Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Калининградский государственный технический университет»

Курсовая работа

По дисциплине: Химия биологически активных веществ

Тема: Холестерин: строение, биологическая роль. Открытие холестерина в биологическому материале.

Выполнила

Овчинникова А.С

Калининград 2019 г



Оглавление

Введение

1. Основная часть

2. Синтез холестерина

3. Роль холестерина в развитии атеросклероза

4. Биологическая роль холестерина

Заключение

Список литературы



Введение

Холестерин - одно из важнейших веществ , присутствующее в организме человека и животных, а также в тканях растений.

Без холестерина организм не будет обеспечен рядом важнейших функций, таких как липидный обмен, синтез витамина D3, стероидных половых гормонов и желчных кислот.

Без холестерина невозможна нормальная работа жизненно важных органов и систем нашего организма. Он входит в состав клеточных мембран, обеспечивая их прочность и регулируя их проницаемость, а также оказывая влияние на активность мембранных ферментов.

Данная работа является актуальной в настоящее время, так как в ней рассмотрены принципы, помогающие контролировать уровень холестерина и его производных в плазме крови, биологическая роль холестерина в развитии распространенного в нынешнее время заболевания - атеросклероза.

В своей работе в качестве целей я ставлю подробное рассмотрение таких тем, как :

1) Строение холестерина с химической точки зрения

2) Биологическая роль холестерина

3) Синтез холестерина

4) Физико-химические свойства

5) Источники холестерина

6) Роль холестерина в развитии атеросклероза

Для достижения этих целей я использую знания, полученные из курса «Химия биологически активных веществ», также пользуюсь публикациями из Научно-технической библиотеки КГТУ и Калининградской Центральной библиотеки.

Также в моей работе описаны методы количественного и качественного анализа холестерина в лабораторных условиях.



1. Основная часть

Строение холестерина

Это особое воскообразное вещество, которое имеет свое строение, свойства и структурную формулу. Оно относится к стероидам, потому что в его составе обнаружены циклические структуры. Структурная формула холестерина записывается так: С27Н46О.

При окислении гидроксильной группы холестерина образуется кетон холестенон, в котором двойная связь находится в сопряжении с карбонильной группой. Так как гидроксил до окисления не носил характера алкильного гидроксила, то двойная связь холестерина не может находиться в положении С..--С5. С другой стороны, она не может находиться дальше, так как иначе она не могла бы мигрировать с образованием сопряженной системы:

Тем самым устанавливается положение двойной связи. Следует указать, что окисление 1-непредельных спиртов в непредельные кетоны является общей реакцией стероидов, играющей существенную роль в биологических процессах.

Физико-химические свойства

Холестерин (5-холестен-З -в-ол), молекулярная масса - 386,66; жемчужные кристаллы, жирные на ощупь; температура плавления = 149 °С, температура кипения = 300-320 °С (с частичным разложением. Хорошо растворимы в триэтиламине, бензоле, пиридине, амиловом спирте, хуже в петролейном эфире, низших спиртах, ацетоне, диэтиловом эфире, уксусной кислоте; не растворим в воде, но образует с ней коллоидные растворы.

Дает цветные реакции: с хлороформом в серной кислоте - красный цвет слоя с хлороформом и флуоресцирующий зеленый цвет кислотного слоя; с подкисленным раствором хлороформа и уксусным ангидридом -розовое окрашивание, быстро меняющееся в красное, затем синее и, окончательно, в зеленое.

Характерное свойство хлороформа - способность к образованию молекулярных комплексов с кислотами, аминами, углеводами (например с глюкозой - глюкохолестерины), белками, витамином D3.

Гидроксильная группа холестерина легко замещается хлором без инверсии. Так, под действием РС15 или SOC12 хлороформ превращается в холестерилхлорид (формула I), восстановление которого в амиловом спирте приводит к -холестену (II); последний при каталитичическом гидрировании превращается в холестан (III):

Хлороформ образует простые и сложные эфиры с кислотами, в том числе с высшими жирными, входящими в состав клеточных мембран. При окислении СrO3 хлороформ превращается в 4-холестен-3-он, при действии активной окиси марганца - в 4,6-холестадиен-3-он. По двойной связи хлороформ присоединяет С12 с образованием 5б, 6в и 5б, 6б-дихлоридов. Гидрирование хлороформа приводит к 5б - холестан- 3в -ол.

