A lipidek a biomolekulák egy olyan osztálya, amelyet a szerves oldószerekben, például kloroformban való oldhatóságuk és a vízben való viszonylagos oldhatatlanságuk határoz meg. A lipidek közötti és a lipidek más biomolekulákkal való kölcsönhatásai nagyrészt hidrofób (“vízgyűlölő”) természetükből adódnak. A lipidek szerkezetük alapján két fő kategóriába sorolhatók: a zsírsavakon alapuló lipidek és az elágazó, öt szénatomos láncú izoprén alapú lipidek.
Zsírsav alapú lipidek
A zsírsavak el nem ágazó karbonsavak, amelyek általában páros számú szénatomot tartalmaznak (12 és 24 között, beleértve). Ha a szénatomok között nincsenek kettős kötések, a zsírsav telített; ha a szénatomok között kettős kötések vannak, a zsírsav telítetlen. A természetben előforduló telítetlen zsírsavak egytől hat kettős kötéssel rendelkeznek, a kettős kötéseket legalább két egyszerű kötés választja el egymástól; a kettős kötések cisz-konfigurációjúak. Ezek a kettős kötések gátolják a molekulák “pakolását” (szilárd anyagokban), ami csökkenti a zsírsav olvadáspontját . A lipidanyagok számos fizikai tulajdonságát a telítetlenség mértéke határozza meg. A többszörösen telítetlen omega-3 ( ω -3) zsírsavak, amelyek az utolsó előtti harmadik ( ω -3) és utolsó előtti negyedik ( ω -4) szénatom közötti kettős kötés miatt kapták ezt a nevet, gyakran előfordulnak a hidegvízi halakban, és úgy gondolják, hogy fontos szerepet játszanak számos neurológiai funkcióban.
Stresszhelyzetekre adott válaszként a különböző szövetek a húsz szénatomos többszörösen telítetlen zsírsavakat az eikozanoidoknak nevezett vegyületcsaláddá alakítják át. Az eikozanoidok közé tartoznak a prosztaglandinok, a tromboxánok, a prosztaticiklinek és a leukotriének, és általában részt vesznek a gyulladásban és a fájdalomérzetben. Az aszpirin, a paracetamol és más fájdalomcsillapítók úgy hatnak, hogy gátolják a zsírsavak eikozanoidokká történő átalakulásához szükséges kezdeti reakciókat.
A zsírsavmolekula karbonsavcsoportja kényelmes helyet biztosít a zsírsav és egy alkohol összekapcsolására, észterkötésen keresztül. Ha a zsírsav egy hosszú szénláncú alkoholhoz kötődik, az így kapott anyagot viasznak nevezzük. A viaszok nagyon hidrofóbok, ezért taszítják a vizet. A glicerin, egy három szénatomos vegyület, amelynek minden szénatomján egy alkoholcsoport található, nagyon gyakran alkot észtereket a zsírsavakkal. Amikor a glicerin és egy zsírsavmolekula egyesül, a keletkező vegyület zsírsavrészét “acil” csoportnak, a glicerinrészt pedig “gliceridnek” nevezik. Ezt a nómenklatúra-rendszert használva a triacilglicerid három zsírsav kapcsolódik egyetlen glicerinmolekulához; néha ezt az elnevezést “triglicerid”-re rövidítik. A triglicerid anyagokat általában
zsírok vagy olajok, attól függően, hogy szobahőmérsékleten szilárd vagy folyékony halmazállapotúak. A trigliceridek a biológiai rendszerek energiatartalékai. A diacilgliceridek általában két szomszédos szénatomon előforduló acilláncokkal fordulnak elő a természetben, és a foszfolipidek kémiájának alapját képezik.
Izoprén alapú lipidek
A lipidmolekulák másik osztályát, amely egy elágazó, öt szénatomos szerkezeten, az izoprénen alapul, először növényi anyagok vízgőz-desztillációjával azonosították. A kivonatokat “illóolajoknak” nevezik. Ezek gyakran illatosak, és gyógyszerként, fűszerként és parfümként használják őket. Az izoprén monomer egységek összeolvasztásával a szerkezetek széles skálája jön létre, ami nagyon változatos vegyületeket eredményez, beleértve a terpéneket, mint a β-karotin, a pinen (terpentin) és a karvon (mentaolaj); és a szteroidokat, mint a tesztoszteron, a koleszterin és az ösztrogén .
Lipidszervezet
“Mint olaj és víz” a lipidek vízzel való minimális kölcsönhatásán alapuló mondás. Bár ez a mondás illik az izoprén alapú lipidekre és a terjedelmes zsírsav alapú lipidekre, mint például a viaszok és trigliceridek, nem illik minden lipidre (pl. nem vonatkozik a zsírsavakból vagy diaszilgliceridekből álló anyagokra).
A zsírsavak és a diacilgliceridek gyakran amfipatikusak; azaz a karbonsav “fej” hidrofil, a szénhidrogén “farok” pedig hidrofób. Amikor egy zsírsav vagy triglicerid anyagot vízbe helyezünk, olyan szerkezetek jönnek létre, amelyek maximalizálják a hidrofil fejek vízzel való kölcsönhatásait, és minimalizálják a hidrofób végek vízzel való kölcsönhatásait. Alacsony lipidkoncentráció esetén monoréteg alakul ki, amelyben a hidrofil fejek vízmolekulákkal társulnak, a hidrofób farok pedig egyenesen a levegőbe “mutat” (lásd a 2. ábrát).
