Lipider är en klass av biomolekyler som definieras av deras löslighet i organiska lösningsmedel, t.ex. kloroform, och deras relativa olöslighet i vatten. Interaktioner mellan lipider och mellan lipider och andra biomolekyler beror till stor del på deras hydrofoba (”vattenhatande”) natur. Lipider kan delas in i två huvudkategorier beroende på deras struktur: de som är baserade på fettsyror och de som är baserade på isopren , en förgrenad kedja med fem kol.
Lipider baserade på fettsyror
Fettsyror är oförgrenade karboxylsyror som vanligtvis innehåller ett jämnt antal kolatomer (mellan 12 och 24, inklusive). Om det inte finns några dubbelbindningar mellan kolatomerna är fettsyran mättad; om det finns dubbelbindningar mellan kolatomerna är fettsyran omättad. Naturligt förekommande omättade fettsyror har en till sex dubbelbindningar, där dubbelbindningarna är åtskilda av minst två enkelbindningar; dubbelbindningarna har cis-konfiguration. Dessa dubbelbindningar hindrar ”packning” av molekylerna (i fasta ämnen), vilket sänker fettsyras smältpunkt . Många fysiska egenskaper hos lipidsubstanser bestäms av graden av omättnad. Fleromättade omega-3 ( ω -3) fettsyror, som fått sitt namn på grund av dubbelbindningen mellan den tredje sista ( ω -3) och den fjärde sista ( ω -4) kolvätena, är vanligt förekommande i kallvattenfisk och anses spela en viktig roll i många neurologiska funktioner.
Som svar på stressförhållanden omvandlar olika vävnader fleromättade fettsyror med tjugo kolväten till en familj av föreningar som kallas eikosanoider. Eikosanoider omfattar prostaglandiner, tromboxaner, prostacykliner och leukotriener och är i allmänhet inblandade i inflammation och smärtkänsla. Aspirin, paracetamol och andra smärtstillande medel fungerar genom att hämma de inledande reaktioner som krävs för omvandlingen av fettsyror till eikosanoider.
Karboxylsyregruppen i en fettsyramolekyl ger en lämplig plats för att länka fettsyran till en alkohol, via en esterlänkning. Om fettsyran blir bunden till en alkohol med en lång kolkedja kallas det resulterande ämnet för ett vax. Vax är mycket hydrofoba och stöter därför bort vatten. Glycerol, en förening med tre kol med en alkoholgrupp vid varje kol, bildar mycket ofta estrar med fettsyror. När glycerol och en fettsyramolekyl kombineras kallas fettsyradelen av den resulterande föreningen för en ”acyl”-grupp och glyceroldelen för en ”glycerid”. Enligt detta nomenklatursystem har en triacylglycerid tre fettsyror knutna till en enda glycerolmolekyl; ibland förkortas detta namn till ”triglycerid”. Triglyceridämnen kallas vanligen
fetter eller oljor, beroende på om de är fasta eller flytande vid rumstemperatur. Triglycerider är en energireserv i biologiska system. Diacylglycerider är vanligt förekommande i naturen med acylkedjor som förekommer vid två intilliggande kolväten och utgör grunden för fosfolipidkemin.
Isoprenbaserade lipider
Den andra klassen av lipidmolekyler, som bygger på en grenad femkolig struktur som kallas isopren, identifierades först genom ångdestillation av växtmaterial. Extrakten kallas ”eteriska oljor”. De är ofta doftande och används som läkemedel, kryddor och parfymer. En mängd olika strukturer erhålls genom sammansmältning av isoprenmonomerenheter, vilket leder till en mycket varierande uppsättning föreningar, inklusive terpener, såsom β-karoten, pinen (terpentin) och carvon (olja av grönmynta), och steroider, såsom testosteron, kolesterol och östrogen .
Lipidorganisationen
”Som olja och vatten” är ett talesätt som bygger på lipidernas minimala interaktion med vatten. Även om detta talesätt är träffande för isoprenbaserade lipider och skrymmande fettsyrebaserade lipider som vaxer och triglycerider, är det inte träffande för alla lipider (det gäller t.ex. inte ämnen som består av fettsyror eller diacylglycerider).
Fettsyror och diacylglycerider är ofta amfipatiska, dvs. karboxylsyrahuvudet är hydrofilt och kolvätehuvudet är hydrofobt. När en fettsyra eller triglycerid substans placeras i vatten bildas strukturer som maximerar de hydrofila huvudenas växelverkan med vatten och minimerar de hydrofoba svansarnas växelverkan med vatten. Vid låga lipidkoncentrationer bildas ett monolager med hydrofila huvuden som associerar sig med vattenmolekyler och hydrofoba svansar som ”pekar” rakt ut i luften (se figur 2).
