ליפידים איסוף חומרים
תוכן עניינים
מה לא ידענו על הליפידים...
ראשית קצת היסטוריה....
כימאים התחילו לחקור ליפידים בסוף מאה ה-18 כאשר בידיהם היו שיטות לאנליזה איכותית וכמותית.
אנטואן-לורן דה לבואזיה הוכיח בניסוייו ששמנים ושומנים מורכבים בעיקר בפחמן ומימן והסביר מדוע כמות האנרגיה ליחדת מסה בשמנים ובשומנים גדולה מזאת של פחמימות - השמנים והשומנים פחות מחומצנים (דרגת החמצון של הפחמן נמוכה יותר) מבפחמימות.
קרל וילהלם שֵׁלֶה ( Carl Wilhelm Scheele ) גילה, שאחד ממרכיבי השמנים והשומנים הוא גליצרול ובודד אותו משמנים ושומנים.
מישל אגן שברל ( Michel Eugène Chevreul ), כימאי צרפתי הנחשב לאב הליפידולוגיה, בודד בשנת 1811 מספר חומצות שומניות ובשנת 1812 גילה כולסטרול באבני כיס המרה. הוא הציעה מיון של הליפידים לשתי קבוצות: מסתבנים (אסטרים של כוהלים וחומצות שומניות, המתפרקים בהידרוליזה) ולא מסתבנים (סטרולים - ליפידים הבנויים מארבע טבעות פחמניות הקשורות יחדיו).
עד שנות ה-50 של מאה ה-20 לא היו שיטות לניקוי והפרדה של ליפידים ורק פיתוח שיטת כרומוטוגרפיה נתן אפשרות להפריד בין ליפידים שונים ולזהות אותם באופן מדוייק.
לליפידים מקום חשוב בקיום החיים על פני כדור הארץ - כל עוד המולקולות נעו באופן חופשי במים לא ניתן היה להגדיר תא או יחידת חיים. רק כאשר מולקולות ליפידים התארגנו ונוצרו קרומים, שהפרידו בין סביבה מיימית פנימית לבין סביבה מיימית חיצונית, יכלו להצטבר בתוך הקרום יונים חיוניים ומולקולות קטנות, ורק אז התחילה שרשרות תגובות שבסופה נוצרו החיים.
קרומים הבנויים מליפידים וחלבונים ממלאים תפקידים חשובים בתאים חיים:
- מווסתים כניסה ויציאה של חומרים אל התא ומתוכו החוצה.
- מבצעים תקשורת בין הסביבה החיצונית לבין הסביבה התוך תאית
- אחראים על מעבר הדחף העצבי
- אחראים על הפקת האנרגיה במיטוכונדריות וכלורופלסטים
- ישנם ליפידים שמשתתפים בבקרה פעילות הגנים
- קיימים ליפידים המשמשים בעצמם כאותות (כמו פרוסטגלנדינים)ומשתתפים, לדוגמה, בתגובות דלקתיות ובתגובה חיסונית.
חלק מקבוצות הליפידים, כמו טריגליצרידים, סטרולים ופוספוליפידים מוכרים לרובינו ואנו עוסקים בהם בשיעורי כימיה, אך מדענים מגלים באופן תדיר ליפידים נוספים הממלאים תפקידים שלא הכרנו בעבר, ועוד היד נטויה.
השנה במסגרת השתלמות במכון דווידסון נחשפנו לקבוצת ליפידים שלא רבים מאתנו שמעו עליה עד כה : ספינגוליפידים.
ליפידים פשוטים:
1. חומצות שומניות והאסטרים שלהם (ביניהם הגליצרידים, המכילים את השומנים והפוספוליפידים). חומצות שומן, חומצות קרבוקסיליות, המורכבות מ 14-22 פחמנים (השכיחות ביניהן מכילות 16-18 פחמנים), כאשר רובן בעלות מספר זוגי של פחמנים. ישנן כ-100 סוגי חומצות שומן בטבע, ויצירתן בגוף החי הינה מתמדת (הדבר מתבטא בהשמנה). כאשר השרשרת היא ללא קשרים כפולים - מתקבלת חומצת שומן רוויה. לעיתים קיימים קשרים כפולים לאורך השרשרת, ואז מדובר בחומצה שומנית לא-רוויה.בשרשרת הלא רוויה יהיו בדרך כלל עד 3 קשרים לא רוויים המרוחקים זה מזה, באיזומריית 'ציס'.
