Bejelentkezés

A 2024-től alkalmazott kémiaérettségi-követelmények alapján

3.4.1 Lipidek: zsírok, foszfolipidek, szteroidok és karotinoidok

A lipideket oldódásuk és szerkezetük alapján csoportosítom. Megmagyarázom a zsírok, olajok és foszfolipidek viselkedését. Felismerem a szteránváz és a konjugált kettős kötés szerepét.

Középszint

Haladás mentése · Bejelentkezés

A „lipid” nem egyetlen funkciós csoport neve

A lipidek kémiailag eltérő, biológiailag fontos vegyületek csoportja, amelyek többnyire apoláris oldószerekben oldódnak jól. Ide tartoznak zsírok és olajok, sok foszfolipid, szteroid és karotinoid. Nem minden lipid glicerinészter. A zsírokhoz tanult észterképletet ezért nem alkalmazhatod a koleszterinre vagy β-karotinra.

Négy csoport, négy szerkezeti ismertetőjegy

CsoportSzerkezeti jelPélda / szerep
TriacilgliceridGlicerin három zsírsavval alkotott észtere.Zsír és olaj; energiatárolás.
GlicerofoszfolipidKét zsírsavlánc és foszfáttartalmú poláris fej.Membránok; amfipatikus részecske.
SzteroidHárom hattagú és egy öttagú összekapcsolt gyűrű.Koleszterin és több hormon.
KarotinoidKiterjedt konjugált kettőskötés-rendszer.β-karotin; színanyag, az A-vitamin egyik előanyaga.

A triacilglicerid három észtercsoportja

A triacilglicerid három észtercsoportjaA kék sáv a három szénatomos glicerinből származó részt emeli ki. Mindhárom szénatomhoz oxigénen át kapcsolódik egy acilrész: –O–C(=O)–R. A három észtercsoport mindegyikében egy karbonil-oxigén és egy, a glicerinhez kötött oxigén van; nincs O–O kötés. R_{1}, R_{2} és R_{3} a zsírsavak szénhidrogéncsoportjai, amelyek lehetnek azonosak vagy különbözők. Teljes lúgos hidrolíziskor mindhárom észtercsoport reagál, ezért egy mol triacilglicerid három mol hidroxidiont fogyaszt, egy mol glicerint és három mol karboxilátiont ad.Egy glicerinrész, három acilrészCH2OCR1OCHOCR2OCH2OCR3OHárom –O–C(=O)– kapcsolat.1 mol triészterhez 3 mol OH- fogy.1 mol glicerin + 3 mol zsírsavsó.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
GlicerinrészHárom szénatom; a két szélső CH2, a középső CH
Acilrész–C(=O)–R; három darab kapcsolódik a glicerin oxigénjeihez
AnyagmennyiségekTriacilglicerid : OH- : glicerin : zsírsavsó = 1 : 3 : 1 : 3
A kék sáv a három szénatomos glicerinből származó részt emeli ki. Mindhárom szénatomhoz oxigénen át kapcsolódik egy acilrész: –O–C(=O)–R. A három észtercsoport mindegyikében egy karbonil-oxigén és egy, a glicerinhez kötött oxigén van; nincs O–O kötés. R1, R2 és R3 a zsírsavak szénhidrogéncsoportjai, amelyek lehetnek azonosak vagy különbözők. Teljes lúgos hidrolíziskor mindhárom észtercsoport reagál, ezért egy mol triacilglicerid három mol hidroxidiont fogyaszt, egy mol glicerint és három mol karboxilátiont ad.

Miért folyik az olaj, miközben a zsír szilárd?

A telített láncok kedvezően illeszkedhetnek egymás mellé. A cisz kettős kötés megtöri a lánc vonalát, nehezíti a szoros rendeződést, és gyakran csökkenti az olvadási tartományt. A természetes zsiradék sokféle triacilglicerid elegye, ezért tulajdonsága az összetételtől függ. Növényi eredetből önmagában nem következik folyékony állapot.

Palmitinsav: C15H31COOH; sztearinsav: C17H35COOH; olajsav: C17H33COOH, egy C=C kötéssel. A teljes szénatomszámhoz a karboxilcsoport szénatomját is számítsd hozzá.

