steroidy
Steroidy
Struktura steroidů
Podle své stavby patří steroidy mezi triterpeny. Steroidní látky se vyskytují ve všech říších živé přírody a jsou to biologicky významné látky. Mají velice rozmanité fyziologické účinky, které jsou vázány na steroidní skelet molekuly. Záleží ovšem na modifikacích tohoto skeletu funkčními skupinami a také na konformaci. Mezi steroidy patří pohlavní a korové hormony obratlovců, svlékací hormony bezobratlých, žlučové kyseliny, kardiotonické glykosidy, steroidní saponiny, steroidní alkaloidy, fytohormony, fytoatraktanty nebo fytorepelenty.
Nejdůležitějším živočišným steroidem je cholesterol. Od něho se odvozuje celá řada dalších, biologicky účinných sloučenin. Chlolesterol patří mezi izoprenoidní lipidy. Výchozí látkou pro jeho syntézu je aktivovaná kyselina octová (acetyl-CoA). Sledem kondenzačních reakcí vzniká kyselina mevalonová, která je považovaná za klíčovou sloučeninu pro syntézu steroidů. Z ní vzniká skvalen a z něj pak postupně až cholesterol.
Základem molekuly cholesterolu je steran, což je alicyklický nasycený uhlovodík se 4 kruhy. Jednotlivé kruhy představují různé roviny a proto dochází k tvorbě cis- a trans- izomerů. Ve všech přirozených steroidech jsou kruhy B a C a stejně tak i kruhy C a D navzájem spojeny v poloze trans. Pouze spojení kruhů A a B může být trans i cis. U ropušího jedu a některých srdečních glykosidů jsou kruhy B a C, případně C a D navzájen spojeny v poloze cis. V molekule cholesterolu je v poloze 5 dvojná vazba, proto cholesterol nemůže vytvářet rozdílné izomery při spojení kruhů A a B.
Jako poloha cis se označují izomery, u nichž substituenty leží na jedné straně roviny kruhu. Pokud substituenty leží na opačných stranách roviny kruhu, označuje se takový izomer jako trans. Co je důležité, izomerie zůstává zachována i tehdy, když se oba substituenty spojí do dalšího kruhu. Na následující tabuli je ukázán příklad propojení substituentů do dalšího šestiuhlíkatého kruhu za vzniku dekalinu.
Na vzniku cis-dekalinu se podílí oba substituenty, proto jsou vyznačeny žlutě a stejnou barvou je vyznačený i nově vzniklý šestiuhlíkatý kruh. V případě trans izomeru dekalinu však z prostorového důvodu může nový šestiuhlíkatý kruh vytvořit pouze jeden substituent, druhý zůstává zachovaný (znázorněno oranžovou barvou).
Pro určení prostorového uspořádání steroidů bylo nutné přijmout určitou dohodu, která se vztahuje k poloze methylové skupiny na uhlíku 10. Tato skupina se ve vzorcích zapisuje tak, aby směřovala vzhůru nad pomyslnou rovinu kruhového systému. Je-li jakýkoliv substituent v poloze cis k uvedené methylové skupině (tedy směřuje také nad rovinu kruhů), označuje se taková poloha jako β-poloha. Je-li substituent v poloze trans k methylové skupině, tedy v rovinném modelu směrem dolů, nazývá se tato poloha α-polohou.
α-androstan má vodík na C5 v pozici trans, β-androstan má vodík na C5 v pozici cis. Podobně se označí i hydroxylová skupina u cholesterolu na C3, která je v pozici cis a proto je cholesterol z pohledu hydroxylové skupiny β-sloučeninou. Toto rozlišení má význam u steroidních hormonů, protože mezi jednotlivými izomery existují rozdíly v jejich biologické účinnosti.
Na předchozí tabuli je steroidní kruhový systém nakreslený jako rovinný útvar. Toto zjednodušení bylo zvoleno pouze pro větší přehlednost ve směrování substituentů směrem nahoru nebo dolů ve vztahu k pomyslné rovině kruhového systému. Ve skutečnosti nejsou cyklohexanové kruhy plošné, nýbrž mají obvykle židličkovou formu, kdy uhlík C1 směřuje nahoru a uhlík C4 naopak dolů od roviny tvořené uhlíky C2, C3, C5 a C6.
