Lipidit ovat biomolekyylien luokka, joka määritellään niiden liukoisuuden perusteella orgaanisiin liuottimiin, kuten kloroformiin, ja niiden suhteellisen liukenemattomuuden perusteella veteen. Lipidien väliset vuorovaikutukset ja lipidien vuorovaikutukset muiden biomolekyylien kanssa johtuvat suurelta osin niiden hydrofobisesta (”vettä vihaavasta”) luonteesta. Lipidit voidaan jakaa kahteen pääryhmään niiden rakenteen mukaan: rasvahappoihin perustuvat lipidit ja isopreeniin perustuvat lipidit, joka on haarautunut viisihiiliketju.
Rasvahappopohjaiset lipidit
Rasvahapot ovat haarautumattomia karboksyylihappoja, joissa on yleensä parillinen määrä hiiliatomeja (12-24, mukaan lukien). Jos hiiliatomien välillä ei ole kaksoissidoksia, rasvahappo on tyydyttynyt; jos hiiliatomien välillä on kaksoissidoksia, rasvahappo on tyydyttymätön. Luonnossa esiintyvissä tyydyttymättömissä rasvahapoissa on yhdestä kuuteen kaksoissidosta, ja kaksoissidosten välissä on vähintään kaksi yksinkertaista sidosta; kaksoissidoksilla on cis-konfiguraatio. Nämä kaksoissidokset estävät molekyylien ”pakkautumisen” (kiinteissä aineissa), mikä alentaa rasvahapon sulamispistettä. Monet rasva-aineiden fysikaaliset ominaisuudet määräytyvät tyydyttymättömyyden asteen mukaan. Monityydyttymättömiä omega-3- ( ω -3) rasvahappoja, jotka ovat saaneet nimensä kolmanneksi viimeisen ( ω -3) ja neljänneksi viimeisen ( ω -4) hiilen välissä olevan kaksoissidoksen vuoksi, esiintyy yleisesti kylmän veden kaloissa, ja niillä uskotaan olevan tärkeä rooli monissa neurologisissa toiminnoissa.
Vastauksena stressitilanteisiin eri kudokset muuttavat monityydyttymättömiä rasvahappoja, joissa on kaksikymmentä hiiltä, eikosanoideiksi kutsuttujen yhdisteiden perheeksi. Eikosanoideihin kuuluvat prostaglandiinit, tromboksaanit, prostasykliinit ja leukotrieenit, ja ne osallistuvat yleisesti tulehdukseen ja kivun tuntemiseen. Aspiriini, parasetamoli ja muut kipulääkkeet vaikuttavat estämällä alkureaktioita, joita tarvitaan rasvahappojen muuntamiseksi eikosanoideiksi.
Rasvahappomolekyylin karboksyylihapporyhmä tarjoaa kätevän paikan rasvahapon liittämiseksi alkoholiin esterisidoksen kautta. Jos rasvahappo kiinnittyy alkoholiin, jolla on pitkä hiiliketju, syntyvää ainetta kutsutaan vahaksi. Vahat ovat hyvin hydrofobisia, joten ne hylkivät vettä. Glyseroli, kolmihiilinen yhdiste, jossa jokaisessa hiilessä on alkoholiryhmä, muodostaa hyvin yleisesti estereitä rasvahappojen kanssa. Kun glyseroli ja rasvahappomolekyyli yhdistyvät, syntyvän yhdisteen rasvahappo-osaa kutsutaan asyyliryhmäksi ja glyseroliosaa glyseridiksi. Tämän nimikkeistön mukaan triasyyliglyseridissä on kolme rasvahappoa kiinnittyneenä yhteen glyserolimolekyyliin; joskus tätä nimeä lyhennetään ”triglyseridiksi”. Triglyseridiaineista käytetään yleisesti nimitystä
rasvoiksi tai öljyiksi sen mukaan, ovatko ne huoneenlämmössä kiinteitä vai nestemäisiä. Triglyseridit ovat energiavarasto biologisissa järjestelmissä. Diasyyliglyseridejä esiintyy luonnossa yleisesti siten, että asyyliketjut esiintyvät kahdessa vierekkäisessä hiilivedyssä, ja ne ovat fosfolipidikemian perusta.
