Lipidi

Lipidi

I lipidi sono un gruppo grande e diversificato di composti organi esistenti in natura che sono accomunati dalla loro solubilità in solventi organici non polari (per es.: etere, cloroformio, acetone e benzene) e dalla loro generale insolubilità in acqua. Esiste una grande varietà strutturale di lipidi, come sarà dimostrato nei paragrafi seguenti. Puoi cliccare su di un argomento elencato sotto o procedere pagina dopo pagina.

Acidi grassi
Saponi e detergenti
Grassi e oli
Cere
Fosfolipidi
Eicosanoidi
Terpeni
Steroidi
Viamine liposolubili
Metodi di biosintesi



Derivati degli acidi grassi

Grassi, oli, cere e fosfolipidi

1. Acidi grassi

La caratteristica comune di questi lipidi è quella di essere tutti esteri di catene, di lunghezza variabile da moderata a marcata, di acidi grassi. L'idrolisi catalizzata con basi o acidi produce l'acido grasso che li compone, alcuni esempi dei quali sono dati nella tabella seguente, insieme all'alcool componente del lipide. Questi acidi carbossilici a catena lunga sono generalmente conosciuti con nomi comuni, che nella maggior parte dei casi ne rispecchia la fonte naturale. Gli acidi grassi naturali possono essere saturi o insaturi, e come indicano i dati che seguono, gli acidi saturi hanno punti di fusione più alti degli acidi insaturi di dimensioni corrispondenti. I doppi legami dei composti insaturi elencati sulla destra sono tutti cis (o Z). 

Acidi grassi

Saturi

Formula

Nome comune

Punto di fusione

CH3(CH2)10CO2H laurico 45 ºC
CH3(CH2)12CO2H miristico55 ºC
CH3(CH2)14CO2H palmitico63 ºC
CH3(CH2)16CO2H stearico69 ºC
CH3(CH2)18CO2H arachidico76 ºC

Insaturi

Formula

Nome comune

Punto di fusione

CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7CO2Hpalmitoleico 0 ºC
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CO2Holeico13 ºC
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CO2Hlinoleico-5 ºC
CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CO2Hlinolenico-11 ºC
CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2CO2H arachidonico-49 ºC

I punti di fusione più elevati degli acidi grassi saturi riflettono la struttura delle loro molecole simile ad un cilindro uniforme. Il doppio (o i doppi) legame cis negli acidi grassi insaturi introducono un nodo nella loro forma, che rende più difficile l'assemblaggio delle loro molecole in una schiera stabile ripetuta o in un reticolo cristallino. L'isomero con doppio legame trans dell'acido oleico, conosciuto come acido elaidico, ha forma lineare e punto di fusione a 45 ºC (32 ºC più alto del suo isomero cis). Le forme degli acidi stearico ed oleico sono visualizzate nei modelli sotto. Puoi esaminare i modelli Chime di questi composti cliccando sull'immagine desiderata.

acido stearico

acido oleico

Due acidi grassi polinsaturi, l'acido linoleico e linolenico, sono considerati "essenziali" in quanto la loro assenza nella dieta umana è stata associata con disturbi della salute, quali pelle squamosa, rachitismo e aumento della disidratazione. Questi acidi sono anche precursori delle prostaglandine, una famiglia di lipidi fisiologicamente potenti presenti in minute quantità in molti tessuti dell'organismo.

A causa della loro esaltata acidità, gli acidi carbossilici reagiscono con le basi per formare sali ionici, come mostrato nelle equazioni seguenti. Nel caso degli idrossidi dei metalli alcalini e delle ammine semplici (o dell'ammoniaca), i sali risultanti hanno pronunciato carattere ionico e sono generalmente solubili in acqua. I metalli pesanti, quali l'argento, il mercurio ed il piombo, formano sali con carattere più covalente (terzo esempio), con la solubilità in acqua che risulta ridotta, specialmente per acidi composti da quattro o più atomi di carbonio.