При нагревании холестерина с селеном до 360” образуется 3'-метил-1,9-циклопентенофенантрен (углеводород Дильса), а легилрировапием холестерина на палладированном угле при 500° получается углеводород хризен.

Формы существования и уровень холестерина в плазме крови

Xолестерин присутствует практически во всех живых организмах, включая бактерии и синезеленые водоросли. В тканях животных содержится в свободном виде (например, в тканях нервной системы) или в виде эфиров с высшими жирными кислотами и служит их переносчиком.

Холестерин содержится почти во всех клетках и жидкостях организма животных. Особенно много его в клетках центральной и периферической нервной системы, в кожном сале и в почках. Он участвует в регуляции процессов диффузии и осмоса в клетке и служит источником образования других стероидных соединений в организме. Наибольшее количество холестерина - в мозге, печени, почках, надпочечниках.

Холестерин человека делится на эндогенный ,то синтезируемый печенью, и экзогенный, то есть поступающий в организм изве, а конкретно с хиломикронами.

Хиломикроны представляют собой крупные частицы жировой эмульсии с размером частиц 500 - 1000 нм и молекулярной массой 109 - 1010. Их плотность составляет 0,9 - 0,95 г/мл. Хиломикроны содержат 1% белка, 4% фосфолипидов, 6% холестерина и 85 - 90% триглицеридов экзогенного происхождения. Липидный компонент хиломикронов содержит сфингомиелин, лецитин, лизолецитин и фосфотидилэтаноламин.

Хиломикроны образуются на стенке тонкого кишечника в процессе всасывания жиров и участвуют в переносе триглицеридов из кишечника в кровь. Они транспортируют экзогенный жир и почти основную массу экзогенного холестерина, всасываемого в кишечнике.

Нормальное содержание холестерина в крови человека составляет 160-220 мг в 100 мл. Впервые он был выделен из желчных камней, почти целиком состоящих из холестерина. Из пищевых продуктов больше всего в жирах, желтках яиц. На долю холестерина, получаемого с пищей, приходится около 30% от общего его количества в организме.

2. Синтез холестерина

Основное количество холестерина синтезируется самим организмом из сквалена с участием фермента холестеринэстеразы. У ряда животных постоянный уровень холестерина в организме регулируется по принципу обратной связи - при поступлении избытка холестерина его биосинтез в клетках организма ингибируется. У человека этот механизм контроля отсутствует, поэтому содержание холестерина может значительно возрастать, особенно с приемом жирной пищи.

Холестерин выделяют из спинного мозга животных экстрагированием ацетоном или из жира, получаемого при промывке овечьей шерсти (ланолина). Очищают быстрой кристаллизацией из уксусной кислоты.

По одному из способов рекомендуют замораживать исходный материал в ждиком воздухе, тонко раздроблять и затем экстрагировать ацетоном, причем получается раствор холестерина. Для того чтобы очистить полученный сырой холестерин, его переводят в дибромид, плохо растворимый в органических растворителях. Этот дибромид легко перекристаллизовать и затем перевести в холестерин добромированием с цинком в спирте.

Химический синтез:

Эфиры холестерола, поступающие в организм с пищей, гидролизуются холестеролэстеразой панкреатического сока.

Ацилхолестерол + H2O

RCOOH + Холестерол

Продукты гидролиза всасываются эпителием кишечника в составе смешанных мицелл. Экзогенный или синтезированный клетками кишечника холестерол частично превращается в эфиры. Этот процесс включает две стадии:

Активацию жирной кислоты под действием ацил-КоА-синтетазы;

Перенос ацильного остатка ацил-КоА на ОН-группу холестерола, который катализирует ацилхолестеролацилтрансфераза (АХАТ).

Холестерол транспортируется кровью только в составе липопротеидов. Липопротеиды обеспечивают поступление в ткани экзогенного холестерола, определяют потоки холестерола между органами и выведение избытка холестерола из организма.

