Lipidy są klasą biomolekuł, która jest definiowana przez ich rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak chloroform, i ich względną nierozpuszczalność w wodzie. Interakcje pomiędzy lipidami oraz lipidów z innymi biomolekułami wynikają w dużej mierze z ich hydrofobowej („nienawidzącej wody”) natury. Lipidy można podzielić na dwie główne kategorie według ich struktury: te, które są oparte na kwasach tłuszczowych i te, które są oparte na izoprenie, rozgałęzionym, pięciowęglowym łańcuchu.
Lipidy oparte na kwasach tłuszczowych
Kwasy tłuszczowe są nierozgałęzionymi kwasami karboksylowymi, zwykle zawierającymi parzystą liczbę atomów węgla (między 12 a 24, włącznie). Jeśli nie ma podwójnych wiązań między atomami węgla, kwas tłuszczowy jest nasycony; jeśli są podwójne wiązania między atomami węgla, kwas tłuszczowy jest nienasycony. Naturalnie występujące nienasycone kwasy tłuszczowe mają od jednego do sześciu wiązań podwójnych, przy czym wiązania podwójne są rozdzielone co najmniej dwoma wiązaniami pojedynczymi; wiązania podwójne mają konfigurację cis. Te wiązania podwójne hamują „upakowanie” cząsteczek (w ciałach stałych), co obniża temperaturę topnienia kwasów tłuszczowych. Wiele właściwości fizycznych substancji lipidowych jest określanych przez stopień nienasycenia. Wielonienasycone kwasy tłuszczowe omega-3 ( ω -3), tak nazwane, ponieważ podwójne wiązanie między trzecim do ostatniego ( ω -3) i czwartym do ostatniego ( ω -4) węgli, są powszechnie spotykane w rybach zimnowodnych i uważa się, że odgrywają ważną rolę w wielu funkcjach neurologicznych.
W odpowiedzi na warunki stresowe, różne tkanki przekształcają wielonienasycone kwasy tłuszczowe o dwudziestu karbonach do rodziny związków zwanych eikozanoidami. Eikozanoidy obejmują prostaglandyny, tromboksany, prostacykliny i leukotrieny, i są ogólnie zaangażowane w zapalenie i odczuwanie bólu. Aspiryna, acetaminofen i inne leki przeciwbólowe działają poprzez hamowanie początkowych reakcji wymaganych do przekształcenia kwasów tłuszczowych w eikozanoidy.
Grupa kwasu karboksylowego w cząsteczce kwasu tłuszczowego stanowi dogodne miejsce do połączenia kwasu tłuszczowego z alkoholem, poprzez wiązanie estrowe. Jeśli kwas tłuszczowy zostanie przyłączony do alkoholu o długim łańcuchu węglowym, otrzymana substancja nazywana jest woskiem. Woski są bardzo hydrofobowe, a więc odpychają wodę. Glicerol, związek trójwęglowy z grupą alkoholową przy każdym węglu, bardzo często tworzy estry z kwasami tłuszczowymi. Kiedy glicerol i cząsteczka kwasu tłuszczowego są połączone, część kwasu tłuszczowego w wynikowym związku nazywa się grupą acylową, a część glicerolowa jest określana jako „gliceryd”. Używając tego systemu nomenklatury, triacyloglicerol ma trzy kwasy tłuszczowe przyłączone do pojedynczej cząsteczki glicerolu; czasami nazwa ta jest skracana do „triglicerydu”. Substancje triglicerydowe są powszechnie określane jako
tłuszczami lub olejami, w zależności od tego, czy w temperaturze pokojowej mają postać stałą czy ciekłą. Triglicerydy stanowią rezerwę energetyczną w układach biologicznych. Diacyloglicerole są powszechnie spotykane w przyrodzie z łańcuchami acylowymi występującymi przy dwóch sąsiednich węglach i stanowią podstawę chemii fosfolipidów.
Lipidy oparte na izoprenie
Inna klasa cząsteczek lipidowych, oparta na rozgałęzionej strukturze pięciowęglowej zwanej izoprenem, została po raz pierwszy zidentyfikowana poprzez destylację z parą wodną materiałów roślinnych. Ekstrakty te nazywane są „olejkami eterycznymi”. Często są one pachnące i są stosowane jako leki, przyprawy i perfumy. Szeroka różnorodność struktur jest uzyskiwana poprzez łączenie jednostek monomeru izoprenu, co prowadzi do bardzo zróżnicowanego zestawu związków, w tym terpenów, takich jak β-karoten, pinen (terpentyna) i karwon (olejek z mięty pieprzowej); i steroidów, takich jak testosteron, cholesterol i estrogen .
Organizacja lipidów
„Jak olej i woda” to powiedzenie oparte na minimalnej interakcji lipidów z wodą. Chociaż to powiedzenie jest trafne dla lipidów opartych na izoprenie i dużych lipidów opartych na kwasach tłuszczowych, takich jak woski i triglicerydy, nie jest ono trafne dla wszystkich lipidów (np. nie ma zastosowania do substancji złożonych z kwasów tłuszczowych lub diacylogliceroli).