Telített és cisz-telítetlen zsírsavláncok illeszkedése

Telített és cisz-telítetlen zsírsavláncok illeszkedéseA vonalak szénhidrogénlánc-részleteket mutatnak, a csúcsok szénatomokat jelentenek. Az alsó rajzon a kettős kötés vízszintes két szénatomjához kapcsolódó láncfolytatások a kettős kötés azonos oldalán vannak: cisz helyzetűek. A lánc így megtörik, és a molekulák kristálybeli illeszkedése megváltozik. Ez szemlélteti, miért alacsonyabb például az olajsav olvadáspontja a hasonló lánchosszú sztearinsavénál. Az ábra nem teljes zsírsav- vagy triacilglicerid-molekulákat és nem minden lehetséges konformációt mutat; a párhuzamos sorok összehasonlító részletek, nem méretarányos kristálymodell.A cisz kötés megtöri a lánc irányátTelített láncrészletekJól illeszkedő láncok.Cisz-telítetlen láncokMegtört láncok.Azonos lánchossznál a cisz telítetlenségrendszerint csökkenti az olvadáspontot.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Sztearinsav18 szénatom, telített lánc
Olajsav18 szénatom, egy cisz C=C kötés
Transz alakKevésbé töri meg a láncot; a ciszből nem következik minden telítetlen lánc azonos alakja
A vonalak szénhidrogénlánc-részleteket mutatnak, a csúcsok szénatomokat jelentenek. Az alsó rajzon a kettős kötés vízszintes két szénatomjához kapcsolódó láncfolytatások a kettős kötés azonos oldalán vannak: cisz helyzetűek. A lánc így megtörik, és a molekulák kristálybeli illeszkedése megváltozik. Ez szemlélteti, miért alacsonyabb például az olajsav olvadáspontja a hasonló lánchosszú sztearinsavénál. Az ábra nem teljes zsírsav- vagy triacilglicerid-molekulákat és nem minden lehetséges konformációt mutat; a párhuzamos sorok összehasonlító részletek, nem méretarányos kristálymodell.

Poláris észtercsoportok, hosszú apoláris láncok

A zsiradék molekulája tartalmaz poláris észtercsoportokat, de a három hosszú szénhidrogénlánc hatása meghatározó az oldódásban: vízben alig oldódik, apoláris oldószerben jól oldódhat. Ezért nem elég egyetlen poláris kötést találnod ahhoz, hogy jó vízoldhatóságot jósolj.

A tiszta triacilglicerid és a természetes zsiradékelegy olvadását külön kezeljük. A tiszta vegyületnek meghatározható olvadáspontja van; egy sok összetevőből álló zsír rendszerint tartományban olvad. Az olaj és zsír megnevezés a közönséges körülmények között tapasztalt állapotra utal, nem két külön észterfunkcióra.

Lúgos hidrolízis

triacilglicerid + 3 NaOH → glicerin + 3 RCOONa

Az R csoportok lehetnek különbözők. A termékek nagy szénatomszámú karbonsavak nátriumsói: szappanok.

Kidolgozott példa: hány mol lúg kell?

Feladat: 0,0200 mol triacilgliceridet teljesen elszappanosítunk.
Mennyi NaOH szükséges, és mennyi glicerin keletkezik?

A molekulában három észterkötés van.
n(NaOH)=3·0,0200=0,0600 mol.

Egy triacilglicerid egy glicerint ad: n(glicerin)=0,0200 mol.
A szappanionok összes mennyisége 0,0600 mol.

Két különböző oldal egy molekulában

A glicerofoszfolipid két hosszú apoláris lánca hidrofób, foszfáttartalmú feje hidrofil. Az ilyen részecske amfipatikus. Vízben a kétláncú lipidek gyakran kettős rétegbe rendeződnek: a fejek a két oldali víz felé, a láncok egymás felé néznek.

Hasonlat: a részecske egyik része a vízzel, másik a zsíros környezettel alakít kedvező kapcsolatot. Nem „dönt” vagy „menekül”; a rendeződés a teljes rendszer szabadenergiájától függ.