Синтез в основном идет в печени, тонкой кишке. Исходный субстрат-ацетил-КоА. Реакции идут в цитозоле и в .эндоплазматическом ретикулуме. Синтез идет в 3 этапа:

1) реакция от ацетил-КоА до мевалоновой кислоты, регулируется ГМГ-редуктазой (3-гидрокси-3-метилглютарил-кофермент А редуктаза).

2) образование сквалена их шести молекул мевалоната. Образуются изопентилпирофосфаты, конденсация которых приводит в формированию 30-углеродного соединения-сквалена.

3) сквален превращается в холестерин.

Имеется еще и другой способ выделения холестерина, тоже чрезвычайно важный. Оказывается, что холестерин образует нерастворимое комплексное соединение с дигитонином -- соединением, принадлежащим К классу сапонинов. Этот комплекс легко разлагается либо при нагревании в вакууме при 240” (отгоняется чистый холестерин); либо при взаимодействии с пиридином. Ввиду чрезвычайно малой растворимости комплекса эта реакция употребляется для количественного определения холестерина. Однако в эту реакцию вступает не только холестерин, но и другие стероиды, при этом обязательно те, которые содержат



В-гидроксильную группу в положении 3. Так, аналогичные комплексы образуют также эргостерин, стигмастерин и даже любой искусственно полученный стероид, опять-таки при условии, что гидроксильная труппа занимает это положение.

3. Роль холестерина в развитии атеросклероза

Проблеме атеросклероза уделяется большое внимание в клинической медицине. Это заболевание признано болезнью века, оно лежит в основе ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда, тромбозов и т.д. Атеросклероз и связанные с ним сердечно-сосудистые заболевания присущи преимущественно населению экономически развитых стран. Атеросклероз является болезнью только человека и не встречается у других видов млекопитающих в естественных условиях их обитания.

У больных атеросклерозом, на различных стадиях его развития, наблюдаются нарушения в реакциях гомеостаза, как физиологического, так и биохимического порядка, обуславливающие возникновение тромботических осложнений.

Нарушение холестеринового обмена является одной из причин атеросклероза и желчнокаменной болезни. К нарушению обмена может привести неправильное питание, а именно потребление высококалорийной пищи с избыточным содержанием животных жиров и легко усваяемых простых углеводов, являющихся исходным продуктоми для эндогенного синтеза холестерина, также такая пища содержит много экзогенного холестерина.

Поступление холестерола с пищей не должно превышать 300 мг/сут. Атеросклероз возникает при повышении уровеня холестерина в крови (>6 ммоль\л ). Кол-во липопротеидов очень низкой плотности (ЛПОНП) не должно превышать 3,0 ммоль/л и должно составлять не более 75% от общего уровня липопротеидов. А доля липопротеидов высокой плотности должна составлять примерно 25% от общего холестерина и быть > 1,0 -1,2 ммоль/л.

Факторы риска: курение (наиболее опасный фактор), гиперлипопротеинемия (общий холестерин > 5 ммоль/л, ЛПНП > 3 ммоль/л, ЛП(a) > 50 мг/дл), артериальная гипертензия, сахарный диабет, ожирение, малоподвижный образ жизни, эмоциональное перенапряжение, неправильное питание.

Известно, что как эндогенный холестерин, синтезируемый в печени, так и экзогенный ,поступающий в организм извне, вступают с фосфолипидами и триглециридами в комплексную связь с белком, образуя липопротеиды, в частности в-липопротеиды. Благодаря растворимости образующихся комплексов создается возможность их беспрепятственной циркуляции в крови. Однако, в-липопротеиды с относительно малым содержанием белка и гидрофильных фосфолипидов, но с высокой долей гидрофобных холестерина и триглицеридов малоустойчивы в биологических жидкостях и подвержены распаду.

Известно также, что гипер-в-липопротеидемия и гипертриглицеридемия, обнаруживаемые в крови, служат источниками отложения липидов и липопротеидов в сосудистую стенку, что является одной из причин развития атеросклероза.