Na následující tabuli je znázorněn rozdíl v prostorovém uspořádání stejné molekuly podle toho, jak jsou navzájem spojeny kruhy A a B. V cholestanolu jsou kruhy spojeny v konfiguraci trans, v koprostanolu v konfiguraci cis. Jak je z obrázku patrné, dochází k významné prostorové odlišnosti, která v naprosté většině případů znamená zásadní změnu v biologické účinnosti takové molekuly. V cholestanolu jsou všechna spojení mezi kruhy A a B, B a C, C a D v trans konfiguraci, to znamená, že methylové skupiny a vodíky náležející k můstkovým atomům uhlíku (5, 10, 13 a 14) leží navzájem na opačných stranách pomyslné roviny kruhů. Díky tomu všechny tři šestiuhlíkaté kruhy zaujímají židličkový tvar. Zavedení dvojné vazby do kruhu se mění prostorové uspořádání a židličková struktura se deformuje. Vaničková struktura šestiuhlíkových kruhů se u přírodních sterolů prakticky nevyskytuje.
Koprostanol vzniká z cholesterolu působením střevních baktérií a nachází se proto ve stolici.
Steroly
Po navázání hydroxylové skupiny na uhlíku C3 vznikne alkohol, proto název sterol (koncovka -ol). Tato hydroxylová skupina je vázána v pozici cis, jedná se tedy o β-hydroxysloučeniny. Odlišují se především acylovým zbytkem navázaným v pozici C17. Cholestanol je typickým představitelem steroidních alkoholů - sterolů. Většina sterolů má v v poloze C17 navázaný boční řetězec s 8 až 10 atomy uhlíku. Struktura tohoto bočního řetězce ukazuje na jeho prenylový původ. Na C3 nemusí být bezpodmínečně navázána pouze hydroxylová skupina, obecně jde o navázání atomu kyslíku. Může se tedy jednat i o karbonylovou skupinu. Na následující tabuli je znázorněn vzorec lanosterolu, který je prekurzorem nejdůležitějšího živočišného sterolu - cholesterolu. Žlutě jsou zvýrazněny funkční skupiny a dvojné vazby, kterých se přeměna na cholesterol týká.
Přeměna lanosterolu na cholesterol probíhá na membráně endoplazmatického retikula a reakce probíhá v několika krocích. Podrobný popis reakcí je uveden v článku týkajícího se syntézy cholesterolu.
Na následujícím obrázku je zobrazený model cholesterolu, na kterém je patrné přibližně deskovité uspořádání steranové části molekuly (spodní pravá část molekuly). Z ní vyčnívá směrem nad rovinu desky boční řetězec tvořený uhlíky s čísly 20 až 27. Model také názorně ukazuje, jak je celá molekula tvořena pouze atomy uhlíku a vodíku a jedinou polární hydroxylovou skupinu vytváří atom kyslíku (červený) na okraji molekuly. Atom kyslíku je jediným místem, kde se na molekulu cholesterolu může připojit další substituent, což se právě děje při esterifikaci cholesterolu. Připojení acylu na cholesterol prostřednictvím atomu kyslíku znamená, že esterifikovaný cholesterol zabírá mnohem větší prostor než neesterifikovaný cholesterol (acyl je směrován podobně jako boční řetězec téměř kolmo na pomyslnou rovinu desky). Tato skutečnost má obrovský význam při tvorbě lipoproteinových částic zajišťujících transport tuků a cholesterolu krví.
Žlučové kyseliny
Žlučové kyseliny a jejich soli jsou povrchově aktivní látky a působí emulgačně na tuky. Z pohledu trávení jsou nejdůležitější složkou žluče. Aktivují lipázy. Pro všechny žlučové kyseliny je společné cis spojení kruhů A a B a α-poloha všech hydroxylových skupin. Vedlejší řetězec obvykle obsahuje 5 atomů uhlíku a končí karboxylovou skupinou. Biosyntéza probíhá v játrech. Nejdůležitějšími žlučovými kyselinami jsou taurinové a glycinové deriváty kyseliny cholové.
Denně je do dvanácterníku vylučováno 20 až 30 g žlučových kyselin, přičemž jejich produkce je závislá na obsahu tuků v trávenině. Čím tučnější potrava je konzumována, tím je vyšší produkce žlučových kyselin a tím více je v játrech stimulována i syntéza cholesterolu.
Steroidní hormony
Steroidní hormony v organismu vznikají z cholesterolu. U savců je postranní řetězec zkrácený nebo zcela chybí. Ze steroidů s 21 uhlíky jsou významné progesteron a aldosteron, ze steroidů s 19 uhlíky je to testosteron a androsteron. Estrogeny obsahují 18 uhlíků a nejdůležitějšími jsou estron, estradiol a estriol.
