží jako odpuzovač od míst, kde by se mohlo nacházet nebez‑ pečí, a vyvinul se před více než 400 miliony let. Kyselina elaidová se vyskytuje v částečně ztužených rostlinných olejích.

Ztužování olejů Oleje lze ztužit. Po ztužení (hydrogenaci) se mastné kyseliny stávají nasycenými. Tento proces způsobuje, že jsou odolnější vůči žluknutí a při pokojové teplotě tuhnou. Vzniknou tak hydrogenované rostlinné oleje, například margaríny (viz Reakce acylglycerolů).

Lipidy Funkce Rostliny skladují oleje zejména v semenech, kde je potřeba co největšího množství energie v co nejmenším objemu, zatímco v ostatních částech rostlin se vyskytuje hlavně škrob, jehož zpracování je jednodušší. Zástupci Olivový olej obsahuje nejvíce nenasycených mastných kyselin a i některé antioxidanty. Užívá se zejména na vaření. Dalšími zástupci je slunečnicový či řepkový olej. Přibližné složeníní některých olejů Tuk

Nasycené mastné kyseliny (%)

myristová

palmitová

stearová

Kukuřičný

Olivový

Arašídový Lněný

Reakce acylglycerolů

Nenasycené mastné kyseliny (%) olejová

linolová

60 20

20 7

Řepkový olej se užívá jako pří‑ datná látka do tzv. biopaliv. Přestože má řepkový olej podobný obsah nenasycených mastných kyselin jako olivový, tak dříve nebyl příliš využíván, protože obsahoval velké množství kyse‑ liny erukové, která mu dodávala nepříjemnou pachuť. Byly však vyšlechtěny nové odrůdy řepky olejky s minimálním obsahem této kyseliny.

Čisté acylglyceroly jsou bez chuti a zápachu. Jejich kvalitu, vlastnosti a složení však mohou ovlivnit reakce, které probíhají na řetězcích mastných kyselin. Mezi nejvýznamnější patří žluknutí, ztužování, vysychání a zmýdelnění. Žluknutí Žluknutí je proces, při kterém se rozpadá řetězec vyšší mastné kyse-

liny působením kyslíku, mikroorganizmů, různých enzymů, světla a tepla. Vznikají zapáchající aldehydy a ketony, které mohou dále oxidovat na rovněž páchnoucí nižší mastné kyseliny. Například máslo začne po delší době na vzduchu páchnout. Této reakci nejsnadněji podléhají nenasycené mastné kyseliny. Žluknutí můžeme omezit přidáním antioxidantů či tepelnou úpravou.

Rafinované (čištěné) oleje s při‑ danými antioxidanty podléhají žluknutí jen minimálně.

Obrázek 1.9 - Žluknutí Dvojná vazba vyšší mastné kyseliny v tuku je oxidována a vznikají aldehydy, které mohou dále oxidovat, až z nich vzniknou nižší mastné karboxylové kyseliny. Takto vzniklé rozkladné produkty páchnou.

Ztužování (hydrogenace) Ztužování acylglycerolů (zejména olejů) je proces hydrogenace nenasycených vazeb – probíhá tedy adice vodíku na dvojné vazby mastných kyselin v olejích za přítomnosti vhodných katalyzátorů. Nasycením vazeb se olej stává odolnějším vůči žluknutí a při pokojové teplotě tuhne (popř. je polotuhý). Hydrogenace se využívá v potravinářství při výrobě margarínů.

Ztužené rostlinné tuky nahra‑ dily živočišné tuky, protože jsou dostupnější a levnější. Nenasycené mastné kyseliny se běžně vyskytují v konfiguraci

cis , opačné trans izomery se v pří‑ rodních acylglycerolech vyskytují ve velmi malém množství. Pro lid‑ ské tělo jsou obtížně stravitelné a mnohé i karcinogenní.

Kapitola 1

Obrázek 1.10 - Ztužování (hydrogenace) Na dvojné vazby nenasycených mastných kyselin se váže vodík a vzniká tak nasy‑ cená mastná kyselina, která má vyšší teplotu tání a odolnost vůči žluknutí.

Vysychání (oxidační polymerace) Při vysychání oleje po rozetření do tenké vrstvy oxidují, čímž se zaplní dvojné vazby, a následně polymerují. Produktem této reakce jsou suché, tvrdé, trvalé a relativně odolné filmy, čehož se využívá při výrobě nátěrových hmot, jako jsou lakové fermeže.

Obrázek 1.11 - Vysychání (oxidační polymerace) Dvojné vazby nenasycených kyselin oxidují a následně polymerují.