Установлено, что определение содержания липопротеидов в плазме или сыворотке крови дает более полную информацию о нарушении липидного обмена, ведущем к гиперлипопротеидемии, чем определение одних только липидов. Поэтому внимание исследователей в настоящее время привлечено к изучению в-липопротеидов с целью диагностики и профилактики атеросклероза и его осложнений.

4. Биологическая роль холестерина

Важнейшей биохимической функцией холестерина у позвоночных является его превращение в гормон прогестерон в плаценте, семенниках, желтом теле и надпочечниках; этим превращением открывается цепь биосинтеза стероидных половых гормонов и кортикостероидов.

Другое направление метаболизма холестерина у позвоночных - образование желчных кислот и витамина D3. Кроме того, холестерин участвует в регулировании проницаемости клеток и предохраняет эритроциты крови от действия гемолитических ядов. У насекомых поступающий с пищей холестерин используется для биосинтеза гормонов линьки - экдизонов.

Применяют холестерин главным образом для получения стероидных гормонов и производных на их основе, а также других фармацевтических препаратов.

Без холестерина невозможна нормальная работа жизненно важных органов и систем нашего организма. Он входит в состав клеточных мембран, обеспечивая их прочность и регулируя их проницаемость, а также оказывая влияние на активность мембранных ферментов.

Следующая функция холестерина заключается в его участии в метаболических процессах, производстве желчных кислот, необходимых для эмульгации и абсорбции жиров в тонком кишечнике, и различных стероидных гормонов, в том числе половых. При непосредственном участии холестерина происходит выработка в организме витамина D (который играет ключевую роль в обмене кальция и фосфора), гормонов надпочечников(кортизола, кортизона, альдостерона), женских половых гормонов(эстрогенов и прогестерона), мужского полового гормона тестостерона.

Поэтому бесхолестериновые диеты вредны еще и тем, что длительное их соблюдение часто приводит к возникновению половых дисфункций (как у мужчин, так и у женщин).

Кроме того, холестерин необходим для нормальной деятельности мозга. Согласно последним научным данным, холестерин напрямую влияет на интеллектуальные способности человека, так как принимает участие в образовании нейронами головного мозга новых синапсов, обеспечивающих реактивные свойства нервной ткани.

И даже ЛПНП, «плохой» холестерин, тоже необходим нашему организму, так как он играет ведущую роль в работе иммунной системы, включая защиту от рака. Именно липиопротеиды низкой плотности способны нейтрализовать различные бактерии и токсины, попадающие в кровь. Поэтому недостаток жиров в рационе вреден точно так же, как их избыток. Питание должно быть регулярным, сбалансированным и соответствовать индивидуальным потребностям организма в зависимости от условий проживания, физической активности, индивидуальных особенностей, пола и возраста.



Табл.1. Функции производных холестерина:

Вид	Размеры	Функция
Липопротеины высокой плотности (ЛВП)	8-11 нм	Транспорт холестерина от периферийных тканей к печени
Липопротеины низкой плотности (ЛНП)	18-26 нм	Транспорт холестерина, триацилглицеридов и фосфолипидов от печени к периферийным тканям
Липопротеины промежуточной (средней) плотности ЛПП (ЛСП)	25-35 нм	Транспорт холестерина, триацилглицеридов и фосфолипидов от печени к периферийным тканям
Липопротеины очень низкой плотности (ЛОНП)	30-80 нм	Транспорт холестерина, триацилглицеридов и фосфолипидов от печени к периферийным тканям
Хиломикроны	75-1200 нм	Транспорт холестерина и жирных кислот, поступающих с пищей, из кишечника в периферические ткани и печень

Источники холестерина и методы снижения его уровня в организме

Холестерин присутствует только в животных организмах, в растениях его нет. В организме человека холестерин содержится в печени, спинном и головном мозге, надпочечниках, половых железах, жировой ткани; входит в состав оболочек почти всех клеток. Много холестерина содержится в материнском молоке. В небольших количествах холестерин выделяется с желчью.