A foszfatidilkolin két acilrésze és foszfát–kolin fejcsoportja

A foszfatidilkolin két acilrésze és foszfát–kolin fejcsoportjaA glicerin három szénatomos része bal oldalon látható. Az első két oxigénhez karbonsavból származó acilrész kapcsolódik: –O–C(=O)–R. A harmadikhoz foszfátészteres rész és azon át kolin kapcsolódik. A kolinban a nitrogén két szénatomos láncon át kötődik az oxigénhez, és három metilcsoportot hordoz: négy szénhez kötött kvaterner ammóniumhely, +1 töltéssel. A bemutatott foszfátrész −1 töltése mellett a teljes fejcsoport össztöltése nulla, de erősen poláris. Más foszfolipidek fejcsoportja és nettó töltése eltérhet. A P=O-val rajzolt alak szokásos formális kötésábrázolás; a foszfát térbeli és elektronikus szerkezete nem síkbeli, lokalizált kereszt.Foszfátészter a poláris fejbenCH2OCR1OCHOCR2OCH2OPOO-OCH2CH2N+(CH3)3A foszfát–kolin rész a poláris fej.A jelölt töltések összege: 0.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Két acilrészA két R csoport hosszú apoláris szénhidrogénlánc.
Poláris fejFoszfátészter és kolin; jelölt −1 és +1 töltés.
ÖssztöltésEbben a példában nulla; az eltérő molekularészek polaritása megmarad.
A glicerin három szénatomos része bal oldalon látható. Az első két oxigénhez karbonsavból származó acilrész kapcsolódik: –O–C(=O)–R. A harmadikhoz foszfátészteres rész és azon át kolin kapcsolódik. A kolinban a nitrogén két szénatomos láncon át kötődik az oxigénhez, és három metilcsoportot hordoz: négy szénhez kötött kvaterner ammóniumhely, +1 töltéssel. A bemutatott foszfátrész −1 töltése mellett a teljes fejcsoport össztöltése nulla, de erősen poláris. Más foszfolipidek fejcsoportja és nettó töltése eltérhet. A P=O-val rajzolt alak szokásos formális kötésábrázolás; a foszfát térbeli és elektronikus szerkezete nem síkbeli, lokalizált kereszt.

Mitől foszfolipid a foszfatidilkolin?

A glicerofoszfolipidben két karbonsavészter-csoport mellett foszfátészteres kapcsolódás is van. A szerkezetet az acilrészek és a foszfáttartalmú fej együtt azonosítja. A foszfátészter a szervetlen savak észtereinek biológiailag fontos példája.

A fejcsoport a vízzel ionos és más poláris kölcsönhatásokat alakíthat ki, a szénhidrogénláncoknak pedig kedvezőbb a réteg apoláris belseje. A membránban a lipidek mozoghatnak; a kettős réteg nem merev kristályfal. A koleszterin és a membránfehérjék a réteg szerkezetét, tulajdonságait is befolyásolják.

Foszfolipid kettős réteg

Foszfolipid kettős rétegA két apoláris lánc befelé, a poláris fej a két oldali víz felé fordul. A réteg nem merev fal; a rajz a rendeződés irányát mutatja, és nem atomléptékű szerkezeti képlet.Két farokból kettős rétegVíz: a poláris fejek kifelé néznekHidrofób belső térVíz: itt is kifelé forduló fejekSematikus modell; a membránfehérjéket is tartalmaz.
A két apoláris lánc befelé, a poláris fej a két oldali víz felé fordul. A réteg nem merev fal; a rajz a rendeződés irányát mutatja, és nem atomléptékű szerkezeti képlet.

A koleszterin is lipid, de nem zsírészter

A szteránváz négy összekapcsolt gyűrű. A koleszterin molekulájában ez a nagy apoláris váz és egy OH-csoport van; a membránok résztvevője és más szteroidok előanyaga. Az LDL és HDL lipoprotein-részecske, amely többféle lipidet szállít. Nem két különböző koleszterinmolekuláról van szó.

