Rob's web

Inleiding

Carbonzuren

Carbonzuren zijn organische verbindingen die als kenmerkende groep de carboxylgroep (-COOH) bezitten. Deze groep is formeel een combinatie van een carbonylgroep en een hydroxylgroep, maar door de mesomerie tussen de л-binding van de carbonylgroep en de vrije elektronenparen van de hydroxylgroep heeft de combinatie een geheel eigen karakter. De carboxylgroep wordt daarom als een aparte functionele groep beschouwd. Verbindingen die een carboxylgroep bevatten, kunnen gemakkelijk een proton afstaan en dus als zuur reageren.

De algemene formule van deze zuren is R-COOH, waarin R een willekeurige groep voorstelt. Is de R groep een alkylgroep, dan heeft men te maken met de homologe reeks van de alkaancarbonzuren en waszuren. Bevat de groep R een of meer NH2 groepen, dan behoort het zuur tot de aminozuren. Bevat R een of meer OH groepen, dan is het zuur een hydroxyzuur.

Dicarbonzuren zijn organische zuren met twee carboxylgroepen: R(COOH)2. De bekendste zijn oxaalzuur, malonzuur, barnsteenzuur en ftaalzuur.

Carbonzuren komen veel in de natuur voor en spelen daarin een belangrijke rol. De citroenzuurcyclus en het vetzuurmetabolisme verlopen via reacties van carbonzuren en van carbonzuurderivaten. De aminozuren, die als een van de functionele groepen de carboxylgroep bevatten, zijn de bouwstenen voor de eiwitten.

De IUPAC-nomenclatuur voor carbonzuren komt tot stand door achter de naam van het corresponderende alkaan de uitgang -zuur te plaatsen. Omdat veel carbonzuren al in de tijd van de alchemie bekend waren, treft men voor veel van deze zuren triviale namen aan. Deze namen zijn meestal afgeleid van de natuurlijke bron waaruit deze carbonzuren geïsoleerd werden.

Vetzuren

De naam vetzuren is een algemene naam voor een verbinding uit een niet geheel scherp omlijnde groep carbonzuren, waarvan de voornaamste vertegenwoordigers de in natuurlijke oliën en vetten voorkomende triglyceriden zijn: esters van glycerol waarvan alle drie de hydroxylgroepen met een vetzuur zijn veresterd.

De algemene structuurformule van triglyceriden
De algemene structuurformule van triglyceriden.

Ketenlengte

Naar ketenlengte worden onderscheiden korte keten vetzuren (C2-C6, dus met 2 tot 6 koolstofatomen), middenketen vetzuren (C8-C14, met 8 tot 14 koolstofatomen), langketen vetzuren (C16-C22, met 16 tot 22 koolstofatomen) en zeer langketen vetzuren (C22, dus met meer dan 22 koolstofatomen).

Functies vetzuren

Vetzuren hebben vier belangrijke functies in het lichaam:

De opbrengst van de complete verbranding van vetzuren is ongeveer 9 kcal/gram. De opbrengst van de verbranding van koolhydraten en eiwitten is slechts ongeveer 4 kcal/gram. Dit komt omdat vetzuren sterker gereduceerd zijn.

Vetzuren worden door hun apolaire karakter (niet oplosbaar in water) in watervrije vorm opgeslagen. Koolhydraten en eiwitten binden wel water wanneer ze worden opgeslagen. Hierdoor bevat 1 gram vet zes keer meer energie dan 1 gram glycogeen waaraan water is gebonden.

In feite kan ons lichaam alle noodzakelijke vetten zelf aanmaken, behalve twee bepaalde vetzuren die uit de voeding moeten gehaald worden: linolzuur (een omega-6-vetzuur) en alfa-linoleenzuur (een omega-3-vetzuur). Dit zijn de zogenaamd essentiele vetzuren of EVZ.

Nummering van de koolstofatomen

De koolstofatomen van vetzuren worden genummerd met als eerste het koolstofatoom van de carboxylgroep (COO-). De koolstofatomen 2 en 3 enz worden vaak aangeduid met respectievelijk α β enz. Het methylkoolstofatoom aan het einde van de keten wordt het omega (ω) koolstofatoom genoemd. De plaats van een dubbele binding in het vetzuur kan aangegeven worden door terug te tellen van het ω-koolstofatoom (bijvoorbeeld omega-3-vetzuren).

Nummering van de koolstofatomen in een vetzuur.

Figuur: Nummering van de koolstofatomen in een vetzuur.

De plaats van de dubbele binding wordt meestal aangeduid door het symbool Δ gevolgd door een nummer in suberscript. Bijvoorbeeld cis-Δ9 betekent dat er een cis dubbele binding is tussen koolstofatomen 9 en 10 en trans-Δ2 betekent dat er een trans dubbele binding is tussen de koolstofatomen 2 en 3.