טריגליצרידים הן מולקולות המכילות כל אחת 3 חומצות שומניות (קבוצת אציל), קשורות בקשר אסטרי למולקולת גליצרול (טריאצילגליצרול). מעבר חומצות השומן לטריגליצרידים מתרחש כאשר הן עוברות דרך המעי (שומן שנאכל מתפרק במעי, נבנה מחדש שם, או בכבד ועובר ללימפה). תהליך פירוק הטריגליצרידים הוא אנזימטי ונקרא ליפוליזה. התהליך כולו מזורז על ידי האנזים ליפאז (אנזים המיוצר בלבלב) ומשם תוצרי הפירוק עוברים לדם ולרקמות אחרות.
טריגליצרידים יכולים להיות פשוטים- גליצרול קושר 3 חומצות שומן זהות. טריגליצרידים יכולים להיות מעורבים- בעלות שתי חומצות שומן שונות לפחות.כאשר חומצות השומן בעמדות 1 ו-3 הינן שונות, אטום פחמן מספר 2 במולקולת הגליצרול הינו פחמן כיראלי והטריגליצריד המתקבל הינו בעל פעילות אופטית.
פוספוליפידים הינם קבוצת חומרים חשובה הבונה את ממברנות התאים ומצוייה גם ברקמה העצבית. פוספוליפידים קרויים גם לעיתים פוספוגליצרידים. הפוספוליפידים בנויים ממולקולת שלד של גליצרול, הקושרת בקשרים אסטריים, לעמדות 1 ו-2, שתי חומצות שומן. לעמדה 3 בגליצרול, נקשרת קבוצת זרחה כהלית. רוב הפוספוליפידים מכילים חומצת שומן רוויה בעמדה C1 ואילו חומצת שומן בלתי רוויה בעמדה C2. לזרחה יכולות להקשר גם מולקולות נוספות כגון כולין, אתנולאמין וסרין. מבנה כללי של פוספוליפיד חומצות השומן מהוות את האיזור בו נוצרים קשרי ו.ד.ו. ולכן מסיסותם במים נמוכה ("זנב" הידרופובי). החלק האחר, האיזור בו נקשרת קבוצת הזרחה נקרא "ראש" קוטבי, וזהו איזור הידרופילי היוצר קשרים מקוטבים עם המים בזכות היווצרות קשרים יוניים בין הזרחה למים הקוטביים או קשרי מימן בין הקבוצה הכהלית לבין מולקולות המים. הפוספוליפידים מופיעים כמוצקים לבנים ושמנוניים בטמפרטורת החדר, בצורתם הטהורה. בתמיסה מימית, הם יכולים להופיע בשלוש צורות שונות, כאשר המשותף לכל הצורות הוא בעובדה שהחלק ההידרופובי בא במגע מינימלי עם המים. סוג המבנה תלוי בגודל ה"ראש" הקוטבי ובאורך בשרשרות ההידרופוביות (החומצות השומניות). כמו כן, יש השפעה לדרגת רוויון החומצות, בהרכב היוני של התווך המימי ובאופן פיזור הפוספוליפידים בתמיסה. המבנים האפשריים של פוספוליפידיים בתמיסה מימית:
1. מיצלה (נוצרות כאשר ה"ראש" הקוטבי גדול וה"זנב" ההידרופובי קצר. המבנה כדורי או גלילי)
2. רובד דו-שכבתי (מבנה דק ושטוח. עוביו כ-2 מולקולות והוא מפריד בין מדורים מימיים שונים (למשל: תוך וחוץ התא). נוצר כאשר ה"ראש" הקוטבי קטן ואילו ה"זנב" ההידרופובי גדול)
3. ליפוזום (מבנה דו שכבתי כדורי או גלילי המכיל חלל פנימי מלא במים. נוצר כאשר ה"ראש" הקוטבי קטן וה"זנב" ההידרופובי גדול)
2. סטרולים (לדוגמא: כולסטרול)
סטרואידים- משפחת תרכובות המתאפיינת מבנית ע"י ארבע טבעות פחמימות צמודות זו לזו, לרובם קבוצות צדדיות השונות בהרכב ובגודל.