Vitamín D
Skupina kalciferolů je poměrně obsáhlá, nejdůležitějšími jsou cholekalciferol (vitamín D3) odvozený od 7-dehydrocholesterolu a ergokalciferol (vitamín D2) odvozený od ergosterolu. Vitamíny D nejsou steroidy v pravém slova smyslu, protože mají kruh B rozštěpený. K tomuto rozštěpení dochází působením UV záření na jejich prekurzory, které mají v kruhu B dvě konjugované dvojné vazby a touto aktivací dochází k elektronovým přesmykům a následnému rozevření kruhu B. Účinnými formami jsou hydroxylační produkty kalciferolu, především 25-hydroxycholekalciferol a 1,25-dihydroxycholekalciferol.
Fytosteroly
V rostlinné říši je různorodost steroidů mnohem větší, než u živočichů. V případě živočichů platí, že čím výše se postupuje na pomyslném vývojovém stromu, tím je struktura sterolů jednotnější. Toto pravidlo v rostlinné říši neplatí. Zajímavé jsou fytosteroly, které tvoří tzv. nezmýdelnitelný podíl v rostlinných olejích (asi 0,5%). Vyskytují se ale i v houbách, řasách, lišejnících a u baktérií. U hmyzu je situace odlišná, protože hmyz nedokáže steroidní skelet syntetizovat a prekurzor je tedy pro ně esenciální. Ergosterol z rostlinných olejů přijatý potravou je působením UV záření přeměňován na ergokalciferol, což je aktivní forma vitamínu D2.
Ergosterol se průmyslově získává z námelu a je výchozí látkou pro průmyslovou výrobu ergokalciferolu. Dociluje se toho ozařováním éterického roztoku ergosterolu UV světlem.
Z rostlinných sterolů jsou nejběžnější sitosterol, stigmasterol a kampesterol a jejich biologická funkce je spojena se stavbou rostlinných buněčných membrán. Biosyntéza se realizuje ze skvalenu, z něj vzniká u rostlin cykloartenerol a desmosterol, který je výchozí látkou pro syntézu výše zmíněných 3 sterolů. Sitosterol se od stigmasterolu odlišuje pouze dvojnou vazbou mezi C22 a C23.
Kampesterol je analogem sitosterolu. Odlišují se pouze substituentem v poloze C24. V případě kampesterolu se do molekuly vnese pouze methylová skupina, v případě sitosterolu se do molekuly vnáší ethylová skupina (stejným reakčním mechanismem, pouze se reakční krok 2x opakuje). Donorem -CH2- skupiny je S-adenosylmethionin. Podobně lze kampesterol srovnat i s cholesterolem, jediná odlišnost je v navázané methylskupině na C24 v případě kampesterolu. Zjednodušeně by se dalo říct, že to, co znamená cholesterol v živočišné říši, tak obdobnou funkci plní kampesterol v rostlinné říši.
Steroidní kardiaka
Tyto látky se odlišují tím, že konfigurace spojení kruhů C a D je cis a molekuly obsahují větší počet hydroxylových skupin. Postranní řetězec je přestavěn na nenasycený γ- nebo δ- laktonový kruh. Právě na této přestavbě závisí specifický fyziologický účinek těchto látek na srdeční sval (zpomalení nebo zrychlení stahů). Pokud dojde k redukci dvojné vazby, popsaný účinek zmizí. Extrakty z rostlin obsahujících steroidní kardiaka byly používány jako šípové jedy a ve středověku také k travičství. Při předávkování totiž dochází k zástavě srdce. V rostlinách jsou vázány na cukry jako β-glukozidy, v sekretu ropuchy na acylový zbytek. Účinnost glukozidů závisí na stupni glukosylace, nejúčinnější jsou glukozidy obsahující 4 cukerné zbytky. Zkrácením cukerného zbytku se biologická účinnost snižuje, protože se snižuje rozpustnost.
Chemicky se steroidní kardiaka rozdělují na dvě skupiny - na digitaloidy (kardenolidy) s pětičlenným nenasyceným laktonovým kruhem a na sciloidy (kardienolidy) se šestičlenným laktonovým kruhem a dvěma dvojnými vazbami. Příkladem kardiak digitaloidního typu jsou digitoxigenin, digoxigenin, gitoxigenin, oleandrigenin, strofantidin, kallotropagenin případně ouabanin.
Příkladem velice účinného scilarenového kardiaka je bufotalin, který je až 10x účinnější, než kardiaka ze skupiny digitaloidů. Bufotalin je účinnou složkou sekretu ropuch (Bufo maritima, Bufo bufo). Pokud dojde k acylaci -OH skupiny na C14 suberylargininem, vznikne velice účinný jed bufotoxin. Dalšími příklady jsou scillarenin z mořské cibule (Urginea maritima) a helebrigenin z čemeřice (Helleborus niger). Helebrigenin má podobně jako scillarenin oba substituenty vodíky, ale mezi C4 a C5 není dvojná vazba a na C5 je navíc navázána hydroxylová skupina.
