Lipidy - biológia

Lipidy (z gréckeho λίπος lípos "Fett", dôraz na druhú slabiku: Lipide) je súhrnný názov pre úplne alebo aspoň vo veľkej miere vo vode nerozpustné (hydrofóbne) prírodné látky, ktoré sa na druhej strane vďaka svojej nízkej polarite veľmi dobre rozpúšťajú v hydrofóbnych (alebo lipofilných) rozpúšťadlách, ako je hexán. Ich nerozpustnosť vo vode je spôsobená predovšetkým dlhými zvyškami uhľovodíkov, ktoré má väčšina lipidov. Zhruba sa delia na zmydelniteľné a nezmýdelniteľné lipidy. [1]

V živých organizmoch sa lipidy používajú hlavne ako štruktúrne komponenty v bunkových membránach, ako zásoby energie alebo ako signálne molekuly. Väčšina biologických lipidov je amfifilných, to znamená, že majú lipofilný uhľovodíkový zvyšok a polárnu hydrofilnú hlavnú skupinu, a preto tvoria micely alebo membrány v polárnych rozpúšťadlách, ako je voda. Pojem „tuk“ sa často používa ako synonymum pre lipidy, ale tuky (triglyceridy) sú iba podskupinou lipidov.

Lipidy možno rozdeliť do siedmich skupín: mastné kyseliny, triacylglyceridy (tuky a mastné oleje), vosky, fosfolipidy, sfingolipidy, lipopolysacharidy a izoprenoidy (steroidy, karotenoidy atď.)

Mastné kyseliny, triacylglyceridy (tuky a mastné oleje) a vosky

Triacylglyceroly (triglyceridy) tvoria hlavnú časť potravinových lipidov s viac ako 90 percentami. Sú dôležitým dodávateľom energie (1 g tuku obsahuje 38,9 kJ energie, 1 g cukru iba 17,2 kJ). Okrem toho triglyceridy tvoria najdôležitejšiu zásobu energie v tele (cukor, t.j. glukóza sa naopak ukladajú v oveľa menšom množstve ako glykogén v pečeni a svaloch), sú dobrou ochranou pred chladom v pokožke a chránia ju aj pred poranením. Všetky dôležité orgány sú chránené vrstvou tuku.

Mastné kyseliny

Mastné kyseliny sú väčšinou nerozvetvené monokarboxylové kyseliny, ktoré pozostávajú z uhľovodíkového reťazca s karboxyskupinou na jednom konci (pozri obrázok).

Rozlišuje sa medzi nasýtenými mastnými kyselinami, v ktorých nie sú dvojité väzby, a nenasýtenými mastnými kyselinami, ktoré obsahujú jednu alebo viac dvojitých väzieb (obvykle v cis polohe a nie vo vzájomnej konjugácii). Najjednoduchšou nasýtenou mastnou kyselinou je kyselina maslová, ktorá má iba štyri atómy uhlíka.

Dôležitými predstaviteľmi nenasýtených mastných kyselín sú kyselina olejová (mononenasýtená) a kyselina arachidónová (štvornásobne nenasýtená). Živočíšny organizmus môže syntetizovať nenasýtené mastné kyseliny iba s obmedzeniami. Preto sa všetky tie mastné kyseliny, ktoré sa musia konzumovať s jedlom, nazývajú esenciálne mastné kyseliny (pozri nižšie). Čím viac dvojitých väzieb obsahuje mastná kyselina, tým nižšia je jej teplota topenia.

Triacylglycerín (tuky a mastné oleje)

Pozrite si hlavné články tuky a mastné oleje a triacylglyceroly.

Ako bolo uvedené vyššie, triacylglyceroly predstavujú najväčšiu skupinu potravinových lipidov. Pozostávajú z glycerolu a troch mastných kyselín esterifikovaných glycerolom. Ak sú kvapalné pri izbovej teplote (20 ° C), označujú sa ako oleje, ak sú tuhé ako tuky. Ako už bolo spomenuté, jedná sa o dôležité zásoby energie pre zvieratá a rastliny. Ak sa triacylglyceroly rozdelia zmydelnením, vznikne glycerol a zodpovedajúce soli mastných kyselín.

Vosky

Vosky sú jednoduché estery mastných kyselín a ako také sa líšia od trojitých esterov tukov a olejov. Kyselá aj alkoholová časť voskov majú dlhé nasýtené alkylové skupiny. Na rozdiel od triglyceridov sú vosky menej „mastné“, tiež tvrdšie a pórovitejšie.