Isopreenipohjaiset lipidit
Toinen lipidimolekyylien luokka, joka perustuu haaroittuneeseen viisihiilirakenteiseen rakenteeseen nimeltä isopreeni, tunnistettiin ensimmäisen kerran kasvimateriaalien höyrytislauksen avulla. Uutteita kutsutaan ”eteerisiksi öljyiksi”. Ne ovat usein tuoksuvia, ja niitä käytetään lääkkeinä, mausteina ja hajusteina. Isopreenimonomeeriyksiköitä yhdistämällä saadaan monenlaisia rakenteita, joista syntyy hyvin erilaisia yhdisteitä, kuten terpeenejä, kuten β-karoteeni, pineeni (tärpätti) ja karvoni (piparminttuöljy), sekä steroideja, kuten testosteroni, kolesteroli ja estrogeeni .
Lipidiorganisaatio
”Kuin öljy ja vesi” on sanonta, joka perustuu lipidien vähäiseen vuorovaikutukseen veden kanssa. Vaikka tämä sanonta sopii isopreenipohjaisiin lipideihin ja tilaa vieviin rasvahappopohjaisiin lipideihin, kuten vahoihin ja triglyserideihin, se ei sovi kaikkiin lipideihin (esim. se ei päde aineisiin, jotka koostuvat rasvahapoista tai diasyyliglyserideistä).
Rasvahapot ja diasyyliglyseridit ovat usein amfipaattisia; toisin sanoen karboksyylihapon ”pää” on hydrofiilinen ja hiilivetyjen ”häntä” hydrofobinen. Kun rasvahappo- tai triglyseridiaine sijoitetaan veteen, muodostuu rakenteita, jotka maksimoivat hydrofiilisten päiden vuorovaikutukset veden kanssa ja minimoivat hydrofobisten hännän vuorovaikutukset veden kanssa. Pienillä lipidipitoisuuksilla muodostuu monokerros, jossa hydrofiiliset päät assosioituvat vesimolekyylien kanssa ja hydrofobiset hännät ”osoittavat” suoraan ilmaan (ks. kuva 2).
Lipidipitoisuuden kasvaessa monokerroksen muodostumiseen käytettävissä oleva pinta-ala pienenee, mikä johtaa vaihtoehtoisten rakenteiden muodostumiseen (riippuen tietystä lipidistä ja olosuhteista). Yhdisteet, joilla on suhteellisen suuri otsaryhmä ja pieni häntäryhmä, kuten rasvahapot ja detergentit, muodostavat pallomaisia rakenteita, joita kutsutaan mikkeliksi. Mikkelin muodostumiseen tarvittavaa lipidipitoisuutta kutsutaan kriittiseksi mikkelipitoisuudeksi (CMC). Muut hydrofobiset molekyylit, kuten lian sisältämät molekyylit, triasyyliglyseridit ja muut suuret orgaaniset molekyylit, assosioituvat mikkelin hydrofobiseen häntäosaan.
Yhdisteet, joilla on suunnilleen yhtä suuret päät ja hännät, pyrkivät muodostamaan pikemminkin kaksoiskerroksia kuin mikkeleitä. Näissä rakenteissa kaksi yksikerroksista lipidimolekyyliä assosioituu hännän ja hännän välille, jolloin hydrofobisten osien kosketus veden kanssa minimoituu ja hydrofiiliset vuorovaikutukset maksimoituvat. Lipidimolekyylit voivat liikkua sivusuunnassa (kaksoiskerroksen yhden kerroksen sisällä, jota kutsutaan lehtilaatikoksi), mutta liikkuminen yhdestä lehtilaatikosta vastakkaiseen lehtilaatikkoon on paljon vaikeampaa.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Usein nämä kaksoiskerroslehdet voivat kietoutua niin, että ne muodostavat pallomaisia rakenteita, joita kutsutaan vesikkeleiksi tai liposomeiksi (niiden koosta riippuen). Useat uudet syöpähoidot perustuvat kemoterapeuttisten
aineet liposomien sisällä ja sitten liposomien ohjaaminen tiettyyn kohdekudokseen.