RCO2H+NaHCO3 RCO2(–) Na(+)   +   CO2   +   H2O
RCO2H+(CH3)3N: RCO2(–) (CH3)3NH(+)
RCO2H+AgOH RCO2δ(–) Agδ(+)   +   H2O

 

 

2. Saponi e detergenti

Gli acidi carbossilici ed i sali aventi catene alchiliche più lunghe di otto atomi di carbonio mostrano un comportamento inconsueto in acqua, dovuto alla presenza di entrambe regioni idrofile (CO2) che idrofobe (alchile), nella stessa molecola. Tali molecole sono denominate anfofile (dal greco: anphi = entrambi) o anfipatiche. Gli acidi grassi assemblati con dieci o più atomi di carbonio sono quasi insolubili in acqua, e a causa della loro densità più bassa, galleggiano in superficie quando mescolati con l'acqua. A differenza della paraffina o di altri alcani, che tendono ad infangare la superficie dell'acqua, questi acidi grassi si stendono uniformemente su tutta la superficie, formando infine uno strato monomolecolare in cui i gruppi carbossilici polari sono legati con ponti idrogeno all'interfaccia dell'acqua e con le catene di idrocarburi allineate insieme fuori dall'acqua. Questo comportamento è illustrato nel disegno a destra. Le sostanze che si accumulano sulla superficie dell'acqua e cambiano le proprietà della superficie, sono dette surfattanti.

I sali dei metalli alcalini degli acidi grassi sono solubili in acqua, più degli acidi stessi, ed il carattere anfofilo di queste sostanze fa di esse forti surfattanti. Gli esempi più comuni di tali composti sono i saponi e i detergenti, quattro dei quali sono mostrati sotto. Notare che ognuna di queste molecole ha una catena idrocarburica non polare, la "coda", ed un "gruppo di testa" polare, spesso ionico. L'utilizzo di tali composti come prodotti per la pulizia, è facilitato dal loro carattere surfattante, che abbassa la tensione superficiale dell'acqua, permettendo la penetrazione e la bagnabilità di una varietà di materiali.


Quantità molto piccole di questi surfattanti si disciolgono in acqua per dare una dispersione casuale di molecole di soluto. Tuttavia, quando la concentrazione aumenta, avviene un interessante cambiamento. Le molecole di surfattante si assemblano, in modo reversibile, in aggregati polimolecolari, chiamati micelle. A causa dell'assembramento di catene idrofobe al centro delle micelle, viene minimizzata la rottura della struttura dei legami idrogeno dell'acqua, ed i gruppi di testa polari si espandono nell'acqua circostante dove partecipano al legame idrogeno. Queste micelle hanno spesso forma sferica, ma assumono anche forma cilindrica e ramificata, come illustrato sulla destra. Qui, il gruppo polare di testa, è disegnato con un cerchietto blu e la coda non polare con una linea nera a zig-zag.

Sotto è presentata un'animazione che illustra la formazione delle micelle. Osservare la sostanza brunastra che si trova al centro del disegno tridimensionale a sinistra. Essa illustra un secondo importante fattore che contribuisce alla diffusione dell'utilizzo di questi anfofili come agenti per la pulizia. Le micelle sono capaci d'incapsulare sostanze non polari, come i grassi, all'interno del loro centro idrofobico, e quindi solubilizzarle in modo da poterle eliminare assieme all'acqua di lavaggio. Dal momento che le micelle di anfofili anionici hanno un superficie caricata negativamente, esse respingono a vicenda, emulsionando efficacemente lo sporco. Per riassumere, la presenza di un sapone o di un detergente nell'acqua facilita la bagnabilità dell'oggetto da ripulire, e rimuove lo sporco insolubile in acqua per inglobamento nelle micelle. Quando termina l'animazione, la si può far ripartire cliccandoci sopra.

Il più antico agente anfofilico conosciuto dall'uomo è il sapone. Il sapone viene fabbricato per idrolisi (saponificazione) dei grassi animali (mostrati appresso), catalizzata da basi. Prima della disponibilità in commercio dell'idrossido di sodio, era utilizzata una soluzione bollente di carbonato di potassio lisciviata con ceneri di legname. I saponi molli ottenuti, venivano poi convertiti in saponi di sodio, più duri, per lavaggio con soluzioni di sale comune. L'importanza del sapone sulla civilizzazione umana è storicamente documentata, ma sono stati individuati alcuni problemi legati al suo uso. Uno di questi è causato dalla debole acidità (pKa ca. 4,9) degli acidi grassi. Le soluzioni dei saponi di metalli alcalini sono leggermente basiche (pH da 8 a 9), a causa dell'idrolisi. Se il pH di un sapone è abbassato da contaminanti acidi, gli acidi grassi insolubili precipitano formando una schiuma sgradevole. Un secondo problema è causato dalla presenza di sali di calcio e magnesio nell'acqua comunemente utilizzata (acqua dura). Questi cationi bivalenti causano l'aggregazione di micelle, che si depositano sotto forma di schiuma sporca.
Questi problemi sono stati in parte risolti dallo sviluppo di anfofili sintetici chiamati detergenti (o syndets). Utilizzando un acido molto più forte per il gruppo polare di testa, le soluzioni acquose degli anfofili sono meno sensibili a variazioni del pH. Anche le funzioni solfoniche utilizzate virtualmente in tutti i detergenti anionici conferiscono una solubilità più elevata delle micelle che inglobano un nucleo di cationi alcalini presenti nelle acque dure. Variazioni su tema dell'anfofilia ha condotto allo sviluppo di altre classi di sostanze, come i detergenti cationici e non ionici mostrati prima. I detergenti cationici spesso mostrano proprietà germicide, e la loro capacità di variare il pH dell'interfaccia li rende utili come ammorbidenti dei tessuti e per la pulizia dei condizionatori d'aria. Questi versatili "strumenti" chimici hanno profondamente trasformato i mercati di prodotti di pulizia domestica e personale degli ultimi 50 anni e più.