קבוצות עיקריות של סטרוידים הן: סטרולים, חומצות מרה והורמונים סטרוידיים.
סטרולים הינם סטרואידים, כאשר על אחת הטבעות מופיעה קבוצת OH הידרופילית בעוד הטבעות הפחמימניות מהוות את החלק ההידרופובי במולקולה. המבנה הבסיסי המשותף לכל הסטרולים.
הנציג הידוע ביותר מקבוצה זאת הוא כולסטרול המצוי בגופם של בעלי החיים בלבד. בצמחים ובחיידקים קיימות מולקולות אחרות מאותה קבוצה כמו ארגוסטרול, סטיגמאסטרול
הכולסטרול
כולסטרול הינו הסטרואיד הנפוץ ביותר ברקמות בעלי חיים (10% מקרום התא). הכולסטרול כולל קבוצת OH בפחמן C3, בטבעת A ובנוסף, קשורה שרשרת פחמנית מסועפת ל- C17 בטבעת D.
תפקידים עיקריים של כולסטרול בגופם של בעלי החיים:
1. מרכיב חשוב בקרומי התאים (ממברנות התא). נמצא בכמות גבוהה מאוד ברקמת העצב.
2. חומר מצע ביצור מלחי מרה
3. חלק קטן יחסית של כולסטרול משתתף ביצור הורמונים סטרואידיים(קורטיזול, הורמוני מין)
בדיאטה מאוזנת רק 30% מהכולסטרול מגיע ממזון, 70% הנותרים מיוצרים בגוף. יצור הכולסטרול נעשה בעיקר ברקמת הכבד, רקמות העור ובמעיים.
גורמים המגבירים את ייצורו הם חסר במרה, הקרנת קרני X (רנטגן), הזנה בשמן תירס. גורמים המדכאים את ייצורו הם חומצות ארומטיות וצום.
מסיסותו של כולסטרול במים נמוכה מאוד וכדי שהכולסטרול יעבור בגוף, הוא מתחבר לחלבון ליצירת ליפופרוטאין, כך הופך להיות מסיס יותר במים.
פירוק כולסטרול: עיקר הפירוק נעשה על ידי סילוק 3 פחמנים מן השרשרת הצדדית וקבלת קרבוקסיל במקומם. כמו כן נוספים 2 קבוצות OH ליצירת חומצה כולית, שהיא אחתמחומצות המרה.
חומצה כולית- אחת חומצות המרה
ישנן עדויות שהכולסטרול גורם למחלות לב וכלי הדם כאשר הוא מצוי ברמה גבוהה בגוף. הכולסטרול שוקע בדפנות כלי הדם, מצר אותם ומוריד את רמת האלסטיות שלהם בשל המבנה מרובה הטבעות הקשיחות של המולקולה.
ליפידים מורכבים:
אסטרים של חומצות שומן שכוללים בנוסף לשייר הכהלי גם קבוצה הידרופילית נוספת- קבוצת ראש קוטבית. בדר"כ שייר פוספאט או שייר פוספאט שקשור אליו שייר סוכר או שייר אחר(אתאנול אמין, כולין)
3. גליצרוליפידים : ליפידים שבהם השייר הכהלי הוא גליצרול.
4. ספינגוליפידים : אסטרים של הכהל ספינגוזין(כהל אליפטי אמיני ארוך שרשרת) עם חומצת שומן.
ספינגוליפידים.
ספינגוליפידים - חומרים הבנוים על בסיס מולקולת ספינגוזין שאליו קשורה חומצת שומן רוויה או בלתי רוויה על ידי יצירת קשר אמידי עם קבוצה אמינית על האטום הפחמן השני במולקולת ספינגוזין.
