Lipider er en klasse af biomolekyler, der er defineret ved deres opløselighed i organiske opløsningsmidler, som f.eks. kloroform, og deres relative uopløselighed i vand. Interaktioner mellem lipider indbyrdes og mellem lipider og andre biomolekyler skyldes i høj grad deres hydrofobiske (“vandhadende”) natur. Lipider kan opdeles i to hovedkategorier efter deres struktur: dem, der er baseret på fedtsyrer, og dem, der er baseret på isopren , en forgrenet kæde med fem kulstofatomer.
Lipider baseret på fedtsyrer
Fedtsyrer er uforgrenede carboxylsyrer, der normalt indeholder et lige antal kulstofatomer (mellem 12 og 24, inklusive). Hvis der ikke er nogen dobbeltbindinger mellem kulstofatomer, er fedtsyren mættet; hvis der er dobbeltbindinger mellem kulstofatomer, er fedtsyren umættet. Naturligt forekommende umættede fedtsyrer har en til seks dobbeltbindinger, hvor dobbeltbindingerne er adskilt af mindst to enkeltbindinger; dobbeltbindingerne har cis-konfiguration. Disse dobbeltbindinger forhindrer “pakning” af molekylerne (i faste stoffer), hvilket sænker fedtsyrernes smeltepunkt . Mange fysiske egenskaber ved lipidstoffer bestemmes af omfanget af umættethed. Flerumættede omega-3 ( ω -3) fedtsyrer, der er navngivet sådan, fordi dobbeltbindingen mellem det tredjesidste ( ω -3) og fjerdesidste ( ω -4) kulstofatom er almindeligvis findes i koldtvandsfisk og menes at spille en vigtig rolle i mange neurologiske funktioner.
Som reaktion på stressforhold omdanner forskellige væv flerumættede fedtsyrer med tyve kulbrinter til en familie af forbindelser kaldet eicosanoider. Eicosanoider omfatter prostaglandiner, thromboxaner, prostacykliner og leukotriener og er generelt involveret i inflammation og smertefornemmelse. Aspirin, acetaminophen og andre smertestillende midler virker ved at hæmme de indledende reaktioner, der er nødvendige for omdannelsen af fedtsyrer til eicosanoider.
Karboxylsyregruppen i et fedtsyremolekyle giver et bekvemt sted til at binde fedtsyren til en alkohol via en esterbinding. Hvis fedtsyren bliver bundet til en alkohol med en lang kulstofkæde, kaldes det resulterende stof for en voks. Vokser er meget hydrofobiske og afviser derfor vand. Glycerol, som er en forbindelse med tre kulstofgrupper med en alkoholgruppe ved hvert kulstof, danner meget ofte estere med fedtsyrer. Når glycerol og et fedtsyremolekyle kombineres, kaldes fedtsyredelen af den resulterende forbindelse for en “acyl”-gruppe, og glyceroldelen kaldes et “glycerid”. Med dette nomenklatursystem har et triacylglycerid tre fedtsyrer knyttet til et enkelt glycerolmolekyle; nogle gange forkortes dette navn til “triglycerid”. Triglyceridstoffer benævnes almindeligvis
fedtstoffer eller olier, alt efter om de er faste eller flydende ved stuetemperatur. Triglycerider er en energireserve i biologiske systemer. Diacylglycerider findes almindeligvis i naturen med acylkæder, der forekommer på to tilstødende carbonhydrider, og de er grundlaget for fosfolipidkemien.
Isopren-baserede lipider
Den anden klasse af lipidmolekyler, der er baseret på en forgrenet fem-kulstofstruktur kaldet isopren, blev først identificeret via dampdestillation af plantematerialer. Ekstrakterne kaldes “æteriske olier”. De er ofte velduftende og anvendes som medicin, krydderier og parfume. En lang række forskellige strukturer opnås ved sammensmeltning af isoprenmonomerenheder, hvilket fører til et meget varieret sæt af forbindelser, herunder terpener, såsom β-karoten, pinene (terpentin) og carvone (spearmintolie), og steroider, såsom testosteron, kolesterol og østrogen .
Lipidorganisation
“Som olie og vand” er et ordsprog, der er baseret på lipidernes minimale interaktion med vand. Selv om dette ordsprog passer på isoprenbaserede lipider og voluminøse fedtsyrebaserede lipider som f.eks. voks og triglycerider, passer det ikke på alle lipider (det gælder f.eks. ikke for stoffer, der består af fedtsyrer eller diacylglycerider).
Fedtsyrer og diacylglycerider er ofte amfipatiske, dvs. at carboxylsyre-“hovedet” er hydrofilt, og kulbrinte-“halen” er hydrofob. Når et fedtsyre- eller triglyceridstof anbringes i vand, dannes der strukturer, der maksimerer de hydrofiles hovedernes vekselvirkninger med vand og minimerer de hydrofobes halers vekselvirkninger med vand. Ved lave lipidkoncentrationer dannes der et monolag, hvor de hydrofile hoveder associerer sig med vandmolekyler og de hydrofobiske haler “peger” lige ud i luften (se figur 2).
