Lipidy jsou třída biomolekul, která je definována jejich rozpustností v organických rozpouštědlech, jako je chloroform, a relativní nerozpustností ve vodě. Interakce mezi lipidy navzájem a lipidů s jinými biomolekulami vyplývají z velké části z jejich hydrofobní („vodu nesnášející“) povahy. Lipidy lze podle jejich struktury rozdělit do dvou hlavních kategorií: na ty, jejichž základem jsou mastné kyseliny, a na ty, jejichž základem je isopren , rozvětvený pětiuhlíkatý řetězec.
Lipidy na bázi mastných kyselin
Mastné kyseliny jsou nerozvětvené karboxylové kyseliny, obvykle obsahující sudý počet atomů uhlíku (mezi 12 a 24 včetně). Pokud mezi atomy uhlíku nejsou dvojné vazby, je mastná kyselina nasycená; pokud mezi atomy uhlíku dvojné vazby jsou, je mastná kyselina nenasycená. Přirozeně se vyskytující nenasycené mastné kyseliny mají jednu až šest dvojných vazeb, přičemž dvojné vazby jsou odděleny nejméně dvěma jednoduchými vazbami; dvojné vazby mají konfiguraci cis. Tyto dvojné vazby brání „nabalování“ molekul (v pevných látkách), což snižuje teplotu tání mastných kyselin . Mnoho fyzikálních vlastností lipidových látek je určeno mírou nenasycení. Polynenasycené mastné kyseliny omega-3 ( ω -3), pojmenované tak kvůli dvojné vazbě mezi předposledním ( ω -3) a čtvrtým ( ω -4) uhlíkem, se běžně vyskytují ve studenovodních rybách a předpokládá se, že hrají důležitou roli v mnoha neurologických funkcích.
V reakci na stresové podmínky přeměňují různé tkáně polynenasycené mastné kyseliny s dvaceti uhlíky na skupinu sloučenin zvaných eikosanoidy. Eikosanoidy zahrnují prostaglandiny, tromboxany, prostacykliny a leukotrieny a obecně se podílejí na zánětu a vnímání bolesti. Aspirin, paracetamol a další analgetika působí tak, že inhibují počáteční reakce nutné pro přeměnu mastných kyselin na eikosanoidy.
Skupina karboxylové kyseliny v molekule mastné kyseliny poskytuje vhodné místo pro spojení mastné kyseliny s alkoholem prostřednictvím esterové vazby. Pokud se mastná kyselina naváže na alkohol s dlouhým uhlíkovým řetězcem, výsledná látka se nazývá vosk. Vosky jsou velmi hydrofobní, a proto odpuzují vodu. Glycerol, tříuhlíková sloučenina s alkoholovou skupinou na každém uhlíku, velmi často tvoří estery s mastnými kyselinami. Když se spojí glycerol a molekula mastné kyseliny, část mastné kyseliny ve výsledné sloučenině se nazývá „acyl“ skupina a část glycerolu se označuje jako „glycerid“. Podle tohoto systému názvosloví má triacylglycerid tři mastné kyseliny připojené k jedné molekule glycerolu; někdy se tento název zkracuje na „triglycerid“. Triglyceridové látky se běžně označují jako
tuky nebo oleje, podle toho, zda jsou při pokojové teplotě pevné nebo kapalné. Triglyceridy jsou energetickou rezervou v biologických systémech. V přírodě se běžně vyskytují diacylglyceridy s acylovými řetězci vyskytujícími se na dvou sousedních uhlících a jsou základem chemie fosfolipidů.
Lipidy na bázi izoprenu
Další třída lipidových molekul, založená na rozvětvené pětiuhlíkaté struktuře zvané izopren, byla poprvé identifikována pomocí parní destilace rostlinných materiálů. Extrakty se nazývají „esenciální oleje“. Jsou často voňavé a používají se jako léky, koření a parfémy. Spojením monomerních jednotek isoprenu se získává široká škála struktur, což vede k velmi rozmanitým sloučeninám, včetně terpenů, jako je β-karoten, pinen (terpentýn) a karvon (olej z máty); a steroidů, jako je testosteron, cholesterol a estrogen .
Organizace lipidů
„Jako olej a voda“ je rčení založené na minimální interakci lipidů s vodou. Ačkoli je toto rčení výstižné pro lipidy na bázi izoprenu a objemné lipidy na bázi mastných kyselin, jako jsou vosky a triglyceridy, není výstižné pro všechny lipidy (např. neplatí pro látky složené z mastných kyselin nebo diacylglyceridů).