Zmýdelnění Zmýdelnění je alkalická (zásaditá) hydrolýza acylglycerolů. Při této reakci vznikají soli mastných kyselin a glycerol. Výsledný produkt se nazývá mýdlo a můžeme ho považovat za organickou sůl. Mýdla tedy vznikají při štěpení acylglycerolů zásaditým vodným roztokem (nejčastěji je použit hydroxid sodný nebo draselný) za dodání tepla. Protože se k tomuto procesu používají výhradně přírodní tuky, obsahují vzniklá mýdla zejména soli karboxylových kyselin stearové, palmitové a olejové. Surová mýdlová sraženina obsahuje kromě mýdla i glycerol a přebytek zásad – alkálií (např. sodík). Vyčištění směsi se dosáhne pomocí varu, velkého přebytku vody a přidáním NaCl nebo KCl, čímž se vysráží čisté soli mastných kyselin. Vzniká hladká mýdlová sraženina, která se dále upravuje podle potřeby – parfémuje, obarvuje či se přidávají další složky, např. pemza, vzduch, antiseptické či desinfekční látky.

Antiseptikum je antibakteriální látka aplikovaná přímo na kůži či sliznici(tkáň) snižující riziko výskytu zánětu.

Sodná mýdla jsou tuhá a dělí se na jádrová, polojádrová a klihová podle způsobu jejich zpracování. Užívají se pro hygienické účely či k praní. Mazlavá draselná mýdla se vyrábí hlavně z rostlinných olejů a obsahují větší podíl glycerolu. Užívají se při úklidových pracích.

Hydrofilní chování má za násle‑ dek, že molekula je schopna vázat se s vodou, ale nerozpouštět se v ní. Alifatický řetězec je nevětvený acyklický uhlíkatý řetězec.

Obrázek 1.12 - Zmýdelnění (alkalická hydrolýza) Monoacylglycerol za tepla reaguje s hydroxidem sodným za přítomnosti vody a vzniká samotný glycerol a sodná sůl dané vyšší mastné kyseliny. Navázání sodíku na karboxylovou skupinu způsobuje iontový charakter této skupiny.

Mýdla jsou alkalické soli vyšších mastných karboxylových kyselin. Molekuly mýdla jsou dvojaké, mají tedy krátký hydrofilní a dlouhý hydro-

Rozpustnost: Látky s polárními nebo iontovými vazbami se neroz‑ pouští v látkách s nepolárními vaz‑ bami. Látky s nepolárními vazbami se nerozpouští v látkách s polár‑ ními nebo iontovými vazbami.

Lipidy fobní konec. Navázaný alkalický kov způsobuje iontový charakter karboxylové skupiny a tvoří se tzv. hydrofilní hlava, která se ve vodném roztoku váže s molekulami vody. Naopak alifatický řetězec mastné kyseliny je nepolární, díky čemuž se váže s molekulami tuků, a tvoří tzv. hydrofobní (resp. lipofilní) konec.

Obrázek 1.13 - Struktura molekuly mýdla (stearan sodný) Mezi sodíkem a kyslíkem se tvoří iontová vazba, rozdíl jejich elektronegativit ∆X je 2,5. Mezi kyslíkem a uhlíkem se vytváří polární vazba, ∆X = 1. To způsobuje, že je celá tato část nerozpustná v tucích, ale může se vázat s vodou – je hydrofilní. Naopak uhlovodíkový řetězec obsahuje vazby nepolární, rozdíl elektronegativit mezi uhlíky je roven 0. Díky tomuto se váže s molekulami tuku a zároveň je nerozpustný ve vodě – je hydrofobní (lipofilní).

Voda má vysoké povrchové napětí, proto je její vnikání do špinavé tkaniny velmi obtížné. Vytvořením koloidního roztoku přidáním mýdla se povrchové napětí sníží a roztok snadněji proniká dále. Špinavé částečky slepené tukem jsou obklopovány mýdlovou micelou a následně dispergovány. Mytí mýdlem má však i své nevýhody. V tvrdé vodě, která obsahuje ionty vápníku a hořčíku, se mění rozpustné sodné (resp. draselné) soli mastných kyselin na nerozpustné soli vápenaté a hořečnaté. To způsobuje vznik usazenin či zašedlý nádech na bílém prádle. Kvůli těmto problémům byla vytvořena nová skupina syntetických detergentů (čisticích prostředků) – soli alkylbenzensulfonových kyselin s dlouhým alifatickým řetězcem. Princip mytí je stejný jako u klasických mýdel, ale tyto látky netvoří ve tvrdé vodě nerozpustné soli.

