Wykład 2 Flashcards
Na czym polega efekt hydrofobowy i dlaczego jest ważny w biologii (np. w organizacji błon)?
Efekt hydrofobowy polega na tym, że w środowisku wodnym cząsteczki hydrofobowe „wymuszają” niekorzystne uporządkowanie wody wokół siebie (tzw. klatka wodorowa). Energetycznie bardziej opłacalne jest zredukowanie powierzchni kontaktu z wodą przez zbliżenie cząsteczek hydrofobowych. W biologii efekt hydrofobowy determinuje m.in. powstawanie dwuwarstw lipidowych oraz strukturę białek (zwijanie się domen hydrofobowych do wnętrza).
Jak można mierzyć efekt hydrofobowy eksperymentalnie?
Przykładowo, poprzez wyznaczenie współczynnika podziału substancji między fazę wodną a niepolarną (np. oktanol). Im bardziej dana substancja „unika” wody (większa rozpuszczalność w rozpuszczalniku niepolarnym), tym silniejszy jest jej charakter hydrofobowy.
Dlaczego cząsteczki hydrofobowe „zrastają się” w wodzie, obniżając kontakt z wodą?
Pozwala to na zmniejszenie liczby cząsteczek wody „uwięzionych” w uporządkowanych klatkach wokół fragmentów hydrofobowych. W efekcie entropia układu (wody) rośnie, co jest korzystniejsze energetycznie. Można powiedzieć, że woda „unika” kontaktu z hydrofobami, a same hydrofoby „unikają” wody.
Jaka jest rola cholesterolu w kontekście efektu hydrofobowego w błonach komórkowych?
Cholesterol to wysoce hydrofobowa cząsteczka (poza niewielką grupą –OH). Umieszczając się w dwuwarstwie, wypełnia przestrzenie między ogonami lipidowymi i w efekcie reguluje płynność i szczelność błony. W domenach raftowych (bogatych w sfingolipidy) pomaga utrzymać bardziej uporządkowaną, „sztywniejszą” strukturę.
Jaką funkcję pełnią kwasy tłuszczowe znajdujące się w błonie (w formie wolnej lub jako element lipidów)?
W większości przypadków są one składnikami fosfolipidów i sfingolipidów, decydując o ich właściwościach fizykochemicznych (płynność, punkt topnienia). Niewielki procent występuje w formie wolnej, pełniąc m.in. rolę prekursorów związków sygnałowych (np. eikozanoidy).
Co decyduje o temperaturze topnienia (melting point) kwasów tłuszczowych?
Długość łańcucha węglowego i stopień nienasycenia (liczba wiązań podwójnych). Im więcej wiązań podwójnych (bardziej nienasycony kwas tłuszczowy), tym niższa temperatura topnienia. Dłuższy, nasycony łańcuch z reguły zwiększa punkt topnienia.
Dlaczego naturalne kwasy tłuszczowe w organizmach żywych mają zwykle parzystą liczbę atomów węgla?
Wiąże się to z ich biosyntezą z acetylo-CoA (dwuwęglowego prekursora). Każdy „etap” wydłużania łańcucha dodaje kolejne dwa atomy węgla, dlatego większość naturalnie występujących kwasów tłuszczowych ma parzystą liczbę atomów węgla (np. 16, 18).
W jaki sposób stopień nienasycenia łańcuchów acylowych wpływa na właściwości błony komórkowej?
Większa liczba wiązań podwójnych (nienasyceń) oznacza „zgięcia” w łańcuchu węglowym, co utrudnia ciasne upakowanie lipidów i zwiększa płynność błony w niższych temperaturach. Często spotykane w błonach komórkowych kwasy nienasycone (np. oleinowy) obniżają punkt topnienia i sprzyjają elastyczności.
Czym różni się konformacja cis od trans w nienasyconych kwasach tłuszczowych?
W konformacji cis atomy wodoru przy wiązaniu podwójnym znajdują się po tej samej stronie łańcucha węglowego, co wywołuje „zgięcie” (skręt) łańcucha. W konformacji trans grupy te są po przeciwnych stronach, przez co łańcuch jest bardziej wydłużony i sztywniejszy.
Jaki wpływ na temperaturę topnienia kwasów tłuszczowych ma różnica między cis a trans?
Kwasy tłuszczowe w formie cis mają niższą temperaturę topnienia niż ich trans-odpowiedniki. Gięta (cis) cząsteczka trudniej się pakuje w zwartą strukturę krystaliczną, co skutkuje obniżeniem punktu topnienia. Z kolei forma trans (bardziej liniowa) topi się w wyższej temperaturze.
Dlaczego naturalnie występujące kwasy tłuszczowe w organizmach są zwykle w konfiguracji cis, a nie trans?
W biosyntezie nienasyconych kwasów tłuszczowych powstają najczęściej wiązania podwójne w konfiguracji cis. Forma trans jest rzadka w naturze (pojawia się m.in. w wyniku procesów bakteryjnych w żwaczach przeżuwaczy lub w przemyśle spożywczym podczas częściowego uwodornienia olejów).
Jak obecność wiązania podwójnego wpływa na swobodę rotacji w łańcuchu kwasu tłuszczowego?
Wokół wiązania podwójnego C=C nie ma swobodnej rotacji, w przeciwieństwie do wiązań pojedynczych C–C (gdzie występuje obrót, zależny od zawad sterycznych). Konfiguracja cis lub trans jest „zablokowana” i nie może przejść jedna w drugą bez rozerwania wiązania podwójnego.
W jaki sposób obecność kwasów tłuszczowych cis w błonie komórkowej wpływa na jej płynność?