A szteránváz három hatos és egy ötös kondenzált gyűrűje

A szteránváz három hatos és egy ötös kondenzált gyűrűjeA jelöletlen csúcsok szénatomok, a vonalak a gonán alapváz egyszeres kötéseit jelölik; a szénhez kapcsolódó hidrogéneket nem írtuk ki. A három hattagú és egy öttagú gyűrű közös éleken kapcsolódik, így az egymás utáni új gyűrűk négy, négy, illetve három új szénatomot adnak: összesen tizenhét szénből áll a váz. A rajz nem a gyűrűfúziók térbeli konfigurációját mutatja. A koleszterinben további metilcsoportok, oldallánc, OH-csoport és kettős kötés is szerepel; teljes szénatomszáma ezért nem tizenhét.Szteránváz: 6–6–6–56665A szomszédos gyűrűk két-kétközös szénatomon osztoznak.6 + 4 + 4 + 3 = 17 CEz az alapváz, helyettesítők nélkül.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Gyűrűméretek6, 6, 6 és 5.
Közös atomokA közös élek atomjait nem számoljuk kétszer.
Alapváz17 szénatom; a származék teljes molekulájában több is lehet.
A jelöletlen csúcsok szénatomok, a vonalak a gonán alapváz egyszeres kötéseit jelölik; a szénhez kapcsolódó hidrogéneket nem írtuk ki. A három hattagú és egy öttagú gyűrű közös éleken kapcsolódik, így az egymás utáni új gyűrűk négy, négy, illetve három új szénatomot adnak: összesen tizenhét szénből áll a váz. A rajz nem a gyűrűfúziók térbeli konfigurációját mutatja. A koleszterinben további metilcsoportok, oldallánc, OH-csoport és kettős kötés is szerepel; teljes szénatomszáma ezért nem tizenhét.

Egy OH mellett is nagy az apoláris molekularész

A koleszterin OH-csoportja poláris, és a membrán víz felőli határához közel helyezkedhet el; a nagy gyűrűs váz és szénhidrogén-oldallánc a réteg belsejével alakít kedvező kapcsolatot. Vízben ettől még rosszul oldódik.

A szteránváz felismeréséhez a gyűrűk közös éleit keresd. A kötésrajzon látható metil- és oldallánccsoportok nem újabb gyűrűk. A koleszterinből képzett származékokat és a lipidésztereket a saját funkciós csoportjaik szerint vizsgáljuk.

Miért színes a β-karotin?

A váltakozó egyszeres és kettős kötések konjugált rendszert alkotnak. Az elektronrendszer látható fényt is elnyelhet; ezért a vegyület színes. Az apoláris szénváz miatt vízben rosszul oldódik. A karotinoidok fotoszintetizáló szervezetek színanyagai; a β-karotin az A-vitamin egyik előanyaga.

Nem minden kettős kötést tartalmazó vegyület színes: a konjugált rendszer kiterjedése és az egész molekula szerkezete számít.

A β-karotin látható fényt elnyelő konjugált rendszere

A β-karotin látható fényt elnyelő konjugált rendszereA felső képlet csak hosszú konjugált láncrészletet jelöl, nem a teljes β-karotinmolekulát. A kiterjedt π-rendszer elektronátmeneteinek energiája a látható fény tartományába eshet. A β-karotin különösen a kék–kékeszöld fényből nyel el; a megmaradó fény narancssárga színt eredményez. A két színes vonal egy összetett fényspektrum egyszerűsítése, nem kizárólag két hullámhossz. A szín függ a pontos szerkezettől és a környezettől; a konjugáció puszta jelenléte nem biztosít látható színt.Konjugáció és a karotinoidok színe…–C=C–C=C–C=C–C=C–…Hosszú, konjugált π-elektronrendszerβ-karotinA beeső fény több hullámhosszt tartalmaz.A kék–kékeszöld tartománybóljelentős részt elnyel.A megmaradó fényt narancssárgának látjuk.Néhány konjugált kötés még nemtesz minden molekulát színessé.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
SzerkezetKiterjedt konjugált π-rendszer
FényelnyelésElektron gerjesztése megfelelő energiájú fotonnal
Észlelt színAz el nem nyelt fény összetételéből adódik
A felső képlet csak hosszú konjugált láncrészletet jelöl, nem a teljes β-karotinmolekulát. A kiterjedt π-rendszer elektronátmeneteinek energiája a látható fény tartományába eshet. A β-karotin különösen a kék–kékeszöld fényből nyel el; a megmaradó fény narancssárga színt eredményez. A két színes vonal egy összetett fényspektrum egyszerűsítése, nem kizárólag két hullámhossz. A szín függ a pontos szerkezettől és a környezettől; a konjugáció puszta jelenléte nem biztosít látható színt.

Felidéző gyakorlás

Miért rendeződhet foszfolipid kettős rétegbe vízben?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ

A kötésrajzok ellenőrzési forrásai

A szteránváz származtatása: IUPAC: a gonán és szteroidok alapvázai. A triacilgliceridek és a glicerofoszfolipidek szerkezete: OpenStax, 27.1, 27.3. A jegyzet ábrái és számításai önálló szemléltetések.

Források

Tankönyvi kapcsolódás

Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 92–93. nyomtatott oldal; 63. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.

A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.