 

 

3. Grassi ed oli

I triesteri o acidi grassi contenenti glicerolo (1,2,3-triidrossipropano) compongono la classe di lipidi conosciuti con i nomi di grassi ed oli. Questi trigliceridi (o triacil gliceroli) si trovano sia nelle piante che negli animali, componendo uno dei maggiori gruppi di sostanze nutrienti presenti nella nostra dieta. I trigliceridi che si presentano solidi o semisolidi a temperatura ambiente sono classificati come grassi e si rinvengono in modo predominante negli animali. I trigliceridi liquidi sono chiamati oli ed hanno origine principalmente dalle piante, sebbene anche quelli proveniente dal pesce siano per la maggior parte oli. Alcuni esempi di composizione dei trigliceridi provenienti da varie fonti sono riportati nella tabella seguente.

Acidi saturi (%)

Acidi insaturi (%)

Fonte

C10
o meno
C12
laurico
C14
miristico
C16
palmitico
C18
stearico
C18
oleico
C18
linoleico
C18
insaturi

Garssi animali

burro152113092741
lardo--127154862
grasso umano-1325846103
olio di aringa--712122052

Oli vegetali

noce di cocco-50188261-
grano--11035034-
oliva---72855-
palma--2415437-
arachide---8356267
cartamo---331976-

Come ci si potrebbe aspettare dalle proprietà degli acidi grassi, i grassi sono composti in maniera predominante da acidi saturi, mentre gli oli sono costituiti in larga misura da acidi insaturi. Da qui, i punti di fusione dei trigliceridi rispecchiano la loro composizione, come illustrato dagli esempi che seguono. I trigliceridi misti rinvenuti in natura, presentano qualche volta punti di fusione abbassati, con il lardo che ha un punto di fusione vicino ai 30 ºC e con l'olio di oliva che fonde a temperatura prossima a -6 º C. Poiché i grassi sono più apprezzati degli oli da alcune popolazioni del nord Europa e del nord America, gli oli vegetali vengono in larga misura convertiti in trigliceridi solidi (ad es.: Crisco) per idrogenazione parziale dei loro componenti insaturi. Alcuni dei restanti doppi legami vengono isomerizzati (a trans) durante questa operazione. La presenza nella dieta di questi gliceridi di acidi grassi trans-isomerici è stata collegata all'insorgenza di problemi di salute nel lungo periodo, quale l'aterosclerosi.

I trigliceridi che hanno tre identiche catene aciliche, come la tristearina e la trioleina (sopra), sono chiamati "semplici", mentre quelli composti da catene aciliche differenti sono denominati "misti". Se le catene aciliche all'estremità dei gruppi ossidrilici sono (1 e 3) del glicerolo sono differenti, il carbonio centrale diventa centro chirale e quindi si possono individuare delle configurazioni enantiomeriche.

L'idrogenazione degli oli vegetali produce prodotti semisolidi che hanno avuto conseguenze inaspettate. Sebbene l'idrogenazione impartisca caratteristiche piacevoli quali spalmabilità, compattezza, gustosità e durata di conservazione aumentata rispetto agli oli vegetali naturalmente liquidi, essa comporta alcuni seri danni alla salute. Questi avvengono quando i doppi legami cis nelle catene degli acidi grassi non vengono completamente saturati dal processo d'idrogenazione. I catalizzatori utilizzati per effettuare l'addizione dell'idrogeno isomerizzano i restanti doppi legami trasformando la loro configurazione in trans. Questi innaturali grassi trans sembra che siano associati all'aumento dei disturbi cardiaci, del cancro, del diabete e dell'obesità, come pure a problemi relativi al sistema immunitario e riproduttivo.