Naamgeving van verschillende vetzuren

De systematische naam van een vetzuur is afgeleid van de naam van het koolwaterstofmolecuul met hetzelfde aantal koolstofatomen met als achtervoegsel -zuur. Omdat vetzuren bij de pH in het lichaam geïoniseerd zijn (waterstofatoom eraf gesplitst) is het gebruikelijk om ze aan te duiden met de naam van hun zuurrestion. Het achtervoegsel -zuur wordt dan vervangen door -aat. (zie de tabel hieronder)

In de onderstaande tabel staan de meest voorkomende vetzuren in biologische systemen met hun aantal C atomen:dubbele bindingen, afkorting, systematische naam, gewone naam en de formule.

Aantal C-atomen : dub. bindingen Afk. Systeemnaam Gewone naam Formule
1:0   Methaanzuur Mierenzuur HCOOH
2:0   Ethaanzuur Azijnzuur CH3COOH
4:0   Butaanzuur Boterzuur CH3(CH2)2COOH
6:0   Hexaanzuur Capronzuur CH3(CH2)4COOH
8:0   Octaanzuur Caprylzuur CH3(CH2)6COOH
10:0   Decaanzuur Caprinezuur CH3(CH2)8COOH
12:0   Dodecaanzuur Laurinezuur CH3(CH2)10COOH
14:0   Tetradecaanzuur Myristinezuur CH3(CH2)12COOH
16:0   Hexadecaanzuur Palmitinezuur CH3(CH2)14COOH
18:0   Octadecaanzuur Stearinezuur CH3(CH2)16COOH
20:0   Icosaanzuur Arachinezuur CH3(CH2)18COOH
22:0   Docosaanzuur Beheenzuur CH3(CH2)20COOH
24:0   Lignocerinezuur Lignocerinezuur CH3(CH2)22COOH
26:0   Hexacosaanzuur   CH3(CH2)24COOH
28:0   Octacosaanzuur   CH3(CH2)26COOH
30:0   Triacontaanzuur   CH3(CH2)28COOH
32:0   Dotriacontaanzuur   CH3(CH2)30COOH
33:0   Tritriacontaanzuur   CH3(CH2)31COOH
34:0   Tetratriacontaanzuur   CH3(CH2)32COOH
35:0   Pentatriacontaanzuur   CH3(CH2)33COOH
16:1   cis-Δ9-hexadecenozuur Palmitoleïnezuur CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH
18:1   cis-Δ9-octadecenozuur Oliezuur CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
18:2 LA cis,cis-Δ912-octadecadienozuur Linolzuur CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH
18:3 ALA all-cis-Δ91215-octadecatrienozuur α-Linoleenzuur CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH
18:3 GLA all-cis-Δ6912-octadecatrienozuur γ-Linoleenzuur CH3(CH2)4(CH=CHCH2)3(CH2)3COOH
20:4 AA all-cis-Δ581114-eicosatetraenozuur Arachidonzuur CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH
20:5 EPA all-cis-Δ58111417-Eicosapentaenozuur Eicosapantaeenzuur  
22:6 DHA all-cis-Δ4710131619-Docosahexaenozuur Cervonzuur  

Tabel: Meest voorkomende vetzuren in biologische systemen. Tot C6 wordt niet tot de vetzuren gerekend.

Indeling

De vetzuren zijn te onderscheiden in o.a. verzadigde vetzuren (de alkaancarbonzuren), enkelvoudig onverzadigde vetzuren (alkeencarbonzuren), meervoudig onverzadigde vetzuren en alkynzuren (met drievoudige koolstof-koolstofbinding).

In natuurlijke oliën en vetten komen van de verzadigde vetzuren vnl. voor die met een onvertakte (lineaire) keten, bestaande uit een even aantal koolstofatomen tussen 4 en 26. De vetzuren met 16 of 18 koolstofatomen zijn het meest voorkomend. Dit vindt zijn oorzaak in de biochemische synthese en afbraak volgens de vetzuurspiraal. Vertakte vetzuren en vetzuren met een oneven aantal C-atomen komen in natuurlijke vetten zelden voor, het meest nog isovaleriaanzuur. Mierenzuur of azijnzuur worden meestal niet tot de vetzuren gerekend; cerotinezuur (met 26 C-atomen) en hogere homologen worden (ook) waszuren genoemd.

De configuratie van de dubbele bindingen in de meeste onverzadigde vetzuren is cis. De dubbele bindingen in meervoudig onverzadigde vetzuren zijn door minstens één methyleen(CH2)groep van elkaar verwijderd.

Dicarbonzuren

EthaandizuurOxaalzuurHOOCCOOH
Propaandizuur MalonzuurHOOCCH2COOH
Butaandizuur BarnsteenzuurHOOC(CH2)2COOH
PentaandizuurGlutaarzuurHOOC(CH2)3COOH
HexaandizuurAdipinezuur HOOC(CH2)4COOH
HeptaandizuurPimelinezuurHOOC(CH2)5COOH
OctaandizuurKurkzuurHOOC(CH2)6COOH
NonaandizuurAzelaïneHOOC(CH2)7COOH
DecaandizuurSebacinezuurHOOC(CH2)8COOH
1,2-benzeen carbonzuurFtaalzuur 

Vloeibaarheid

De eigenschappen van vetzuren zijn afhankelijk van hun ketenlengte en verzadigingsgraad. Vetzuren met kortere ketens hebben lagere smeltpunten dan die met langere ketens. Onverzadigde vetzuren hebben een lager smeltpunt dan verzadigde vetzuren met dezelfde ketenlengte. De smeltpunten van meervoudig onverzadigde vetzuren zijn nog lager.

