Lipiden zijn een klasse biomoleculen die wordt gedefinieerd door hun oplosbaarheid in organische oplosmiddelen, zoals chloroform, en hun relatieve onoplosbaarheid in water. Interacties tussen lipiden onderling en tussen lipiden en andere biomoleculen vloeien grotendeels voort uit hun hydrofobe (“water-hatende”) aard. Lipiden kunnen op grond van hun structuur in twee hoofdcategorieën worden onderverdeeld: lipiden op basis van vetzuren en lipiden op basis van isopreen, een vertakte keten van vijf koolstofatomen.
Lipiden op basis van vetzuren
Vetzuren zijn onvertakte carboxylzuren, die gewoonlijk een even aantal koolstofatomen bevatten (tussen 12 en 24, inclusief). Als er geen dubbele bindingen tussen de koolstofatomen zijn, is het vetzuur verzadigd; als er dubbele bindingen tussen de koolstofatomen zijn, is het vetzuur onverzadigd. Natuurlijk voorkomende onverzadigde vetzuren hebben één tot zes dubbele bindingen, waarbij de dubbele bindingen gescheiden zijn door ten minste twee enkele bindingen; de dubbele bindingen hebben de cis-configuratie. Deze dubbele bindingen belemmeren het “inpakken” van de moleculen (in vaste stoffen), waardoor het smeltpunt van het vetzuur wordt verlaagd. Veel fysische eigenschappen van vetstoffen worden bepaald door de mate van onverzadiging. Meervoudig onverzadigde omega-3 ( ω -3) vetzuren, zo genoemd vanwege de dubbele binding tussen de op twee na laatste ( ω -3) en op drie na laatste ( ω -4) koolwaterstoffen, komen veel voor in koudwatervis en zouden een belangrijke rol spelen bij veel neurologische functies.
Als reactie op stressomstandigheden zetten diverse weefsels meervoudig onverzadigde vetzuren met twintig koolstofatomen om in een familie van verbindingen die eicosanoïden worden genoemd. Eicosanoïden omvatten prostaglandinen, thromboxanen, prostacyclinen en leukotriënen, en zijn in het algemeen betrokken bij ontstekingen en pijngewaarwording. Aspirine, acetaminophen en andere pijnstillers werken door het remmen van de eerste reacties die nodig zijn voor de omzetting van vetzuren in eicosanoïden.
De carbonzuurgroep van een vetzuurmolecuul biedt een handige plaats om het vetzuur aan een alcohol te koppelen, via een esterbinding. Als het vetzuur wordt gebonden aan een alcohol met een lange koolstofketen, wordt de resulterende stof een was genoemd. Wassen zijn zeer hydrofoob, en stoten dus water af. Glycerol, een drie-koolstofverbinding met een alcoholgroep op elke koolstof, vormt heel vaak esters met vetzuren. Wanneer glycerol en een vetzuurmolecule worden gecombineerd, wordt het vetzuurgedeelte van de resulterende verbinding een “acyl”-groep genoemd, en het glycerolgedeelte een “glyceride”. Volgens dit nomenclatuursysteem heeft een triacylglyceride drie vetzuren aan een enkel glycerolmolecuul; soms wordt deze naam afgekort tot “triglyceride”. Triglyceriden worden gewoonlijk aangeduid als
vetten of oliën, naargelang zij bij kamertemperatuur vast of vloeibaar zijn. Triglyceriden zijn een energiereserve in biologische systemen. Diacylglyceriden worden in de natuur algemeen aangetroffen met acylketens op twee aangrenzende koolstofatomen, en vormen de basis van de fosfolipidenchemie.
Lipiden op basis van isopreen
De andere klasse van lipidemoleculen, gebaseerd op een vertakte vijf-koolstof structuur genaamd isopreen, werd voor het eerst geïdentificeerd via stoomdestillatie van plantaardige materialen. De extracten worden “essentiële oliën” genoemd. Zij zijn vaak geurig en worden gebruikt als geneesmiddelen, specerijen en parfums. Een grote verscheidenheid van structuren wordt verkregen door het fuseren van isopreen monomeer eenheden, wat leidt tot een zeer diverse reeks van verbindingen, waaronder terpenen, zoals β-caroteen, pineen (terpentijn), en carvon (olie van groene munt); en steroïden, zoals testosteron, cholesterol, en oestrogeen .
Lipiden Organisatie
“Als olie en water” is een gezegde gebaseerd op de minimale interactie van lipiden met water. Hoewel dit gezegde treffend is voor lipiden op basis van isopreen en volumineuze lipiden op basis van vetzuren, zoals wassen en triglyceriden, is het niet treffend voor alle lipiden (het is bijvoorbeeld niet van toepassing op stoffen die zijn samengesteld uit vetzuren of diacylglyceriden).