При некоторых заболеваниях в желчном пузыре и в желчных путях могут образоваться желчные камни, состоящие главным образом (иногда на 90%) из холестерина. Холестерин содержится во многих пищевых продуктах, в частности--в яичном желтке и в молоке.

Общее количество этого вещества в нашем организме составляет примерно 350 г, из которых 90% находится в тканях и 10% -- в крови (в виде сложных эфиров с жирными кислотами). Из холестерина состоит свыше 8% плотного вещества мозга.

Большая часть холестерина вырабатывается самим организмом (эндогенный холестерин), гораздо меньшая поступает с пищей (экзогенный холестерин). Примерно 80% этого вещества синтезируется в печени, остальной холестерин вырабатывается в стенке тонкой кишки и некоторых других органах. холестерин плазма кровь атеросклероз

Сх. Пути использования и выведения холестерина.

Экспериментальная часть

Открытие холестерина в биологическом материале, а именно из желчи медицинской с помощью качественных реакций.

Цель: открыть холестерин в составе медицинской желчи с помощью качественных реакций.

Одной из важных качественных реакций на холестерин является реакция Либермана -- Бурхардта. Для проведения этой реакции раствор холестерина в хлороформе или в дихлорэтане приливается к раствору уксусного ангидрида в серной кислоте. При этом появляется чрезвычайно устойчивое темно-зеленое окрашивание.

Эту реакцию дают не только холестерин, но также и его сложные эфиры. Вообще она характерна для всех стеринов, которые имеют двойную связь в положении 5.

Реакция Либермана имеет практическое приложение, например в меховой промышленности, когда овечьи шкуры моют и очищают от грязи. Концом этой очистки считается отрицательная реакция Либермана --Бурхардта, показывающая, что все стерины (а следовательно, и жиры) удалены с поверхности шкуры. Реакция применима и для количественного определения холестерина колориметрическим путем, так как окраска очень устойчива.

Реакция Шиффа.

Качественная реакция основана на том, что под действием серной кислоты происходят дегидратация и окисление холестерола. В результате две молекулы холестерола, потерявшие две молекулы воды, соединяются между собой по третьему атому углерода, образуя вещества, соответствующие суммарным формулам С64Н89 и С54Н88.

Оборудование: штатив с пробирками.

Материалы и реактивы: концентрированная серная кислота.

Ход анализа: В пробирку налить 1 мл хлороформного раствора холестерола и осторожно по стенке добавить 1 мл концентрированной серной кислоты. На границе двух жидкостей появится кольцо красного цвета.

Наблюдения: проба положительна.

1. Реакция Сальковского.

Под действием концентрированной серной кислоты происходит дегидратация холестерина, конденсация образовавшихся продуктов в виде непредельных углеводородов, соединяющихся с серной кислотой с образованием окрашенных продуктов.

Оборудование: штатив с пробирками.

Материалы и реактивы:

1) холестерин, 1 % хлороформный раствор; 2) ледяная уксусная кислота.

Ход работы:

Встряхнуть пробирку с реакцией Шиффа. Верхний слой окрасится в красный цвет, а нижний будет иметь желто-оранжевую окраску с зеленой флоуресценцией. Если к нижнему слою добавить ледяной уксусной кислоты, то жидность станет розово-красной, флуоресценция сохраняется.

Наблюдения: проба положительна.

2. Реакция Либермана-Бурхарда.

Раствор холестерина в хлороформе дает с уксусным ангидридом и концентрированной серной кислотой красное окрашивание, переходящее затем в синие и зеленые тона.

Оборудование: штатив с пробирками.

Материалы и реактивы:

1) холестерин, 1 % хлороформный раствор; 2) уксусный ангидрид; 3) серная кислота, концентрированная;

Ход работы:

В пробирку налить 1 - 2 мл хлороформного экстракта холестерола, добавить 10 капель уксусного ангидрида и 2 капли концентрированной серной кислоты. Содержимое пробирки хорошо взболтать до появления сначала красной, затем красно-фиолетовой, фиолетовой, аметистово-синей, синей и зеленой окраски. Эта реакция положена в основу количественного определения холестерола.

Наблюдения: проба положительна, но так как содержание холестерола мало, проба сразу приобрела зеленую окраску.

