Lipidele sunt o clasă de biomolecule care se definește prin solubilitatea lor în solvenți organici, cum ar fi cloroformul, și prin insolubilitatea lor relativă în apă. Interacțiunile dintre lipide și ale lipidelor cu alte biomolecule rezultă în mare parte din natura lor hidrofobă („care urăște apa”). Lipidele pot fi împărțite în două categorii principale în funcție de structurile lor: cele care se bazează pe acizi grași și cele care se bazează pe izopren , un lanț ramificat cu cinci atomi de carbon.
Lipidele pe bază de acizi grași
Acizii grași sunt acizi carboxilici neramificați, care conțin de obicei un număr par de atomi de carbon (între 12 și 24, inclusiv). Dacă nu există legături duble între atomii de carbon, acidul gras este saturat; dacă există legături duble între atomii de carbon, acidul gras este nesaturat. Acizii grași nesaturați care apar în mod natural au între una și șase legături duble, cu legături duble separate de cel puțin două legături simple; legăturile duble au configurația cis. Aceste legături duble inhibă „împachetarea” moleculelor (în solide), ceea ce scade punctul de topire al acizilor grași . Multe dintre proprietățile fizice ale substanțelor lipidice sunt determinate de gradul de nesaturare. Acizii grași polinesaturați omega-3 ( ω -3), numiți astfel datorită dublei legături dintre penultimul ( ω -3) și penultimul ( ω -4) carbon, se găsesc în mod obișnuit în peștii de apă rece și se crede că joacă un rol important în multe funcții neurologice.
Ca răspuns la condițiile de stres, diverse țesuturi transformă acizii grași polinesaturați care au douăzeci de atomi de carbon într-o familie de compuși numiți eicosanoizi. Eicosanoizii includ prostaglandinele, tromboxanii, prostaciclinele și leucotrienele și sunt, în general, implicați în inflamație și în senzația de durere. Aspirina, paracetamolul și alte analgezice acționează prin inhibarea reacțiilor inițiale necesare pentru transformarea acizilor grași în eicosanoizi.
Grupa de acid carboxilic a unei molecule de acid gras oferă un loc convenabil pentru legarea acidului gras de un alcool, prin intermediul unei legături esterice. Dacă acidul gras se leagă de un alcool cu un lanț de carbon lung, substanța rezultată se numește ceară. Ceara este foarte hidrofobă și, prin urmare, respinge apa. Glicerolul, un compus cu trei atomi de carbon cu o grupare alcoolică la fiecare carbon, formează foarte frecvent esteri cu acizii grași. Atunci când glicerolul și o moleculă de acid gras sunt combinate, porțiunea de acid gras din compusul rezultat se numește grup „acil”, iar porțiunea de glicerol este denumită „gliceridă”. Folosind acest sistem de nomenclatură, o triacilgliceridă are trei acizi grași atașați la o singură moleculă de glicerol; uneori, această denumire este prescurtată în „trigliceridă”. Substanțele trigliceridice sunt denumite în mod obișnuit
grăsimi sau uleiuri, în funcție de faptul că sunt solide sau lichide la temperatura camerei. Trigliceridele reprezintă o rezervă de energie în sistemele biologice. Diacilgliceridele se găsesc în mod obișnuit în natură cu lanțuri acil care apar la doi carboni adiacenți și reprezintă baza chimiei fosfolipidelor.
Lipidele pe bază de izopren
Cealaltă clasă de molecule lipidice, bazată pe o structură ramificată cu cinci atomi de carbon numită izopren, a fost identificată pentru prima dată prin distilarea cu abur a materialelor vegetale. Extractele sunt numite „uleiuri esențiale”. Acestea sunt adesea parfumate și sunt folosite ca medicamente, condimente și parfumuri. O mare varietate de structuri este obținută prin fuziunea unităților monomerice de izopren, ceea ce duce la un set foarte divers de compuși, inclusiv terpene, cum ar fi β-carotenul, pinenul (terebentină) și carvona (ulei de mentă); și steroizi, cum ar fi testosteronul, colesterolul și estrogenul .
Organizarea lipidelor
„Ca uleiul și apa” este o zicală bazată pe interacțiunea minimă a lipidelor cu apa. Deși această zicală este potrivită pentru lipidele pe bază de izopren și pentru lipidele voluminoase pe bază de acizi grași, cum ar fi cerurile și trigliceridele, nu este potrivită pentru toate lipidele (de exemplu, nu se aplică substanțelor compuse din acizi grași sau diacetilgliceride).
Acizii grași și diacetilgliceridele sunt adesea amfipatice; adică, „capul” acidului carboxilic este hidrofil, iar „coada” hidrocarburii este hidrofobă. Atunci când un acid gras sau o substanță trigliceridică este plasată în apă, se formează structuri care maximizează interacțiunile capetelor hidrofile cu apa și minimizează interacțiunile cozilor hidrofobe cu apa. La concentrații scăzute de lipide se formează un monostrat, cu capetele hidrofile care se asociază cu moleculele de apă și cozile hidrofobe „îndreptate” direct în aer (a se vedea figura 2).