Mastné kyseliny a diacylglyceridy jsou často amfipatické; to znamená, že „hlava“ karboxylové kyseliny je hydrofilní a uhlovodíkový „ocas“ je hydrofobní. Když se látka mastné kyseliny nebo triglyceridu umístí do vody, vytvoří se struktury, které maximalizují interakce hydrofilních hlav s vodou a minimalizují interakce hydrofobních ocasů s vodou. Při nízkých koncentracích lipidů vzniká monovrstva, v níž hydrofilní hlavy asociují s molekulami vody a hydrofobní ocasy „směřují“ přímo do vzduchu (viz obrázek 2).
Se zvyšující se koncentrací lipidu se snižuje plocha povrchu dostupná pro tvorbu monovrstvy, což vede k tvorbě alternativních struktur (v závislosti na konkrétním lipidu a podmínkách). Sloučeniny, které mají relativně velkou hlavovou skupinu a malou ocasní skupinu, jako jsou mastné kyseliny a detergenty, tvoří sférické struktury známé jako micely. Koncentrace lipidu potřebná pro tvorbu micel se označuje jako kritická koncentrace micel (CMC). Ostatní hydrofobní molekuly, jako jsou molekuly v nečistotách, triacylglyceridy a jiné velké organické molekuly, se spojují s hydrofobní ocasní částí micely.
Sloučeniny, které mají přibližně stejně velké hlavy a ocasy, mají tendenci tvořit dvojvrstvy místo micel. V těchto strukturách se dvě monovrstvy lipidových molekul spojují ocas k ocasu, čímž se minimalizuje kontakt hydrofobních částí s vodou a maximalizují hydrofilní interakce. Molekuly lipidů se mohou pohybovat laterálně (v rámci jedné vrstvy dvojvrstvy, nazývané list), ale pohyb z jednoho listu do protějšího listu je mnohem obtížnější.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Často se tyto listy dvojvrstvy mohou ovíjet tak, že vytvářejí sférické struktury, nazývané vezikuly nebo liposomy (v závislosti na jejich velikosti). Několik nových protinádorových léčebných postupů je založeno na balení chemoterapeutických
látky uvnitř liposomů a následné nasměrování liposomů do konkrétní cílové tkáně.
Lipidy mohou také vytvářet struktury ve spojení s různými proteiny. Buněčná membrána se skládá z lipidové dvojvrstvy, která v sobě drží různé proteiny, které buď dvojvrstvu protínají, nebo jsou s ní spojeny volněji. Do dvojvrstvy se může vkládat cholesterol, který pomáhá regulovat tekutost membrány.
K transportu lipidů relativně nerozpustných ve vodě, jako jsou triglyceridy a cholesterol, v cirkulující krvi se v těle používají různé komplexy lipidů a bílkovin. Tyto komplexy se běžně nazývají lipoproteiny; obsahují jak bílkoviny, tak lipidy v různých koncentracích. Hustota těchto lipoproteinů závisí na relativním množství bílkovin, protože lipidy jsou méně husté než bílkoviny. Lipoproteiny s nízkou hustotou neboli LDL mají relativně vyšší poměr lipidů a bílkovin. LDL slouží k transportu cholesterolu a triglyceridů z jater do tkání. Naproti tomu lipoproteiny s vysokou hustotou
Lipoproteiny neboli HDL mají relativně nižší poměr lipidů k bílkovinám a používají se při odstraňování cholesterolu a tuků z tkání.
Funkce lipidů
Lipidy plní v biologických systémech různé úkoly. Terpeny, steroidy a eikosanoidy fungují jako komunikační molekuly, a to buď s jinými organismy, nebo s jinými buňkami v rámci téhož organismu. Vysoce redukované atomy uhlíku v triglyceridech přispívají k tomu, že tuky jsou ideální sloučeninou pro ukládání energie.
Některé funkce lipidů souvisejí se strukturami, které tvoří. Tvorba micel charakteristická pro mastné kyseliny, detergenty a mýdla ve vodném roztoku pomáhá rozpouštět nečistoty a jiné hydrofobní materiály. Lipidové dvojvrstvy hrají mnoho důležitých rolí. Liposomy se používají k doručování léčiv do požadovaných tkání. Buněčná membrána je díky svému hydrofobnímu jádru podstatnou bariérou pro průchod iontů, což umožňuje, aby uvnitř buňky byly jiné koncentrace iontů než v extracelulárním prostředí. Bilaery jsou dobrými elektrickými izolátory a napomáhají přenosu nervových impulzů podél vodivých částí nervových vláken. Význam lipidů pro nervovou funkci je patrný u nemocí, při nichž tyto izolátory chybí, jako je roztroušená skleróza, nebo nejsou správně udržovány, jako je Tay-Sachsova choroba.
Přestože se jedná o chemicky různorodý sortiment sloučenin, mají lipidy řadu společných vlastností. Amfipatická povaha lipidových molekul podporuje tvorbu složitějších struktur, jako jsou micely, dvojvrstvy a liposomy. Tyto struktury, stejně jako samotné lipidové látky, ovlivňují všechny aspekty buněčné biologie.