3. Реакция Витта.

Оборудование: штатив с пробирками.

Материалы и реактивы: хлороформный раствор холестерола; формалин-серная кислота (1мл формалина смешивать с 50 мл серной концентрированной кислоты); уксусный ангидрид.

Ход анализа:

В пробирку налить 2 мл хлороформного раствора холестерола и прилить равный объем смеси формалина с серной кислотой. Раствор делится на два слоя: верхний - вишневого цвета и нижний - буро-красный с интенсивной зеленой флуоресценцией. Слить верхний слой в другую пробирку и прибавить 2-3 капли уксусного ангидрида. Вишневая окраска переходит в синюю.

Наблюдения: проба положительна.

Выводы: По положительным пробам качественных реакций мы открыли холестерол в составе медицинской желчи ( с помощью реакций Шиффа, Сальковского, Либермана-Бурхарда, Витта).

4. Другие методы.

Следует упомянуть еще один биохимический метод количественногоанализа на холестерин. Дигитонин вызывает гемолиз эритроцитов, добавление небольшого количества холестерина подавляет этот гемолиз.Сущность этого определения сводится, как уже говорилось, к образованию комплексного соединения межлу холестерином и дигитонином.

Окисление холестерина можно провести разными способами -- с защитой и без защиты двойной связи. При последовательном бромировании и окислении хромовым ангидридом образуется дибромкетон. При его дибромировании в мягких условиях (цинком в спирте) получается кетон с тем же положением двойной связи, что и в исходном холестерине.

Если же окислять холестерин без предварительной защиты двойной связи, то получается кетон с иным положением двойной связи. Такое различие в результатах объясняется тем, что в обоих случаях вначале образуется первый кетон, который чрезвычайно неустойчив и в присутствии кислых или щелочных агентов легко переходит во второй. Это случай не единичный и имеется много других примеров, когда кетоны с двойной связью в положении в, у легко переходят в б, в-непредельные кетоны.



Заключение

Холестерин - жироподобное вещество, которое жизненно необходимо человеку. Он входит в состав мембран всех клеток организма, много холестерина в нервной ткани, из холестерина образуются желчные кислоты, необходимые для пищеварения, и стероидные гормоны.

На все эти нужды в организме (в печени) образуется холестерина более чем достаточно. Но человек потребляет его еще и с пищей, и часто в избыточном количестве. В основном, источником холестерина служат жирные животные продукты. Если их много в рационе питания, а не содержащих холестерин растительных масел, зерновых, овощей и фруктов - мало, то содержание холестерина в крови увеличивается, и он из необходимого организму друга превращается в смертельного врага.

В данной работе описана роль холестерина во многих жизненно-важных процессах организма, а также в развитии такого заболевания, как атеросклероз, которое заключается в поражении кровеносных сосудов.

Также были описаны методики качественного и количественного анализа холестерола в лабораторных условиях на примере холестерина, содержащегося в желчи медицинской.

Подробно рассмотрено строение холестерина, его физико-химические свойства, синтез и биологическая роль.



Список литературы

1. "Справочник химика" т.2, Л.-М.: Химия, 1964 стр. 1088-1089 гг.

2. Титов В.Н., Рожкова Т.А., Амелюшкина В.А. Жирные кислоты, триглицериды, гипертриглицеридемия, гипергликемия и инсулин. -М.: ИНФРА-М. 2016 г.

3. Базазьян Г.Г. Диетический фактор, атеросклероз и система свертывания крови. -М.: Медицина. 1982 г.

4. Покровский А.А. Химический состав пищевых продуктов [Текст] / учебное пособие / А.А. Покровский. - М: «Бизнес-пресса», 2008. - 120 с.

5. Сергеева Н.Т. Биологическая химия: метод. Указания к лабараторному практикуму \ Н.Т. Сергеева, Н.Ф. Зубина. -Калининград: КГТУ, 1996 г.

6. Комов В.П. Биохимия: учеб. для вузов / В.П. Комов, В.Н. Шведова.- М.: Дрофа, 2004.

Размещено на Allbest.ru