לרישאונה בשם "ספינגו" קינה את החומרים רופא אנגלי ג'ורג טודיקום ( J.L.W. Thudichum) בשנת 1884 כיוון שהטבע המסטורי של מולקולות הזכיר לו את תעלומת הספינקס. מרקמות המוח הוא הפיק חומרים שומניים שהכילו חנקן וזרחןולראשונה תיאר את החומרים ספינגומיאלין וצרברוזיד.
מושג "ספינגוליפיד" הוכנס לשימוש על ידי הרברט קרטר ( Herbert Carter ) בשנת 1947.
ספינגוזין
הערה: ניתוח מבנה כימי של ספינגוזין - קב' פונק'.
אם בטריגליצרידים המרכיב המשותף הוא גליצרול, בספינגוליפידים הוא כול ספינגוזין (18 אטומי פחמן, קשר כפול בגאומטריית טרנס, שתי קבוצות כוהליות וקבוצה אמינית)
לספינגוזין תפקידים חשובים ברגולציה תאית, להלן חלק מהם:
1. אניציאציה של אפופטוזיס (הרג מתוכנן של התא)
2. אקטיבציה של חלוקת התא
3. השפעה על המבנה השניוני של דנ"א
4. סימולציה של אנזים רנ"א-פולימראז
ספינגוזין חופשי מתקבל בתא כהידרוליזה של צרמידים על יד האנזים צרמידאז.
ספינגוליפידים ותפקידם.
ברוב ספינגוליפידים שייר של חומצת שומן קשור בקשר אמידי עם קבוצה אמינית בספינגוזין. מגוון של ספינגוליפידים נוצר על ידי קשירה של חומרים שונים אל הקבוצה הכוהלית בקצה המולקולה ספינגוזין. לכל קבוצה של ספינגוליפידים יש תפקיד שונה בתאים חיים.
ניתן למיין את הספינגוליפידים לשלוש קבוצות עיקריות:
I. צרמידים
צרמידים מהווים מקור לכל מגוון הספינגוליפידים בתא. מולקולת צרמיד בנויה מספינגוזין אליו קשורה חומצה שומנית (על ידי קשר אמידי עם קבוצה אמינת). הקבוצה הכוהלית בקצה מולקולת ספינגוזין נשארת כמו שהיא.
התפקידים העיקריים של צרמידים:
1. לעכב את חלוקת התא
2. סטימולציה של אפופטוזיס(ההרג המתוכנו של התא)
הפעולה של צרמידים תלויה בסוג חומצת שומן המרכיבה אותם
II. ספינגומיאלינים
שייכים לקבוצת פוספוליפידים: לקבוצה כוהלית קשור שייר של חומצה זרחתית ודרכה מולקולת כולין. בדומה לפוספוגליצרידים למולקולת ספינגומיאלינים קצה הידרופילי הנושא מטען שלילי(על השייר של חומצה זרחתית) ומטען חיובי(על כולין), וקצה הידרופובי המורכב משייר של חומצת שומן ושרשרת פחמנית של ספינגוזין.
ספינגומיאלינים הם הספינגוליפידים הנפוצים ביותר , רובם מהווים חלק מממברנות התאים ואברוני התא. כמות ספינגומיאלינים גדולה במיוחד יש בקרומי תאי העצב, תאי הכבד והכליות.
ספינגומיאלינים מגנים על התאים בפני אפופטוזיס ולכן שיווי משקל דינמי בין רמת הצרמידים ורמת ספינגומיאלינים קובע את גורלו של התא , את קושר הישרדותו או את מותו.
III . גליקוספינגוליפידים
מולקולות גליקוספינגוליפידים מתקבלות כאשר לצרמיד נקשרים אחד או כמה שיירים של סוכר.
גליקוספינגוליפיד גלקטוזילצרמיד הינו ליפיד עיקרי של מיאלין העוטף את תאי העצב.
מיקומם של גליקופוספוליפידים על השטח החיצוני של ממברנת התא מאפשר ביצוע תפקידים כמו תקשורת בין-תאית, זיהוי רעלנים בקטריאליים, קביעת סוגי הדם.