När koncentrationen av lipid ökar minskar den yta som är tillgänglig för bildning av monolager, vilket leder till att alternativa strukturer bildas (beroende på den specifika lipiden och tillståndet). Föreningar som har en relativt stor huvudgrupp och en liten svansgrupp, t.ex. fettsyror och tvättmedel, bildar sfäriska strukturer som kallas miceller. Den koncentration av lipid som krävs för micellbildning kallas kritisk micellkoncentration (CMC). Andra hydrofoba molekyler, t.ex. molekyler i smuts, triacylglycerider och andra stora organiska molekyler, associerar sig med den hydrofoba svansdelen av en micell.
Föreningar som har ungefär lika stora huvuden och svansar tenderar att bilager i stället för miceller. I dessa strukturer associerar två monolager av lipidmolekyler svans mot svans, vilket minimerar de hydrofoba delarnas kontakt med vatten och maximerar de hydrofila interaktionerna. Lipidmolekyler kan förflytta sig i sidled (inom ett enskilt lager av tvåskiktet, som kallas en bladdel), men det är mycket svårare att förflytta sig från en bladdel till den motsatta bladdelen.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Ofta kan dessa tvåskiktsblad lindas in på ett sådant sätt att de bildar sfäriska strukturer, som kallas vesiklar eller liposomer (beroende på deras storlek). Flera nya behandlingar mot cancer bygger på paketering av kemoterapeutiska
medel inuti liposomer och sedan rikta liposomerna till en specifik målvävnad.
Lipider kan också bilda strukturer tillsammans med olika proteiner. Ett cellmembran består av ett lipiddubbelskikt som inom sig rymmer en mängd olika proteiner som antingen genomkorsar dubbelskiktet eller är mer löst associerade med dubbelskiktet. Kolesterol kan infogas i bilagret, och detta bidrar till att reglera membranets fluiditet.
En mängd olika lipidproteinkomplex används i kroppen för att transportera relativt vattenolösliga lipider, såsom triglycerider och kolesterol, i cirkulerande blod. Dessa komplex kallas vanligen lipoproteiner; de innehåller både proteiner och lipider i varierande koncentrationer. Tätheten hos dessa lipoproteiner beror på den relativa mängden protein, eftersom lipider är mindre täta än protein. Lipoproteiner med låg densitet, eller LDL, har ett relativt högre förhållande mellan lipider och protein. LDL:er används för att transportera kolesterol och triglycerider från levern till vävnaderna. Däremot har hög densitet
lipoproteiner, eller HDL, har ett relativt lägre förhållande mellan lipider och proteiner och används för att avlägsna kolesterol och fetter från vävnader.
Lipidernas funktioner
Lipider utför en mängd olika uppgifter i biologiska system. Terpener, steroider och eikosanoider fungerar som kommunikationsmolekyler, antingen med andra organismer eller med andra celler inom samma organism. De starkt reducerade kolatomerna i triglycerider bidrar till att göra fetter till en idealisk energilagringsförening.
Vissa av lipidernas funktioner är relaterade till de strukturer de bildar. Den micellbildning som är karakteristisk för fettsyror, tvättmedel och tvålar i vattenlösning hjälper till att lösa upp smuts och andra hydrofoba material. Lipiddubbelskikt spelar många viktiga roller. Liposomer används för att leverera läkemedel till önskade vävnader. Ett cellmembran är på grund av sin hydrofoba kärna ett betydande hinder för jonernas passage, vilket gör att cellens inre kan ha andra jonkoncentrationer än den extracellulära miljön. Bilager är goda elektriska isolatorer och underlättar överföringen av nervimpulser längs de ledande delarna av nervfibrerna. Lipidernas betydelse för nervfunktionen framgår av sjukdomar där dessa isolatorer går förlorade, t.ex. multipel skleros, eller inte underhålls på rätt sätt, t.ex. Tay-Sachs sjukdom.
Även om de är ett kemiskt varierande sortiment av föreningar har lipiderna ett antal gemensamma egenskaper. Lipidmolekylernas amfipatiska natur uppmuntrar bildandet av mer komplexa strukturer såsom miceller, bilager och liposomer. Dessa strukturer, liksom själva lipidsubstanserna, påverkar alla aspekter av cellbiologin.