Polární vazba vzniká mezi dvěma různými atomy, jejichž roz‑ díl elektronegativit se pohybuje v rozmezí 0,4-1,7. Iontová vazba vzniká mezi dvěma různými atomy, jejichž rozdíl elektronegativit je větší než 1,7. Koloidní roztoky jsou s velikostí rozptýlených v rozmezí 10 7-10 9 m.

směsi částic

Disperze je výraz pro rozptýlení jedné látky v jiné. Podle velikosti dispergovaných částic se směsi rozlišují na homogenní, koloidní a heterogenní.

Hydrofilní hlava mýdla má iontový charakter, je tedy v tuku nerozpustná a váže se na vodu. Kdežto hydrofobní části jsou orientovány dovnitř micely, smě‑ rem od vodní fáze.

Obrázek 1.14 - Obklopení mastné nečistoty mýdlovou micelou Hydrofilní hlava mýdla se snaží vázat s vodou. Hydrofobní (resp. lipofilní) část má tendence se vázat na molekuly tuku v mastnotě. Tyto protichůdné pohyby způsobují vtahování rozpouštěné molekuly do vody i do mastné nečistoty. Tímto pohybem se narušuje struktura shluku nečistoty, a tak se rozptyluje, díky čemuž je jednodušeji odstranitelná.

Kapitola 1

Vosky „Vosky jsou složité směsi esterů vyšších mastných kyselin s vyššími jednosytnými alkoholy. Často jsou kromě vyšších mastných kyselin na alkohol navázány i jiné složky.“

Vyšší jednosytný alkohol má ve své molekule nejméně 12 uhlí‑ kových atomů a jednu hydroxylo‑ vou (-OH) skupinu.

Obrázek 1.15 - Obecný vzorec vosků Vlevo se nachází vyšší jednosytný alkohol obvykle s minimálně 24 atomy uhlíku v řetězci. Vpravo je esterově vázána vyšší mastná kyselina.

Vlastnosti Vosky jsou relativně odolné vůči chemickému působení. Při pokojových teplotách jsou velmi málo roztékavé, avšak při zahřívání měknou. Vyskytují se u zvířat i rostlin a mají ochrannou či stavební funkci. U rostlin je můžeme například najít na povrchu listů a plodů, kde tvoří ochrannou kutikulu. Díky voskům můžeme například naleštit povrch jablka. U živočichů se vyskytují méně často. Například u kytovců chrání orgány a včely je užívají k výstavbě svých hnízdišť. Využití a zástupci Vosky mají široké uplatnění zejména v kosmetice. Využívají se také ve farmaceutickém průmyslu, či k výrobě svíček. Zástupcem je včelí vosk, spermaceti a lanolin (vosk z ovčí vlny).

Heterolipidy

„Složené lipidy jsou tvořeny esterem alkoholu, vyšší mastné kyseliny a jinými složkami.“ Složené lipidy ve svých molekulách obsahují kromě vyšších mastných kyselin a alkoholu i jiné složky jako například sacharid či fosfátový zbytek. Jsou zpravidla dvojaké (amfipatické).

Funkce Dvojakost má za následek, že tato skupina lipidů je schopná ve vodě tvořit shluky koloidních rozměrů, kdy hydrofilní část je vázána na vodu a hydrofobní část je v těchto útvarech před vodou kryta. Díky této vlastnosti jsou složené lipidy základními složkami biomembrán.

Rozdělení Složené lipidy můžeme rozdělit na tři menší podskupiny podle navázaných složek: fosfolipidy, glykolipidy, lipoproteiny.

Parafín není vosk. Je to pouze směs alkanů.

Hlavní složkou včelího vosku je triakontylhexadekanoát, tedy ester vyššího jednosytného alko‑ holu triakontanolu (C 30) a kyseliny palmitové C 16. Vorvani a podobní kytovci mají v dutině lebeční vzácný vosk spermaceti (vorvaňovina). Kvůli tomuto byli v minulosti loveni, a stali se proto ohroženým druhem.

Koloidní rozměr je velikost čás‑ tic v rozmezí 10 -7-10 -9 m. Biomembrány jsou polopro‑ pustné fluidní (tekuté) vrstvy, složené převážně z amfipatických molekul. Tvoří vždy uzavřené útvary. Nacházejí se v buňkách a jejich funkcí je oddělování vnitř‑ ního prostředí buňky od vnějšího. Komunikace s okolím probíhá např. prostřednictvím membráno‑ vých přenašečů, které jsou zpravi‑ dla velmi selektivní. Základem téměř všech biomem‑ brán je souvislá lipidová dvojvrstva o tloušťce asi 5 nm. V této dvojvrstvě jsou obsaženy další látky jako např. integrální pro‑ teiny, které procházejí celou dvoj‑ vrstvou a fungují jako chemické přenašeče. Dále se zde váže cho‑ lesterol, který ovlivňuje fluiditu membrány, či glykolipidy a další látky.