לקבוצת ספינגוליפידים תפקיד חשוב בפעילות המערכת החיסונית ובעיקר בתפקוד של T-לימפוציטים: מטבוליזם של חומרים השייכים לקבוצת ספינגוליפידים מהווה חלק ממנגנון המווסת הבשלה, מיון וחלוקת הלימפוציטים בתגובה לאנטיגן וגם הרג עצמי של תאי אלו לאחר ביצוע תפקודם.
רפואה.
כיום מנסים להשתמש בספינגוליפידים לטיפול בגידולים סרטניים על ידי הגדלת ריכוז הצרמידים בתאי הגידול שמביא להרג התא. קיימות שיטות רבות בהן ניתן להגדיל את כמות הצרמידים בתא, אך לצרמידים תפקיד מרכזי בהומיוסטזיס התא ולכן הוא מהר מאוד הופ לספינגוליפידים אחרים אשר מסעיים לגידול התאים הסרטניים. מכאן חשיבות רבה למציאת הדרכים למניעת המשך המטבוליזם של צרמידים ולצבירתם בתא.
מחלות הקשורות במטבוליזם של ספינגוליפידים
קיימות מספר מחלות גנטיות תורשתיות, הקשורות למוטציות באנזימים הקשורים למסלולי ביוסינטזה של ספינגוליפידים:
מתוך:
http://themedicalbiochemistrypage.org/sphingolipids.html
מחלת גושה (אשכנזים)
מחלת גושה (Gaucher's disease) הינה המחלה היהודית התורשתית הנפוצה ביותר הידועה עד כה. המחלה הינה מחלת אגירה ליזוזומלית מטאבולית המתבטאת בהפרעה בחילוף החומרים והצטברות ליפיד בשם גלוקוסר ברוסיד. הגן המקודד את האנזים גלוקוצרברוזידאז הנדרש לפירוקו פגום- ולכן הליפיד מצטבר, בעיקר במח העצם, ובכך נפגם גם תיפקוד מח העצם: טסיות הדם נפגעות ונגרמות חבלות ודימומים, ייצור כדוריות הדם האדומות נפגע- ולכן לוקים באנמיה, אספקת הדם לעצמות נפגעת ולכן ישנם שברים ואובדן מינרלים הגורמים לאוסטאופרוזיס ולתופעת "מות עצם". כמו כן, הטחול והכבד מוגדלים. למחלה 3 סוגים: סוג 1- הנפוץ ביותר וסוגים 2 ו-3.
מי סובל מהמחלה?
מהמחלה סובלים יהודים אשכנזים הנושאים את הגן הרצסיבי למחלה (10%). הגן הוא אוטו-סומלי: נמצא במידה שווה בזכרים ובנקבות.
מקורות:
- http://he.wikipedia.org/wiki/%D7%9E%D7%97%D7%9C%D7%AA_%D7%92%D7%95%D7%A9%D7%94
- http://www.amalnet.k12.il/meida/biolog/bioi0177.htm
מחלת נימן-פיק
במחלה זו ליפידים, בעיקר ספינגומיאלין, מצטברים בתאים שונים ברקמות הגוף. הצטברותו בתאי מערכת העצבים מובילה לתמותת התאים. תסמיני המחלה, כמו התפתחות מוחית בלתי תקינה, הגדלה משמעותית של הכבד והטחול, יכולים להתגלות החל מגיל 6 חודשים עד גיל 3 שנים.
קיימים שני סוגים עיקריים של מוטציות, הגורמות למחלת נימן-פיק: סוגי NPA ו-NPB נגרמים בגלל בעיה באנזים הידרולאז ליזוזומאלי, הנקרא ASM (acid sphingomyelase), כאשר מחלה מסוג NPC מתרחשת כאשר קיימת בעיה בגן המעורב בהומאוסטזיס של כולסטרול LDL.
הסוג הראשון של המחלה נצפה לרוב(כ-90% ממקרי המחלה) באוכלוסיה יהודית ממוצא אשכנזי. יותר מכך, ישנן 3 אללים עיקריים באוכלוסיה, הגורמים למוטציות אלה. שכיחות האללים הפגומים באוכלוסיה היהודית היא גבוהה מאוד - כ 1 ל 80.