Efterhånden som lipidkoncentrationen øges, reduceres det overfladeareal, der er til rådighed for monolagsdannelse, hvilket fører til dannelse af alternative strukturer (afhængigt af den pågældende lipid og tilstand). Forbindelser, der har en relativt stor hovedgruppe og en lille hale gruppe, som f.eks. fedtsyrer og detergenter, danner sfæriske strukturer, der er kendt som miceller. Den koncentration af lipid, der kræves for at danne miceller, kaldes den kritiske micellekoncentration (CMC). Andre hydrofobiske molekyler, som f.eks. molekyler i snavs, triacylglycerider og andre store organiske molekyler, forbinder sig med den hydrofobiske haleparti af en micelle.
Forbindelser, der har nogenlunde lige store hoveder og haler, har en tendens til at danne bilagslag i stedet for miceller. I disse strukturer associerer to monolag af lipidmolekyler hale mod hale, hvilket minimerer de hydrofobiske deles kontakt med vand og maksimerer de hydrofile interaktioner. Lipidmolekyler kan bevæge sig lateralt (inden for et enkelt lag af dobbeltlaget, kaldet et blad), men det er meget vanskeligere at bevæge sig fra et blad til det modsatte blad.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Ofte kan disse dobbeltlagsblade vikle sig ind på en sådan måde, at de danner sfæriske strukturer, der kaldes vesikler eller liposomer (afhængigt af deres størrelse). Flere nye kræftbekæmpelsesbehandlinger er baseret på pakning af kemoterapeutiske
agenter inde i liposomer og derefter dirigere liposomerne til et specifikt målvæv.
Lipider kan også danne strukturer i forbindelse med forskellige proteiner. En cellemembran består af et lipiddobbeltlag, der i sig selv rummer en række proteiner, som enten går på tværs af dobbeltlaget eller er mere løst forbundet med dobbeltlaget. Kolesterol kan sætte sig ind i bilaget, og det er med til at regulere membranens væskefylde.
En række lipid-protein-komplekser anvendes i kroppen til at transportere relativt vanduopløselige lipider, såsom triglycerider og kolesterol, i det cirkulerende blod. Disse komplekser kaldes almindeligvis lipoproteiner; de indeholder både proteiner og lipider i varierende koncentrationer. Tætheden af disse lipoproteiner afhænger af den relative mængde af protein, fordi lipider er mindre tætte end protein. Lipoproteiner med lav tæthed eller LDL’er har et relativt højere forhold mellem lipider og protein. LDL’er bruges til at transportere kolesterol og triglycerider fra leveren til vævene. I modsætning hertil er high density
lipoproteiner, eller HDL’er, har et relativt lavere forhold mellem lipid og protein og anvendes til at fjerne kolesterol og fedtstoffer fra vævene.
Lipidernes funktioner
Lipiderne udfører en række forskellige opgaver i biologiske systemer. Terpener, steroider og eicosanoider fungerer som kommunikationsmolekyler, enten med andre organismer eller med andre celler i den samme organisme. De stærkt reducerede kulstofatomer i triglycerider er med til at gøre fedtstoffer til en ideel energilagringsforbindelse.
Nogle af lipidernes funktioner er relateret til de strukturer, de danner. Den micelledannelse, der er karakteristisk for fedtsyrer, vaske- og rengøringsmidler og sæber i vandig opløsning, hjælper med at opløse snavs og andre hydrofobiske materialer. Lipidbilayers spiller mange vigtige roller. Liposomer anvendes til at levere lægemidler til de ønskede væv. En cellemembran er på grund af sin hydrofobiske kerne en væsentlig barriere for passage af ioner, hvilket gør det muligt for cellens indre at have koncentrationer af ioner, der adskiller sig fra koncentrationerne i det ekstracellulære miljø. Bilagslag er gode elektriske isolatorer og bidrager til overførslen af nerveimpulser langs de ledende dele af nervefibrene. Lipidernes betydning for den neurale funktion ses ved sygdomme, hvor disse isolatorer går tabt, som f.eks. multipel sklerose, eller ikke vedligeholdes korrekt, som f.eks. Tay-Sachs sygdom.
Selv om de er et kemisk forskelligt sortiment af forbindelser, har lipiderne en række fælles egenskaber. Lipidmolekylers amfipatiske natur tilskynder til dannelse af mere komplekse strukturer som f.eks. miceller, dobbeltlag og liposomer. Disse strukturer, såvel som selve lipidstofferne, påvirker alle aspekter af cellebiologien.