Kwasy tłuszczowe i diacyloglicerole są często amfipatyczne; to znaczy, „głowa” kwasu karboksylowego jest hydrofilowa, a „ogon” węglowodorowy jest hydrofobowy. Kiedy substancja kwasu tłuszczowego lub triglicerydu jest umieszczona w wodzie, powstają struktury, które maksymalizują oddziaływania hydrofilowych głów z wodą i minimalizują oddziaływania hydrofobowych ogonów z wodą. Przy niskich stężeniach lipidów tworzy się monowarstwa, w której głowy hydrofilowe łączą się z cząsteczkami wody, a ogony hydrofobowe „skierowane” są prosto w powietrze (patrz rys. 2).
Wraz ze wzrostem stężenia lipidu zmniejsza się powierzchnia dostępna do tworzenia monowarstwy, co prowadzi do powstawania alternatywnych struktur (w zależności od konkretnego lipidu i warunków). Związki, które mają stosunkowo dużą grupę główną i małą grupę ogonową, takie jak kwasy tłuszczowe i detergenty, tworzą kuliste struktury znane jako micele. Stężenie lipidu wymagane do utworzenia miceli jest określane jako krytyczne stężenie miceli (CMC). Inne cząsteczki hydrofobowe, takie jak cząsteczki brudu, triacyloglicerydy i inne duże cząsteczki organiczne, łączą się z hydrofobową częścią ogonową miceli.
Związki, które mają w przybliżeniu równej wielkości głowy i ogony, mają tendencję do tworzenia bilayerów zamiast miceli. W tych strukturach dwie monowarstwy cząsteczek lipidów łączą się z ogonem, minimalizując w ten sposób kontakt części hydrofobowych z wodą i maksymalizując oddziaływania hydrofilowe. Cząsteczki lipidów mogą poruszać się na boki (w obrębie pojedynczej warstwy dwuwarstwy, zwanej listkiem), ale ruch z jednego listka do przeciwległego jest znacznie trudniejszy.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Często te dwuwarstwowe arkusze mogą zawijać się w taki sposób, aby tworzyć kuliste struktury, zwane pęcherzykami lub liposomami (w zależności od ich wielkości). Kilka nowych terapii przeciwnowotworowych opiera się na pakowaniu chemioterapeutyków
środki wewnątrz liposomów, a następnie skierowanie liposomów do określonej tkanki docelowej.
Lipidy mogą również tworzyć struktury w połączeniu z różnymi białkami. Błona komórkowa składa się z dwuwarstwy lipidowej, która posiada w sobie wiele białek, które albo przekraczają warstwę dwuwarstwową, albo są związane bardziej luźno z warstwą dwuwarstwową. Cholesterol może wejść do dwuwarstwy, a to pomaga regulować płynność błony.
Różnorodne kompleksy lipidowo-białkowe są wykorzystywane w organizmie do transportu stosunkowo nierozpuszczalnych w wodzie lipidów, takich jak triglicerydy i cholesterol, w krwi krążącej. Kompleksy te są powszechnie nazywane lipoproteinami; zawierają one zarówno białka, jak i lipidy w różnych stężeniach. Gęstość tych lipoprotein zależy od względnej ilości białka, ponieważ lipidy są mniej gęste niż białko. Lipoproteiny o niskiej gęstości, czyli LDL, mają stosunkowo wyższy stosunek lipidów do białek. LDL są wykorzystywane do transportu cholesterolu i trójglicerydów z wątroby do tkanek. W przeciwieństwie do nich, cząsteczki o dużej gęstości
lipoproteiny, czyli HDL, mają stosunkowo niższy stosunek lipidów do białek i są wykorzystywane do usuwania cholesterolu i tłuszczów z tkanek.
Funkcje lipidów
Lipidy wykonują wiele zadań w systemach biologicznych. Terpeny, steroidy i eikozanoidy działają jako cząsteczki komunikacyjne, albo z innymi organizmami, albo z innymi komórkami w tym samym organizmie. Wysoce zredukowane atomy węgla w triglicerydach pomagają uczynić tłuszcze idealnym związkiem magazynującym energię.
Niektóre z funkcji lipidów są związane z tworzonymi przez nie strukturami. Tworzenie miceli charakterystyczne dla kwasów tłuszczowych, detergentów i mydeł w roztworze wodnym pomaga w rozpuszczaniu brudu i innych materiałów hydrofobowych. Dwuwarstwy lipidowe pełnią wiele istotnych funkcji. Liposomy są wykorzystywane do dostarczania leków do pożądanych tkanek. Błona komórkowa, ze względu na swój hydrofobowy rdzeń, stanowi istotną barierę dla przenikania jonów, dzięki czemu wnętrze komórki może mieć inne stężenie jonów niż środowisko zewnątrzkomórkowe. Dwuwarstwy są dobrymi izolatorami elektrycznymi i pomagają w przekazywaniu impulsów nerwowych wzdłuż przewodzących części włókien nerwowych. Znaczenie lipidów w funkcjonowaniu neuronów jest widoczne w chorobach, w których te izolatory są tracone, takich jak stwardnienie rozsiane, lub nie są właściwie utrzymywane, takich jak choroba Taya-Sachsa.
Chociaż są one chemicznie zróżnicowanym asortymentem związków, lipidy dzielą szereg właściwości. Amfipatyczna natura cząsteczek lipidów zachęca do tworzenia bardziej złożonych struktur, takich jak micele, dwuwarstwy i liposomy. Struktury te, jak również same substancje lipidowe, wpływają na wszystkie aspekty biologii komórki.