4. Cere

Le cere sono esteri di acidi grassi con alcoli monossidrilici (un gruppo ossidrile) a lunga catena. Le cere naturali sono spesso miscele di tali esteri e possono contenere anche idrocarburi. Le formule di tre cere ben conosciute sono riportate sotto, con la parte carbossilica colorata in rosso e l'alcool colorato in blu. 

spermaceti

cera vergine

cera di carnauba

CH3(CH2)14CO2-(CH2)15CH3

CH3(CH2)24CO2-(CH2)29CH3

CH3(CH2)30CO2-(CH2)33CH3

Le cere sono ampiamente diffuse in natura. Le foglie ed i frutti di molte piante hanno rivestimenti cerati, che possono proteggere dalla disidratazione e dai piccoli predatori. Le piume degli uccelli ed il pelo di alcuni animali posseggono rivestimenti simili che servono da repellenti per l'acqua. La cera di carnauba è apprezzata per la sua durezza e resistenza all'acqua.

5. Phosfolipidi

I fosfolipidi sono i principali costituenti della membrana cellulare. Essi assomigliano ai trigliceridi in quanto esteri o derivati ammidici del glicerolo o sfingosina con acidi grassi ed acido fosforico. La parte costituita dal fosfato dell'acido fosfatidico risultante è ulteriormente esterificato con etanolammina, colina o serina nel fosfolipide stesso. Il diagramma seguente mostra la struttura di questi composti. Cliccando sul diagramma, esso cambierà per mostrare le strutture di due tipici fosfolipidi. Notare che i componenti dell'acido grasso (R e R') possono essere sia saturi che insaturi.
Per osservare un modello Chime di un fosfolipide cliccare qui.

Come gli anfofili ionici, i fosfolipidi si aggregano o si auto-assemblano quando vengono miscelati con l'acqua, ma in modo diverso dai saponi e dai detergenti. A causa delle due catene alchiliche pendenti, presenti nei fosfolipidi, e delle inusuali cariche miste dei loro gruppi di testa, la formazione di micelle è sfavorita rispetto ad una struttura costituita da un doppio strato. Se un fosfolipide viene spalmato su un piccolo foro in un pezzo di plastica immerso in acqua, su questo si forma un doppio strato stabile del fosfolipide stesso. Come mostrato nel diagramma che segue, i gruppi polari di testa presenti sulle faccie del doppio strato a contatto con l'acqua e le catene alchiliche idrofobiche, formano un corpo interno non polare. Le molecole di fosfolipide possono muoversi nell'intorno del loro strato singolo, ma una significativa energia di barriera previene la migrazione verso l'altro lato del doppio strato.
Per osservare un segmento ingrandito di un doppio strato di fosfolipidi cliccare qui.

Questa struttura di membrane a doppio strato si trovano anche in strutture di aggregati chiamati liposomi. I liposomi sono microscopiche vescicole consistenti in un nucleo acquoso contenuto in uno o più strati di fosfolipidi. Essi si formano quando i fosfolipidi sono miscelati vigorosamente con l'acqua. A differenza delle micelle, i liposomi hanno la regione interna ed esterna entrambe acquose.

Una cellula può essere considerata un liposoma molto complesso. La membrana a doppio strato che separa la parte interna di una cellula dai fluidi circostanti è largamente composta da fosfolipidi, ma essa incorpora molti altri componenti, come il colesterolo, che contribuiscono alla sua integrità strutturale. Anche i canali proteici, che permettono il trasporto di vari tipi di specie chimiche, dentro e fuori della cellula, rappresentano importanti costituenti delle membrane cellulari. Una visualizzazione in Chime, dinamica e molto accurata del canale proteico di gramicidina, è stata creata da una collaborazione di scienziati canadesi, francesi e spagnoli. Essa può essere esaminata cliccando qui. La parte interna di una cellula contiene una varietà di strutture (organelli) che conducono operazioni chimiche vitali per l'esistenza delle cellule. Le molecole legate alla superficie cellulare hanno il compito di contrassegnare cellule specifiche e facilitare le interazioni con entità chimiche esterne.

Anche le sfingomieline sono lipidi di membrana. Esse rappresentano il maggior componente della guaina di mielina che circonda le fibre nervose. La sclerosi multipla è una malattia devastante in cui si distrugge la guaina mielinica, causando paralisi nello stadio finale.