Zgięcia w łańcuchach cis ograniczają ściślejsze upakowanie lipidów, przez co błona staje się bardziej płynna i elastyczna. Im większa liczba wiązań podwójnych cis, tym obniża się temperatura przejścia fazowego i rośnie płynność w warunkach fizjologicznych.
Jak zmienia się płynność błony komórkowej przy nadmiernej ilości kwasów nasyconych lub trans?
Błona staje się bardziej sztywna i mniej przepuszczalna, ponieważ proste (nasycone/trans) łańcuchy lipidowe lepiej się do siebie dopasowują i stabilizują. To może utrudniać funkcjonowanie białek błonowych i transportu przez błonę, a w efekcie niekorzystnie wpływać na metabolizm komórki.
Które kwasy tłuszczowe określa się mianem MUFA i PUFA, i jaki to ma związek z liczbą wiązań podwójnych?
MUFA (ang. Monounsaturated Fatty Acids) zawierają jedno wiązanie podwójne w łańcuchu, natomiast PUFA (ang. Polyunsaturated Fatty Acids) posiadają dwa lub więcej wiązań podwójnych. Ilość wiązań podwójnych wpływa na obniżenie temperatury topnienia i większą płynność w błonach.
Co to jest współczynnik podziału olej-woda i jak się go wyznacza?
To liczbowy wskaźnik określający, w jakim stopniu dana substancja „lubi” fazę niepolarną (olejową) w porównaniu do wodnej. Eksperymentalnie oznacza się go, dzieląc roztwór na dwie niemieszające się fazy (np. oktanol i wodę) i mierząc stężenie badanego związku w każdej z nich po osiągnięciu równowagi. Współczynnik podziału informuje, ile razy więcej substancji rozpuszcza się w fazie organicznej niż w wodnej (lub odwrotnie).
Co oznacza wysoki współczynnik podziału na korzyść fazy olejowej (wysoki logP)?
Substancja jest wysoce lipofilowa (hydrofobowa). Lepiej rozpuszcza się w rozpuszczalnikach niepolarnych i łatwiej przenika przez błony lipidowe w organizmie (np. bariery biologiczne), co często przekłada się na większą zdolność do wnikania w tkanki bogate w lipidy (takie jak mózg).
Dlaczego wysokie powinowactwo do fazy olejowej jest kluczowe dla anestetyków?
Anestetyki o wyższej lipofilności mogą efektywniej przechodzić przez błony komórkowe neuronów i bariery w ośrodkowym układzie nerwowym. Mózg w dużej mierze składa się z tłuszczów (otoczki mielinowe, błony neuronów), więc substancje silniej rozpuszczalne w lipidach mogą szybciej osiągnąć stężenie niezbędne do wywołania efektu znieczulającego.
Jak tłumaczy się fakt, że mózg zawiera tak dużo tłuszczu (ok. 60% suchej masy)?
Duża część masy mózgu to błony komórkowe (np. mielina), które są bogate w lipidy. Mielina otacza aksony neuronów, przyspieszając przewodzenie impulsów nerwowych. Wysoka zawartość lipidów w centralnym układzie nerwowym powoduje też, że substancje lipofilowe mogą łatwiej się w nim kumulować.
Czym różnią się glicerofosfolipidy od sfingolipidów?
W glicerofosfolipidach szkieletem jest glicerol (polialkohol), do którego dołączone są dwa łańcuchy kwasów tłuszczowych i grupa fosforanowa związana z inną resztą (np. choliną, seryną, etanoloaminą). Z kolei sfingolipidy (np. sfingomielina) bazują na sfingozynie (aminodiolu), do której przyłączony jest jeden kwas tłuszczowy, fosforan i ewentualnie dodatkowa grupa (np. cholina).
Na czym polega rola sfingolipidów w błonach?
Sfingolipidy (np. sfingomielina) wchodzą w skład tratw lipidowych (lipid rafts) i uczestniczą w tworzeniu bardziej sztywnych, zorganizowanych domen błonowych. Odgrywają także ważną rolę w przekazywaniu sygnałów (np. metabolity sfingozyny mogą działać jako cząsteczki sygnałowe).
Jaką część lipidów błonowych stanowią wolne kwasy tłuszczowe i do czego są potrzebne?
Wolne kwasy tłuszczowe stanowią znikomy ułamek (zwykle <1%). Pełnią funkcje sygnalizacyjne lub energetyczne, mogą być wykorzystywane do syntezy innych związków (np. eikozanoidów) albo modyfikacji białek.
Czym jest chiralność lipidów i dlaczego w przypadku aminokwasów i cukrów w organizmach występuje inna reguła?
Chiralność odnosi się do istnienia form „lustrzanych odbić” (enancjomerów) cząsteczki. W białkach organizmów spotykamy głównie aminokwasy w konfiguracji L, a w cukrach – D. Natomiast w przypadku lipidów (szczególnie tych z glicerolem) chiralność opiera się na centrum stereogenicznym przy atomie węgla glicerolu. W różnych domenach życia (bakterie, eukarionty, archeony) preferowana jest inna „ręczność” tego glicerolu (R lub S).
Jakie konfiguracje glicerolu dominują u bakterii, eukariontów i archeonów?
Bakterie i eukarionty mają lipidy oparte na R-glicerolo-3-fosforanie (R-G3P), natomiast archeony na S-glicerolo-1-fosforanie (S-G1P). Wynika to z różnego aparatu enzymatycznego wykształconego w toku ewolucji i wpływa na architekturę błon komórkowych poszczególnych organizmów.