Vetzuren en diacylglyceriden zijn vaak amfipathisch; dat wil zeggen dat de “kop” van het carbonzuur hydrofiel is en de “staart” van de koolwaterstof hydrofoob is. Wanneer een vetzuur- of triglyceridesubstantie in water wordt geplaatst, worden structuren gevormd die de interacties van de hydrofiele koppen met water maximaliseren en de interacties van de hydrofobe staarten met water minimaliseren. Bij lage lipidenconcentraties wordt een monolaag gevormd, waarbij de hydrofiele koppen met watermoleculen associëren en de hydrofobe staarten recht naar de lucht “wijzen” (zie figuur 2).
Naarmate de concentratie lipide toeneemt, neemt het voor monolaagvorming beschikbare oppervlak af, hetgeen leidt tot de vorming van alternatieve structuren (afhankelijk van de specifieke lipide en de toestand). Verbindingen met een relatief grote kopgroep en een kleine staartgroep, zoals vetzuren en detergenten, vormen bolvormige structuren die bekend staan als micellen. De concentratie lipide die nodig is voor micelvorming wordt de kritische micelconcentratie (CMC) genoemd. Andere hydrofobe moleculen, zoals vuilmoleculen, triacylglyceriden en andere grote organische moleculen, associëren zich met het hydrofobe staartgedeelte van een micel.
Samenstellingen die ongeveer even grote koppen en staarten hebben, hebben de neiging om bilayers te vormen in plaats van micellen. In deze structuren associëren twee monolagen van lipidemoleculen zich staart aan staart, waardoor het contact van de hydrofobe delen met water wordt geminimaliseerd en de hydrofiele interacties worden gemaximaliseerd. De lipidemoleculen kunnen lateraal (binnen één enkele laag van de bilayer, genoemd een folder) bewegen, maar de beweging van één folder naar de tegenovergestelde folder is veel moeilijker.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Vaak kunnen deze bilaagbladen zich zo omwikkelen dat ze bolvormige structuren vormen, die (afhankelijk van hun grootte) vesikels of liposomen worden genoemd. Verschillende nieuwe behandelingen tegen kanker zijn gebaseerd op de verpakking van chemotherapeutische
agentia binnen liposomen en vervolgens de liposomen naar een specifiek doelweefsel te leiden.
Lipiden kunnen ook structuren vormen in combinatie met diverse eiwitten. Een celmembraan bestaat uit een lipide bilaag die een verscheidenheid van eiwitten bevat die ofwel de bilaag doorkruisen of meer losjes geassocieerd zijn met de bilaag. Cholesterol kan in de bilaag binnendringen, en dit helpt om de vloeibaarheid van het membraan te regelen.
Een verscheidenheid van lipide-eiwit complexen worden gebruikt in het lichaam om relatief water-onoplosbare lipiden, zoals triglyceriden en cholesterol, in circulerend bloed te vervoeren. Deze complexen worden gewoonlijk lipoproteïnen genoemd; zij bevatten zowel eiwitten als lipiden in uiteenlopende concentraties. De dichtheid van deze lipoproteïnen hangt af van de relatieve hoeveelheden eiwitten, omdat lipiden minder dicht zijn dan eiwitten. Lipoproteïnen met een lage dichtheid, of LDL’s, hebben een relatief hogere verhouding tussen lipiden en proteïnen. LDL’s worden gebruikt om cholesterol en triglyceriden van de lever naar de weefsels te transporteren. Hogedichtheids-LDL’s daarentegen
lipoproteïnen, of HDL’s, hebben een relatief lagere verhouding tussen lipiden en proteïnen en worden gebruikt bij de verwijdering van cholesterol en vetten uit weefsels.
Functies van Lipiden
Lipiden vervullen een verscheidenheid van taken in biologische systemen. Terpenen, steroïden, en eicosanoïden fungeren als communicatiemoleculen, hetzij met andere organismen of met andere cellen binnen hetzelfde organisme. De sterk gereduceerde koolstofatomen in triglyceriden dragen ertoe bij dat vetten een ideale energieopslagverbinding zijn.
Sommige van de functies van lipiden zijn gerelateerd aan de structuren die zij vormen. De micellevorming die kenmerkend is voor vetzuren, detergenten en zepen in een waterige oplossing helpt bij het oplossen van vuil en andere hydrofobe materialen. Lipide bilayers spelen vele vitale rollen. Liposomen worden gebruikt om geneesmiddelen af te leveren in de gewenste weefsels. Een celmembraan vormt door zijn hydrofobe kern een aanzienlijke barrière voor de doorgang van ionen, waardoor het celinterieur ionenconcentraties kan hebben die verschillen van die van het extracellulaire milieu. Bilayers zijn goede elektrische isolatoren, en helpen bij de transmissie van zenuwimpulsen langs de geleidende delen van zenuwvezels. Het belang van lipiden in neurale functie wordt gezien in ziekten waarin deze isolatoren zijn verloren, zoals multiple sclerose, of niet goed onderhouden, zoals de ziekte van Tay-Sachs.
Hoewel zij een chemisch divers assortiment van verbindingen zijn, delen lipiden een aantal eigenschappen. De amfipathische aard van lipidemoleculen bevordert de vorming van complexere structuren, zoals micellen, bilayers en liposomen. Deze structuren, evenals de eigenlijke lipide stoffen zelf, beïnvloeden alle aspecten van de celbiologie.