 

 


Prostaglandine, trombossani e leucotrieni

Prostaglandine, tombossani e leucotrieni

I membri di questo gruppo di ormoni naturali strutturalmente imparentati tra essi, hanno una straordinaria gamma di effetti biologici. Essi possono abbassare la secrezione gastrica, stimolare le contrazioni uterine, abbassare la pressione sanguigna, influenzare la coagulazione del sangue ed indurre risposte allergiche simili all'asma. Dal momento che la loro genesi è legata al metabolismo dell'acido grasso essenziale arachidonico (acido 5,8,11,14-eicosatetranoico), essi sono classificati come eicoesanoidi. Molte delle proprietà della comune aspirina è il risultato dei suoi effetti sulla cascata di reazioni associate a questi ormoni.
Le via metaboliche attraverso le quali l'acido arachidonico viene convertito in vari eicoesanoidi sono complesse e non saranno discusse qui. Uno schema grossolano di alcune delle trasformazioni che hanno luogo in queste reazioni sono riportate sotto. E' utile osservare la conformazione ripiegata dell'acido arachidonico, mostrata nella finestra con lo sfondo colorato.

Il leucotriene A è un precursore di altri leucotrieni derivati da reazioni di apertura operata da epossidi. Alle prostaglandine sono stati dati nomi che riflettono la loro struttura chimica. Il perossido PGH2 che si forma inizialmente, rappresenta un comune intermedio di altre prostaglandine come il TXA2.
Per osservare un modello Chime della prostaglandina PGE2, cliccare qui


Terpeni

Terpeni

I composti classificati come terpeni costituiscono ciò che forse si può definire come la più ampia e maggiormente diversificata classe di prodotti naturali. La maggioranza di questi composti si trovano solo nelle piante, ma alcuni dei più voluminosi e complessi terpeni (ad es., lo squalene ed il lanosterolo) si rivengono negli animali. Si conoscono terpeni che incorporano la maggior parte dei gruppi funzionali comuni, per cui da quest'ultimi non si ricava un utile metodo di classificazione. Invece, il numero e l'organizzazione strutturale degli atomi di carbonio ne costituisce una caratteristica inequivocabile. I terpeni possono essere considerati come costituiti da unità di isoprene (per la precisione, di isopentano), un metodo empirico conosciuto con il nome di regola dell'isoprene. A causa di ciò, i terpeni sono generalmente formati da 5n atomi di carbonio (n è un numero intero), e vengono suddivisi nel modo seguente:

 Classificazione 

 Unità isopreniche 

 Atomi di carbonio 

monoterpeni

2C10

sesquiterpeni

3C15

diterpeni

4C20

sesterterpeni

5C25

triterpeni

6C30

L'isoprene stesso, un idrocarburo gassoso di formula C5H8, è emesso dalle foglie di varie piante come prodotto naturale del metabolismo vegetale. Prossimo al metano, esso è il composto volatile organico più comune nell'atmosfera. Esempi di terpeni a 10 atomi di carbonio e più, che ne rappresentano le quattro più comuni classi, sono mostrati nel diagramma seguente. Inizialmente, sono mostrati i monoterpeni, mentre quelli più grandi potranno essere osservati cliccando sul pulsante "Altre strutture" posizionato al di sotto del diagramma. La maggioranza dei terpeni possono essere sezionati nei loro segmenti costituiti da isopentano. Per osservare come ciò sia possibile, cliccare direttamente sulle strutture presenti nel diagramma.

Le unità di isopentano, nella maggior parte di questi terpeni, sono facilmente distinguibili e contrassegnate da aree ombreggiate. Nel caso della canfora, un monoterpene,   

The isopentane units in most of these terpenes are easy to discern, and are defined by the shaded areas. In the case of the monoterpene camphor, the units overlap to such a degree it is easier to distinguish them by coloring the carbon chains. This is also done for alpha-pinene. In the case of the triterpene lanosterol we see an interesting deviation from the isoprene rule. This thirty carbon compound is clearly a terpene, and four of the six isopentane units can be identified. However, the ten carbons in center of the molecule cannot be disected in this manner. Evidence exists that the two methyl groups circled in magenta and light blue have moved from their original isoprenoid locations (marked by small circles of the same color) to their present location. This rearrangement is described in the biosynthesis section. Similar alkyl group rearrangements account for other terpenes that do not strictly follow the isoprene rule.