Lipidit voivat myös muodostaa rakenteita yhdessä erilaisten proteiinien kanssa. Solukalvo koostuu lipidikaksoiskerroksesta, joka pitää sisällään erilaisia proteiineja, jotka joko kulkevat kaksoiskerroksen poikki tai liittyvät löysemmin kaksoiskerrokseen. Kolesteroli voi tunkeutua kaksoiskerrokseen, ja tämä auttaa säätelemään kalvon juoksevuutta.
Erilaisia lipidi-proteiinikomplekseja käytetään elimistössä kuljettamaan suhteellisen veteen liukenemattomia lipidejä, kuten triglyseridejä ja kolesterolia, kiertävässä veressä. Näitä komplekseja kutsutaan yleisesti lipoproteiineiksi; ne sisältävät sekä proteiineja että lipidejä vaihtelevina pitoisuuksina. Näiden lipoproteiinien tiheys riippuu proteiinien suhteellisesta määrästä, koska lipidit ovat vähemmän tiheitä kuin proteiinit. Matalatiheyksisissä lipoproteiineissa eli LDL:ssä on suhteellisesti enemmän lipidejä kuin proteiineja. LDL:t kuljettavat kolesterolia ja triglyseridejä maksasta kudoksiin. Sen sijaan suuren tiheyden
lipoproteiineissa eli HDL:ssä on suhteellisen pienempi lipidien ja proteiinien suhde, ja niitä käytetään kolesterolin ja rasvojen poistamiseen kudoksista.
Lipidien tehtävät
Lipideillä on monenlaisia tehtäviä biologisissa järjestelmissä. Terpeenit, steroidit ja eikosanoidit toimivat viestintämolekyyleinä joko muiden organismien tai saman organismin sisällä olevien muiden solujen kanssa. Triglyseridien voimakkaasti pelkistyneet hiiliatomit auttavat tekemään rasvoista ihanteellisen energiavarastoyhdisteen.
Osa lipidien toiminnoista liittyy niiden muodostamiin rakenteisiin. Rasvahapoille, pesuaineille ja saippuoille ominainen mikkelinmuodostus vesiliuoksessa auttaa lian ja muiden hydrofobisten aineiden liuottamisessa. Lipidien kaksoiskerroksilla on monia elintärkeitä tehtäviä. Liposomeja käytetään lääkkeiden toimittamiseen haluttuihin kudoksiin. Solukalvo on hydrofobisen ytimensä vuoksi merkittävä este ionien kulkemiselle, jolloin solun sisällä voi olla solun ulkopuolisesta ympäristöstä poikkeavia ionipitoisuuksia. Kaksoiskalvot ovat hyviä sähköeristeitä, ja ne auttavat hermoimpulssien siirtymistä hermosäikeiden johtavia osia pitkin. Lipidien merkitys hermoston toiminnalle näkyy sairauksissa, joissa nämä eristeet häviävät, kuten multippeliskleroosissa, tai eivät säily kunnolla, kuten Tay-Sachsin taudissa.
Vaikka lipidit ovat kemiallisesti monimuotoinen yhdistevalikoima, niillä on useita yhteisiä ominaisuuksia. Lipidimolekyylien amfipaattinen luonne kannustaa muodostamaan monimutkaisempia rakenteita, kuten mikkeleitä, kaksoiskerroksia ja liposomeja. Nämä rakenteet sekä itse lipidiaineet vaikuttavat kaikkiin solubiologian osa-alueisiin.