Lipidy

Fosfolipidy „Fosfolipidy neboli fosfatidy jsou estery vyšších mastných kyselin a alkoholové složky glycerolu nebo sfingozinu, kde je místo mastné kyseliny esterifikací navázán fosfát.“

Obrázek 1.16 - Fosfátová skupina Fosfát je aniont vznikající disociací kyseliny trihydrogenfosforečné. Při disociaci ztrácí kationty vodíku a dostává záporný náboj. Na atomy kyslíku se záporným nábo‑ jem se mohou vázat další látky.

Rozdělení Vlastnosti fosfolipidů vychází z jejich struktury. Ta může být velmi rozmanitá díky mnoha typům mastných kyselin a dalších malých organických molekul, které mohou být navázány na fosfát. Dvě nejvýznamnější skupiny fosfolipidů jsou fosfoacylglyceroly a sfingomyeliny, které se vyskytují v buněčných membránách.

Struktura a vlastnosti Molekulu fosfolipidu lze rozdělit na dvě hlavní části: na hydrofilní hlavu tvořenou fosfátem a alkoholem; a na hydrofobní části, což jsou uhlíkaté řetězce mastných kyselin. Díky tomuto složení vykazují dvojaké chování vůči vodě. Této vlastnosti je užito u biomembrán buněk, kdy fosfo-

lipidy, které jsou jejich hlavní složkou, vytvoří tzv. dvojvrstvu (dvojnou vrstvu), kdy hydrofilní hlavy jsou v kontaktu s vodou uvnitř a vně buňky a hydrofobní části směřují dovnitř dvojvrstvy. Fosfolipidová dvojvrstva tedy vytváří rozhraní mezi vnitřním a vnějším prostředím buňky. Fosfolipidy mohou při kontaktu s vodou tvořit ještě další útvar, kterým je micela. Ta je tvořena jen jednou vrstvou fosfolipidů a má kulovitý tvar. Hydrofilní hlavy se opět vážou s vodou a hydrofobní části směřují do bezvodého prostoru uvnitř micely. Zejména se fosfolipidy nacházejí v membránách buněk, nervové tkáni (myelinová pochva) či játrech.

Obrázek 1.17 - Dvojakost lipidů

Myelinová pochva je vrstva oba‑ lující axony neuronů. Její funkcí je elektrická izolace neuronů. Neurony se myelinizují tak, že gliové buňky obrůstají jednotlivé axony a jejich plazmatické mem‑ brány tvoří soustředné vrstvy (podobné např. roládě). Právě tyto membrány jsou tvořeny pře‑ vážně lipidy, které špatně vedou elektrický proud, jsou to tedy izo‑ lanty. Gliové buňky v centrální nervové soustavě (mozek, mícha) jsou oligodendrocyty. V periferní ner‑ vové soustavě (nervy přenášející signály mezi centrální nervovou soustavou a zbytkem těla) to jsou Schwannovy buňky.

Kapitola 1

Fosfoacylglyceroly „Fosfoacylglyceroly mají na glycerol esterově navázané dvě molekuly mastných kyselin a fosfátový zbytek, na který se esterově nejčastěji váže další aminoalkohol.“ Struktura Protože fosfoacylglyceroly obsahují jako základní alkoholovou složku glycerol, jsou úzce příbuzné acylglycerolům. Na uhlíky C1 a C2 se vážou vyšší mastné kyseliny, obvykle stejné jako v tucích. Na uhlíku C3 je navázána fosfátová skupina a na ni je zároveň esterově nejčastěji vázán aminoalkohol.

Funkce Nejdůležitějšími fosfoacylglyceroly jsou lecitiny a kefaliny. Tvoří hlavní lipidní složku buněčných membrán (okolo 40 %).

Na C1 se obvykle vážou nasy‑ cené kyseliny a na C2 nenasycené kyseliny. Aminoalkohol je organická slou‑ čenina obsahující jak hydroxylo‑ vou skupinu -OH, tak aminosku‑ pinu -NH 2. Fosfoacylglyceroly obsahují 2-aminoetanol nebo cholin. Chiralita se vyskytuje u mole‑ kul, které nejsou symetrické, nemají tedy rovinu či střed syme‑ trie. Nejčastější příčinou chirality v organické chemii je přítomnost 4 odlišných skupin navázaných na jeden atom uhlíku. Tento uhlík poté vytvoří tzv. centrum chirality (stereogenní centrum).

Obrázek 1.18 - Fosfatidylcholin (lecitin)

Obrázek 1.19 - Fosfatidyletanolamin (kefalin)

Je důležité zmínit, že názvy lecitin a kefalin jsou hlavně kvůli jejich komerčnímu použití zastaralé a v současné době označují větší spektrum látek. Lecitin v současné době označuje vyizolovanou směs fosfatidů.