To see a Chime model of the monoterpene camphor Click Here.

Polymeric isoprenoid hydrocarbons have also been identified. Rubber is undoubtedly the best known and most widely used compound of this kind. It occurs as a colloidal suspension called latex in a number of plants, ranging from the dandelion to the rubber tree (Hevea brasiliensis). Rubber is a polyene, and exhibits all the expected reactions of the C=C function. Bromine, hydrogen chloride and hydrogen all add with a stoichiometry of one molar equivalent per isoprene unit. Ozonolysis of rubber generates a mixture of levulinic acid ( CH3COCH2CH2CO2H ) and the corresponding aldehyde. Pyrolysis of rubber produces the diene isoprene along with other products.

The double bonds in rubber all have a Z-configuration, which causes this macromolecule to adopt a kinked or coiled conformation. This is reflected in the physical properties of rubber. Despite its high molecular weight (about one million), crude latex rubber is a soft, sticky, elastic substance. Chemical modification of this material is normal for commercial applications. Gutta-percha (structure above) is a naturally occuring E-isomer of rubber. Here the hydrocarbon chains adopt a uniform zig-zag or rod like conformation, which produces a more rigid and tough substance. Uses of gutta-percha include electrical insulation and the covering of golf balls.
To see a Chime model of the rubber chain Click Here.


Steroids

Steroids

The important class of lipids called steroids are actually metabolic derivatives of terpenes, but they are customarily treated as a separate group. Steroids may be recognized by their tetracyclic skeleton, consisting of three fused six-membered and one five-membered ring, as shown in the diagram to the right. The four rings are designated A, B, C & D as noted, and the peculiar numbering of the ring carbon atoms (shown in red) is the result of an earlier misassignment of the structure. The substituents designated by R are often alkyl groups, but may also have functionality. The R group at the A:B ring fusion is most commonly methyl or hydrogen, that at the C:D fusion is usually methyl. The substituent at C-17 varies considerably, and is usually larger than methyl if it is not a functional group. The most common locations of functional groups are C-3, C-4, C-7, C-11, C-12 & C-17. Ring A is sometimes aromatic. Since a number of tetracyclic triterpenes also have this tetracyclic structure, it cannot be considered a unique identifier.

Steroids are widely distributed in animals, where they are associated with a number of physiological processes. Examples of some important steroids are shown in the following diagram. Different kinds of steroids will be displayed by clicking the "Toggle Structures" button under the diagram. Norethindrone is a synthetic steroid, all the other examples occur naturally. A common strategy in pharmaceutical chemistry is to take a natural compound, having certain desired biological properties together with undesired side effects, and to modify its structure to enhance the desired characteristics and diminish the undesired. This is sometimes accomplished by trial and error.
The generic steroid structure drawn above has seven chiral stereocenters (carbons 5, 8, 9, 10, 13, 14 & 17), which means that it may have as many as 128 stereoisomers. With the exception of C-5, natural steroids generally have a single common configuration. This is shown in the last of the toggled displays, along with the preferred conformations of the rings.

Chemical studies of the steroids were very important to our present understanding of the configurations and conformations of six-membered rings. Substituent groups at different sites on the tetracyclic skeleton will have axial or equatorial orientations that are fixed because of the rigid structure of the trans-fused rings. This fixed orientation influences chemical reactivity, largely due to the greater steric hindrance of axial groups versus their equatorial isomers. Thus an equatorial hydroxyl group is esterified more rapidly than its axial isomer.
To see a Chime model of the steroid cholesterol Click Here.

It is instructive to examine a simple bicyclic system as a model for the fused rings of the steroid molecule. Decalin, short for decahydronaphthalene, exists as cis and trans isomers at the ring fusion carbon atoms. Planar representations of these isomers are drawn at the top of the following diagram, with corresponding conformational formulas displayed underneath. The numbering shown for the ring carbons follows IUPAC rules, and is different from the unusual numbering used for steroids. For purposes of discussion, the left ring is labeled A (colored blue) and the right ring B (colored red). In the conformational drawings the ring fusion and the angular hydrogens are black.