Pe măsură ce concentrația de lipide crește, suprafața disponibilă pentru formarea monocapacului se reduce, ceea ce duce la formarea unor structuri alternative (în funcție de lipidele și condițiile specifice). Compușii care au un grup de cap relativ mare și un grup de coadă mic, cum ar fi acizii grași și detergenții, formează structuri sferice cunoscute sub numele de miceli. Concentrația de lipide necesară pentru formarea micelilor este denumită concentrația critică a micelilor (CMC). Alte molecule hidrofobe, cum ar fi moleculele din cadrul murdăriei, triacilgliceridele și alte molecule organice mari, se asociază cu porțiunea de coadă hidrofobă a unei micelle.
Compușii care au capetele și cozile de dimensiuni aproximativ egale tind să formeze bilayere în loc de micelii. În aceste structuri, două monostraturi de molecule lipidice se asociază coadă cu coadă, minimizând astfel contactul porțiunilor hidrofobe cu apa și maximizând interacțiunile hidrofile. Moleculele lipidice se pot deplasa lateral (în cadrul unui singur strat al stratului bistrat, numit frunză), dar deplasarea de la o frunză la frunză opusă este mult mai dificilă.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Adesea, aceste foițe de bistrat se pot înfășura în așa fel încât să formeze structuri sferice, numite vezicule sau lipozomi (în funcție de mărimea lor). Mai multe tratamente anticancerigene noi se bazează pe împachetarea chimioterapiei
agenți în interiorul lipozomilor și apoi dirijarea lipozomilor către un țesut țintă specific.
Lipidele pot, de asemenea, să formeze structuri în combinație cu diverse proteine. O membrană celulară este formată dintr-un bistrat lipidic care conține în interiorul său o varietate de proteine care fie traversează bistratul, fie sunt asociate mai lejer cu bistratul. Colesterolul se poate insera în bistrat, iar acest lucru ajută la reglarea fluidității membranei.
O varietate de complexe lipide-proteine sunt utilizate în organism pentru a transporta lipide relativ insolubile în apă, cum ar fi trigliceridele și colesterolul, în sângele circulant. Aceste complexe sunt numite în mod obișnuit lipoproteine; ele conțin atât proteine, cât și lipide în concentrații variabile. Densitatea acestor lipoproteine depinde de cantitățile relative de proteine, deoarece lipidele sunt mai puțin dense decât proteinele. Lipoproteinele cu densitate scăzută, sau LDL, au un raport relativ mai mare de lipide față de proteine. LDL-urile sunt folosite pentru a transporta colesterolul și trigliceridele din ficat către țesuturi. În schimb, lipoproteinele de înaltă densitate
lipoproteinele, sau HDL, au un raport relativ mai mic între lipide și proteine și sunt utilizate în eliminarea colesterolului și a grăsimilor din țesuturi.
Funcțiile lipidelor
Lipidele îndeplinesc o varietate de sarcini în sistemele biologice. Terpenele, steroizii și eicosanoizii acționează ca molecule de comunicare, fie cu alte organisme, fie cu alte celule din cadrul aceluiași organism. Atomii de carbon foarte reduși din trigliceride contribuie la transformarea grăsimilor într-un compus ideal pentru stocarea energiei.
Unele dintre funcțiile lipidelor sunt legate de structurile pe care le formează. Formarea micelară caracteristică acizilor grași, detergenților și săpunurilor în soluție apoasă ajută la dizolvarea murdăriei și a altor materiale hidrofobe. Bicapacele lipidice joacă multe roluri vitale. Lipozomii sunt utilizați pentru a livra medicamente în țesuturile dorite. O membrană celulară, datorită nucleului său hidrofob, reprezintă o barieră substanțială pentru trecerea ionilor, permițând ca interiorul celulei să aibă concentrații de ioni diferite de cele din mediul extracelular. Bicapacele sunt buni izolatori electrici și ajută la transmiterea impulsurilor nervoase de-a lungul porțiunilor conductoare ale fibrelor nervoase. Importanța lipidelor în funcția neuronală este observată în bolile în care acești izolatori sunt pierduți, cum ar fi scleroza multiplă, sau nu sunt menținuți corespunzător, cum ar fi boala Tay-Sachs.
Deși sunt un sortiment de compuși chimic diverși, lipidele au în comun o serie de proprietăți. Natura amfipatică a moleculelor lipidice încurajează formarea unor structuri mai complexe, cum ar fi miceliile, bicapacele și lipozomii. Aceste structuri, precum și substanțele lipidice propriu-zise, afectează toate aspectele biologiei celulare.