Met andere woorden, een korte ketenlengte en onverzadigdheid (dubbele bindingen) bevorderen de vloeibaarheid van vetzuren.

Essentiële vetzuren

Een essentieel vetzuur, vaak afgekort tot EFA (v. Eng. essential fatty acid), is een vetzuur dat in het menselijk of dierlijk organisme niet uit andere stoffen kan worden gevormd en dat nodig is voor het normaal functioneren van het organisme.

Bij de mens kunnen meervoudig onverzadigde vetzuren niet worden gevormd, tenzij linolzuur in de voeding aanwezig is. Linolzuur, aanwezig in plantaardige oliën, is daarom het essentiële vetzuur. Hieruit worden in het lichaam linoleenzuur en arachidonzuur gevormd. Linolzuur en linoleenzuur zijn nodig voor vorming van mitochondriën. Bovendien verlagen zij het cholesterolgehalte in het bloed (zie ook atherosclerose).

Arachidonzuur is het uitgangspunt voor de synthese van prostaglandines. Vele deficiëntieverschijnselen kunnen worden teruggevoerd op het onvermogen van het lichaam om prostaglandines te vormen bij onvoldoende aanbod van linolzuur. Andere deficiëntieverschijnselen (bijv. haaruitval, storingen in de bloedstolling) worden veroorzaakt door gebrek aan vetoplosbare vitaminen (vit. A, D, E, K) bij vetloze of vetarme voeding; hierbij gaat het om de afwezigheid van vet in de voeding en niet om de afwezigheid van een bepaald vet of vetzuur.

Biosynthese van vetzuren

De biosynthese van vetzuren vindt plaats op de cytoplasmamembranen in het endoplasmatisch reticulum. Vetzuren worden opgebouwd uit acetyl-eenheden die tijdens de biosynthese als thioëster overgedragen worden op een synthese eiwit (ACP: Acyl Carrier Protein). Tijdens elke cyclus van de biosynthese wordt een acetylgroep aan een vetzuurketen gekoppeld door middel van een reactie die sterk verwant is aan de Claisen-condensatie.

Als eerste stap wordt in acetyl coënzym A een carboxylgroep aangebracht door een carboxylase enzym dat daarvoor gebruik maakt van het coënzym biotine.

In de tweede stap wordt het gevormde malonylcoënzym A en een tweede molecuul acetylcoënzym A via een omestering overgedragen op twee thiolgroepen van het synthese eiwit ACP.

In de derde stap vindt er een condensatie reactie plaats onder afsplitsing van kooldioxide.

In de vierde stap wordt de beta-ketoacylgroep gereduceerd tot een beta-hydroxyacylgroep, waarbij het gevormde asymmetrische koolstof atoom de R-configuratie krijgt.

Stap vijf: dehydratering geeft vervolgens een transdubbele binding.

Stap 6: deze transdubbele verbinding wordt door NADPH vervolgens verder gereduceerd tot een verzadigde keten.

Al deze reactiestappen verlopen enzym - gekatalyseerd. Daarna kan in een volgende cyclus een nieuwe acetyleenheid in de keten worden ingebouwd. Hiervoor moet eerst de butyrylgroep die na de stappen 4,5 en 6 is gevormd, omgeësterd worden op een andere thiolgroep (stap 7), waarna op de vrijgekomen thiolgroep opnieuw een malonylgroep kan worden overgedragen (stap 8), en een volgende Claisen-type condensatie kan plaatsvinden (stap 9).

Na reductie van de ketogroep en dehydratatie en reductie van de dubbele binding is een carbonzuurrest met zes koolstofatomen gevormd. Deze wordt weer omgeësterd op de andere thiolgroep waarna het proces opnieuw kan beginnen.

Bij elke reactiecyclus worden op deze wijze en in deze volgorde steeds twee koolstofatomen aan het vetzuur toegevoegd. Dit kan gemiddeld acht of negen cycli doorgaan waarna resp. het palmitaat of stearaat van het synthese eiwit verwijderd wordt. Na de synthese kan verestering met glycerol plaatsvinden of kan het vetzuur worden omgezet in andere producten.

Afbraak van vetzuren

De in vetzuren opgeslagen energie kan weer gemobiliseerd worden door afbraak van het vetzuur tot acetyl CoA dat in de citroenzuurcyclus verder verbrand kan worden tot kooldioxide.

De afbraak van vetzuren verloopt in grote lijnen volgens een proces dat omgekeerd is aan de synthese van vetzuren . Er zijn echter een aantal kenmerkende verschillen.

De afbraak vindt plaats in de mitochondriën (de zeer lange keten vetzuren in de peroxisomen) en de vetzuren die afgebroken worden, zijn veresterd met coënzym A en niet met ACP en voor de afbraakreacties worden andere coënzymen gebruikt.