The trans-isomer is the easiest to describe because the fusion of the A & B rings creates a rigid, roughly planar, structure made up of two chair conformations. Each chair is fused to the other by equatorial bonds, leaving the angular hydrogens (Ha) axial to both rings. Note that the bonds directed above the plane of the two rings alternate from axial to equatorial and back if we proceed around the rings from C-1 to C-10 in numerical order. The bonds directed below the rings also alternate in a complementary fashion.
Conformational descriptions of cis- decalin are complicated by the fact that two energetically equivalent fusions of chair cyclohexanes are possible, and are in rapid equilibrium as the rings flip from one chair conformation to the other. In each of these all chair conformations the rings are fused by one axial and one equatorial bond, and the overall structure is bent at the ring fusion. In the conformer on the left, the red ring (B) is attached to the blue ring (A) by an axial bond to C-1 and an equatorial bond to C-6 (these terms refer to ring A substituents). In the conformer on the right, the carbon bond to C-1 is equatorial and the bond to C-6 is axial. Each of the angular hydrogens (Hae or Hea) is oriented axial to one of the rings and equatorial to the other. This relationship reverses when double ring flipping converts one cis-conformer into the other.
Cis-decalin is less stable than trans-decalin by about 2.7 kcal/mol (from heats of combustion and heats of isomerization data). This is due to steric crowding (hindrance) of the axial hydrogens in the concave region of both cis-conformers, as may be seen in the Chime display activated by the following button. This difference is roughly three times the energy of a gauche butane conformer relative to its anti conformer. Indeed three gauche butane interactions may be identified in each of the cis-decalin conformations, as will be displayed by clicking on the above conformational diagram. These gauche interactions are also shown in the Chime model.
To see Chime models of cis & trans-decalin Click Here.

Steroids in which rings A and B are fused cis, such as the example on the right, do not have the same conformational mobility exhibited by cis-decalin. The fusion of ring C to ring B in a trans configuration prevents ring B from undergoing a conformational flip to another chair form. If this were to occur, ring C would have to be attached to ring B by two adjacent axial bonds directed 180º apart. This is too great a distance to be bridged by the four carbon atoms making up ring C. Consequently, the steroid molecule is locked in the all chair conformation shown here. Of course, all these steroids and decalins may have one or more six-membered rings in a boat conformation. However the high energy of boat conformers relative to chairs would make such structures minor components in the overall ensemble of conformations available to these molecules.


Lipidic Vitamins

Lipid Soluble Vitamins

The essential dietary substances called vitamins are commonly classified as "water soluble" or "fat soluble". Water soluble vitamins, such as vitamin C, are rapidly eliminated from the body and their dietary levels need to be relatively high. The recommended daily allotment (RDA) of vitamin C is 100 mg, and amounts as large as 2 to 3 g are taken by many people without adverse effects. The lipid soluble vitamins, shown in the diagram below, are not as easily eliminated and may accumulate to toxic levels if consumed in large quantity. The RDA for these vitamins are:

Vitamin A   800 μg ( upper limit ca. 3000 μg)
Vitamin D   5 to 10 μg ( upper limit ca. 2000 μg)
Vitamin E   15 mg ( upper limit ca. 1 g)
Vitamin K   110 μg ( upper limit not specified)

From this data it is clear that vitamins A and D, while essential to good health in proper amounts, can be very toxic. Vitamin D, for example, is used as a rat poison, and in equal weight is more than 100 times as poisonous as sodium cyanide.

From the structures shown here, it should be clear that these compounds have more than a solubility connection with lipids. Vitamins A is a terpene, and vitamins E and K have long terpene chains attached to an aromatic moiety. The structure of vitamin D can be described as a steroid in which ring B is cut open and the remaining three rings remain unchanged. The precursors of vitamins A and D have been identified as the tetraterpene beta-carotene and the steroid ergosterol, respectively. Structures for these will be displayed by clicking on the vitamin diagram above.


Biosynthesis

Biosynthetic Pathways

The complex organic compounds found in living organisms on this planet originate from photosynthesis, an endothermic reductive condensation of carbon dioxide requiring light energy and the pigment chlorophyll.

x CO2   +   x H2O   +   energy     CxH2xOx   +   x O2

The products of photosynthesis are a class of compounds called carbohydrates, the most common and important of which is glucose (C6H12O6). Subsequent reactions effect an oxidative cleavage of glucose to pyruvic acid (CH3COCO2H), and this in turn is transformed to the two-carbon building block, acetate. The multitude of lipid structures described here are constructed from acetate by enzymatic reactions that in many respects correspond to reactions used by chemists for laboratory syntheses of similar compounds. However, an important restriction is that the reagents and conditions must be compatible with the aqueous medium and moderate temperatures found in living cells. Consequently, the condensation, alkylation, oxidation and reduction reactions that accomplish the biosynthesis of lipids will not make use of the very strong bases, alkyl halides, chromate oxidants or metal hydride reducing agents that are employed in laboratory work.