A lipidkoncentráció növelésével a monoréteg kialakulásához rendelkezésre álló felület csökken, ami alternatív struktúrák kialakulásához vezet (az adott lipidtől és állapottól függően). A viszonylag nagy fejcsoporttal és kis farokcsoporttal rendelkező vegyületek, mint például a zsírsavak és a detergensek, gömb alakú szerkezeteket, úgynevezett micellákat képeznek. A micellák kialakulásához szükséges lipidkoncentrációt kritikus micellakoncentrációnak (CMC) nevezik. Más hidrofób molekulák, például a szennyeződésekben lévő molekulák, triacilgliceridek és más nagy szerves molekulák a micellák hidrofób farokrészéhez kapcsolódnak.
Azok a vegyületek, amelyeknek megközelítőleg azonos méretű feje és farka van, micellák helyett inkább kétrétegeket képeznek. Ezekben a struktúrákban a lipidmolekulák két egyrétegű monorétege a farokrészhez társul, így minimalizálva a hidrofób részek vízzel való érintkezését és maximalizálva a hidrofil kölcsönhatásokat. A lipidmolekulák oldalirányban (a kettősréteg egyetlen rétegén, az úgynevezett levélkén belül) tudnak mozogni, de az egyik levélkéről a szemközti levélkére történő mozgás sokkal nehezebb.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Gyakran ezek a kétrétegű lapok úgy tudnak körbetekeredni, hogy gömb alakú struktúrákat, úgynevezett vezikulákat vagy liposzómákat képeznek (méretüktől függően). Számos új rákellenes kezelés a kemoterápiás szerek csomagolásán alapul
szerek a liposzómák belsejében, majd a liposzómákat egy adott célszövetbe irányítják.
A lipidek különböző fehérjékkel együtt is képezhetnek struktúrákat. A sejtmembrán egy lipid kettősrétegből áll, amely különböző fehérjéket foglal magában, amelyek vagy áthaladnak a kettősrétegen, vagy lazábban kapcsolódnak a kettősréteghez. A koleszterin be tud illeszkedni a kettősrétegbe, és ez segít szabályozni a membrán fluiditását.
A szervezetben különféle lipid-fehérje komplexeket használnak a viszonylag vízben nem oldódó lipidek, például a trigliceridek és a koleszterin szállítására a keringő vérben. Ezeket a komplexeket általában lipoproteineknek nevezik; fehérjéket és lipideket egyaránt tartalmaznak különböző koncentrációban. Ezeknek a lipoproteineknek a sűrűsége a fehérjék relatív mennyiségétől függ, mivel a lipidek kevésbé sűrűek, mint a fehérjék. Az alacsony sűrűségű lipoproteinek, vagy LDL-ek viszonylag nagyobb arányban tartalmaznak lipideket a fehérjékhez képest. Az LDL-ek a koleszterin és a trigliceridek szállítására szolgálnak a májból a szövetekbe. Ezzel szemben a nagy sűrűségű
lipoproteinek, vagy HDL-ek, viszonylag alacsonyabb lipid/fehérje aránnyal rendelkeznek, és a koleszterin és a zsírok eltávolítására szolgálnak a szövetekből.
A lipidek funkciói
A lipidek számos feladatot látnak el a biológiai rendszerekben. A terpének, szteroidok és eikozanoidok kommunikációs molekulaként működnek, akár más szervezetekkel, akár ugyanazon szervezeten belül más sejtekkel. A trigliceridek erősen redukált szénatomjai segítenek abban, hogy a zsírok ideális energiatároló vegyületek legyenek.
A lipidek egyes funkciói az általuk alkotott szerkezetekhez kapcsolódnak. A zsírsavakra, mosószerekre és szappanokra jellemző micellaképződés vizes oldatban segít a szennyeződések és más hidrofób anyagok feloldásában. A lipid kettősrétegek számos létfontosságú szerepet játszanak. A liposzómákat arra használják, hogy gyógyszereket juttassanak a kívánt szövetekbe. A sejtmembrán hidrofób magja miatt jelentős akadályt képez az ionok áthaladása előtt, lehetővé téve, hogy a sejt belsejében az extracelluláris környezettől eltérő ionkoncentrációk legyenek. A kétrétegű membránok jó elektromos szigetelők, és segítik az idegimpulzusok továbbítását az idegrostok vezető részei mentén. A lipidek fontosságát az idegi működésben azok a betegségek mutatják, amelyekben ezek a szigetelők elvesznek, mint például a szklerózis multiplex, vagy nem megfelelően karbantartottak, mint például a Tay-Sachs-kór.
Bár vegyileg sokféle vegyületet alkotnak, a lipidek számos közös tulajdonsággal rendelkeznek. A lipidmolekulák amfipatikus természete elősegíti az összetettebb szerkezetek, például micellák, kettősrétegek és liposzómák kialakulását. Ezek a struktúrák, valamint maguk a tényleges lipidanyagok a sejtbiológia minden aspektusát befolyásolják.