Steroidní alkaloidy
Zabudováním dusíku do triterpenického skeletu vznikají látky alkaloidní povahy. Protože jsou obvykle konjugovány s cukernými zbytky, patří současně mezi glykosidy. Většinou se vyskytují v rostlinách, jsou známé i dusíkaté deriváty steroidů u živočichů. Např. mlok (Salamandra salamandra) vylučuje sekret obsahující samandarin, jedná se o křečový jed působící na CNS, vyznačuje se hemolytickými, fungicidními a baktericidními vlastnostmi. V zimostrázu (Buxus sp.) je obsažen cyklomikrofylin A. V bramborách (Solanum tuberosum) je ve všech zelených částech obsažen jedovatý solanin. Ten obsahuje ve své molekule jako aglykon solanidin, který má podobně jako cholesterol dvojnou vazbu mezi C5 a C6. Solanin má teratogenní účinky a při vývoji plodu způsobuje deformace páteře. Proto se nedoporučuje těhotným ženám konzumovat větší množství brambor zejména v prvních 4 měsících těhotenství. Za bezpečné množství se považuje do 15 mg solaninu (odpovídá asi 200 g brambor). 40 mg solaninu již má škodlivé účinky. Solaninu jsou podobné solasonin a chakonin.
Podobný solaninu je i demissin, což je glykoalkaloid jihoamerického divokého bramboru (Solanum demissum), který je toxický pro mandelinku bramborovou. Bramborové listy ošetřené roztokem demissinu (3 mmol/kg) působí 100% mortalitu larev.
Ze zelených rajčat (Solanum lycopersicum) byl vyizolován alkaloid tomatin, který má podobně jako solanin teratogenní účinky. Strukturně je podobný demissinu, struktura tetrasacharidové složky je ale odlišná.
Steroidní saponiny
Tato skupina látek je v rostlinné říši hojně rozšířena, počet doposud identifikovaných a popsaných se odhaduje přibližně na 600. Tvoří pěnivé koloidní roztoky s hemolytickými vlastnostmi. Zajímavostí je, že v některých případech lze tyto hemolytické účinky vyrušit cholesterolem. Perorálně jsou toxické především pro ryby. Saponiny lze rozdělit na dvě velké skupiny - na pravé triterpenoidní se 30 uhlíky v molekule a na steroidní se 27 uhlíky v molekule. Steroidní skupina se ještě dělí na cholestanové, spirostanové a furostanové steroidní saponiny.
Producenty saponinů jsou poměrně známé rostliny, jako například náprstníky (Digitalis ssp.), které obsahují tigogenin, gitogenin a digitogenin.
Konfigurace kruhů je ve všech případech trans na spojení kruhů A a B a také C a D. Boční sacharidový řetězec obvykle obsahuje 3 až 5 sacharidových jednotek.
Biosyntéza steroidů
Většina ze sterolů nalezených v živočišných tkáních vzniká z cholesterolu, který vzniká specifickou cyklizací ze skvalenu. Cholesterol je obsažen ve všech živočišných buňkách a spolu s fosfatidy rozhoduje o tekutosti buněčných membrán. I když z prostorového hlediska zaujímají šestiuhlíkové kruhy židličkovou konfiguraci, lze si molekulu cholesterolu představit jako plochou destičku a tento tvar je pro stavbu membrány mimořádně výhodný. Cholesterol je výchozí látkou pro žlučové kyseliny, steroidní hormony a vitamín D.
Cholesterol proatří mezi izoprenoidy, jejichž syntéza vychází z acetyl-CoA. Dlouhým a komplikovaným sledem reakcí vznikne z dvouuhlíkaté stavební jednotky (aktivované kyseliny octové) sterol, což je sloučenina se 27 atomy uhlíku. Jak je na schématu naznačeno, nejprve vznikne v cytosolu mevalonát (6C), následuje přeměna mevalonátu na izopentenyldifosfát (aktivní izopren). Dalším krokem reakce je spojení 6 těchto molekul za vzniku skvalenu. Nakonec dochází k cyklizaci skvalenu, vzniku lanosterolu a po odštěpení 3 uhlíku vznikne cholesterol.
Související články
Struktura a funkce lipidů - biochemie
Biosyntéza cholesterolu - biochemie
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.