1. Condensations

Claisen condensation of ethyl acetate (or other acetate esters) forms an acetoacetate ester, as illustrated by the top equation in the following diagram. Reduction, dehydration and further reduction of this product would yield an ester of butyric acid, the overall effect being the elongation of the acetate starting material by two carbons. In principle, repetition of this sequence would lead to longer chain acids, made up of an even number of carbon atoms. Since most of the common natural fatty acids have even numbers of carbon atoms, this is an attractive hypothesis for their biosynthesis.
Nature's solution to carrying out a Claisen-like condensation in a living cell is shown in the bottom equation of the diagram. Thioesters are more reactive as acceptor reactants than are ordinary esters, and preliminary conversion of acetate to malonate increases the donor reactivity of this species. The thiol portion of the thioester is usually a protein of some kind, with efficient acetyl transport occuring by way of acetyl coenzyme A. Depending on the enzymes involved, the condensation product may be reduced and then further elongated so as to produce fatty acids (as shown), or elongated by further condensations to polyketone intermediates that are precursors to a variety of natural phenolic compounds. Click on the diagram to see examples of polyketone condensations.

The reduction steps (designated by [H] in the equations) and the intervening dehydrations needed for fatty acid synthesis require unique coenzymes and phosphorylating reagents. The pyridine ring of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) and its 2'-phosphate derivative (NADP) function as hydride acceptors, and the corresponding reduced species (NADH & NADPH) as a hydride donors. Partial structures for these important redox reagents are shown on the right. Full structures may be seen by clicking on the partial formulas.

As noted earlier, the hydroxyl group is a poor anionic leaving group (hydroxide anion is a strong base). Phosphorylation converts a hydroxyl group into a phosphate (PO4) or pyrophosphate (P2O7) ester, making it a much better leaving group (the pKas at pH near 7 are 7.2 and 6.6 respectively). The chief biological phosphorylation reagents are phosphate derivatives of adenosine (a ribose compound). The strongest of these is the triphosphate ATP, with the diphosphate and monophosphate being less powerful. Formulas for these compounds may be seen by Clicking Here
The overall process of fatty acid synthesis is summarized for palmitic acid, CH3(CH2)14CO2H, in the following equation:

8 CH3CO-CoA  +  14 NADPH  +  14 H(+)  +  7 ATP  +  H2O    CH3(CH2)14CO2H  +  8 CoA  +  14 NADP(+)  +  7 ADP  +  7 H2PO4(–)


2. Alkylations

The branched chain and cyclic structures of the terpenes and steroids are constructed by sequential alkylation reactions of unsaturated isopentyl pyrophosphate units. As depicted in the following diagram, these 5-carbon reactants are made from three acetate units by way of an aldol-like addition of a malonate intermediate to acetoacetate. Selective hydrolysis and reduction gives a key intermediate called mevalonic acid. Phosphorylation and elimination of mevalonic acid then generate isopenenyl pyrophosphate, which is in equilibrium with its double bond isomer, dimethylallyl pyrophosphate. The allylic pyrophosphate group in the latter compound is reactive in enzymatically catalyzed alkylation reactions, such as the one drawn in the green box. This provides support for the empirical isoprene rule.

The simplest fashion in which isopentane units combine is termed "head-to-tail". This is the combination displayed in the green box, and these terms are further defined in the upper equation that will appear above on clicking the "Toggle Examples" button. Non head-to-tail coupling of isopentane units is also observed, as in the chrysanthemic acid construction shown in the second equation. A second click on the diagram displays the series of cation-like cyclizations and rearrangements that have been identified in the biosynthesis of the triterpene lanosterol. Lanosterol is a precursor in the biosynthesis of steroids. This takes place by metabolic removal of three methyl groups and degradation of the side chain.

3. An Alternative Isoprenoid Synthesis

For many years, the mevalonic acid route to isopentenyl pyrophosphate was considered an exclusive biosynthetic pathway. Recently, an alternative reaction sequence, starting from pyruvic acid and glyceraldehyde-3-phosphate, has been identified (bottom equations in the following diagram). By labeling selective carbon atoms (colored red) these distinct paths are easily distinguished. The new, DXP (1-deoxyxylulose-5-phosphate) path is widespread in microorganisms and chloroplast terpenes. The rearrangement to 2-methylerythritol-4-phosphate is an extraordinary transformation.


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