מקורות:
מחלת קראבה
מחלת קראבה היא מחלה מטאבולית תורשתית. שכיחות המחלה בעולם עומדת על 1 לכ-100,000 עד 200,000 לידות. בשבטים דרוזים ומוסלמים מסוימים בגליל שיעור המחלה גבוה יותר ועומד על כשישה מקרים לכל אלף לידות. התסמינים מתגלים בגיל חודשים ספורים כאשר נצפים תצינוקות בכיינים במיוחד בעלי חום גבוה, קשיות בגפיים, קשיי אכילה והתפתחות מנטאלית ומוטורית ירודים. הגורם למחלה היא מוטציה בגן המקודד לאנזים המייצר את האנזים גלקטוזילצראמידאז. תפקיד אנזים זה הוא לפרק את הליפיד גלקטוזילצראמיד. מולקולות שומן מצטברות ופוגעות בשכבת המיאלין המכסה את הנוירונים במערכת העצבים. פגיעה זו גורמת לניוון מערכת העצבים, והרס תאים במוח. התחזית לילדים הלוקים במחלה אינה מעודדת. ילדים אלה מתים בדרך כלל לפני גיל שנתיים ולמרות שהמחלה עלולה להתבטא גם בגיל ההתבגרות, היא תוקפת בדרך כלל תינוקות וילדים צעירים מאד.
מקורות:
- http://he.wikipedia.org/wiki/%D7%9E%D7%97%D7%9C%D7%AA_%D7%A7%D7%A8%D7%90%D7%91%D7%94
- http://www.ninds.nih.gov/disorders/krabbe/krabbe.htm
קישורים חיצוניים
ביוסינטזה של ליפידים (דה נובו, עם איורים)
http://lipidlibrary.aocs.org/Lipids/introsph/index.htm
שימוש בספינגוליפידים בקוסמטיקה.
קשר לת"ל
רשימת מושגים, תהליכים, המקום בו כדאי לשלב את הכתבה בהוראת הנושא. הנושאים בכתבה קשורים לתו"ל ב-3 יח"ל, ו5 יח"ל.
המושגים הרלוונטיים לתו"ל ב 3יח"ל
רוב המושגים מתקשרים לפרק השומנים ביח' טעם של כימיה המושגים הם: ליפידים, חומ' שומן, הגורמים המשפיעים על נק' ההיתוך של חומ' שומן, טריגליצרידים, הגורמים המשפיעים על נק' ההיתוך של טריגליצרידים. כולסטרול, ליפופרוטואינים, LDL, HDL.
המושגים הרלוונטיים לתו"ל ב 5 יח"ל
רוב המושגים מתקשרים להוראת פרק א' במבנית "ביוכימיה של חלבונים וחומ' גרעין", שהיא מבנית בחירה ב 5יח"ל. המושגים הם: ממברנה, פוספוליפידים,קב' זרחה,חומ' שומן, גליצרול, מבנה דו-שכבתי, הידרופילי, הידרופובי,חלבוני נשא, חלבוני תעלה. המושג ספינגוליפידים אינו מופיע בתו"ל אך יכול לשמש כהעשרה. אנחנו מציעים לחשוף את התלמידים לכתבה כהרחבה, בסוף הלמידה של פרק א'.
תהליכים
1. היווצרות קשר אמידי בין חומ' שומן לספינגוזין; 2. היווצרות קשר פוספואסטרי בין ספינגוזין לקב' זרחה או קב' זרחה למולקולה עם שייר כהלי אחר (למשל כולין); 3. היווצרות קשר אסטרי בין הקב' הקרבוקסילית של חומ' שומן לקב' הכהלית בגליצרול;
מאחר שתלמידים נדרשים לדעת לנסח תג' ליצירת קשרים אמידיים/פפטידים ויצירת קשרים אסטריים ופוספואסטריים ניתן לתת לתלמידים את יח' המבנה ולבקש מהם לנסח תהליכים אלו.