Ďalšia definícia (Nemecká spoločnosť pre vedu o tukoch) chápe vosky ako triedu látok, ktorá je definovaná výlučne ich mechanicko-fyzikálnymi vlastnosťami. Podľa tejto definície sú vosky hnetateľné pri 20 ° C, pevné až krehké a tvrdé, majú hrubú až jemnú kryštalickú štruktúru, farby sú priesvitné až nepriehľadné (nepriehľadné), ale nie sú sklenené, nad 40 ° C sa topia bez rozkladu, trochu nad V bode topenia sú mierne tekuté (nie veľmi viskózne), majú silnú teplotne závislú konzistenciu a rozpustnosť a dajú sa leštiť za mierneho tlaku.

Membrány tvoriace lipidy

Membrány tvoriace lipidy sú tie, ktoré majú hydrofilnú a hydrofóbnu časť - to znamená amfifilnú. To im umožňuje vytvárať buď micely (sférické agregáty amfifilných molekúl, ktoré sa spontánne zhromažďujú v disperznom prostredí), alebo dvojité lipidové vrstvy v polárnych rozpúšťadlách, ako je voda - hydrofilná časť vždy interaguje s polárnym rozpúšťadlom. S výnimkou membrán archaea sú všetky biomembrány, ktoré oddeľujú obsah bunky od okolitého prostredia, tvorené týmito dvojitými lipidovými vrstvami. Membrány tvoriace lipidy sú preto jednou zo základných požiadaviek na tvorbu buniek, a teda aj na život.

Fosfolipidy

Sfingolipidy

Sfingolipidy sú tiež súčasťou bunkových membrán. Ich základnú štruktúru tvoria mastné kyseliny a sfingozín. Delia sa na skupiny ceramidov, sfingomyelínov a glykolipidov. Sfingolipidy sa nachádzajú v nervovom tkanive, hrajú dôležitú úlohu pri prenose signálu a pri interakcii jednotlivých buniek.

Glykolipidy

Glykolipidy sú fosfáty neobsahujúce sfingozíny obsahujúce lipidy s obsahom uhľohydrátov glykozidicky viazaných na 1-hydroxyskupinu sfingozínu. Často tvoria vonkajšiu stranu biologických membrán a ich obsah sacharidov sa nachádza na bunkovej membráne. Predpokladá sa, že tieto látky hrajú úlohu v komunikácii a interakcii medzi jednotlivými bunkami. Glykolipidy sa delia na cerebrozidy, gangliozidy a sulfatidy.

Izoprenoidy

Isoprenoidy (tiež terpenoidy) sú zlúčeniny, ktoré sú založené na izoprénových jednotkách. Zlúčeniny, ktoré sa počítajú medzi lipidy, sú steroidy a karotenoidy. Prirodzene sa vyskytujúce steroidy patria k derivátom triterpenoidu (triterpenoid znamená, že pozostáva z 30 atómov uhlíka), pretože sú všetky biosyntetizované zo skvalénu. Karotenoidy sa počítajú medzi deriváty tetraterpenoidu (40 atómov uhlíka), sú odvodené od lykopénu.

Steroidy

Všetky steroidy majú ako základnú štruktúru systém štyroch, zvyčajne zosieťovaných uhlíkových kruhov, troch šesťuholníkových a jedného päťuholníkového. Najznámejším zástupcom steroidov je cholesterol, ktorý je jedným zo sterolov. Okrem iného je tiež nevyhnutnou súčasťou všetkých bunkových membrán s výnimkou vnútornej membrány mitochondrií, a preto ju možno v širšom zmysle slova počítať aj medzi lipidy membrány. Spravidla je v esterifikovanej forme ako estery cholesterolu s mastnými kyselinami. Spektrum mastných kyselín esterov cholesterolu u živej bytosti veľmi závisí od jej stravovania.

Žlčové kyseliny, ktoré sa podieľajú na trávení tukov, majú hydrofóbnu a hydrofilnú časť, takže môžu obaliť tuky a uľahčiť tak ich absorpciu v zažívacom trakte.

Medzi steroidy patria aj pohlavné hormóny produkované vo vaječníkoch a semenníkoch. Kontrolujú reprodukciu a vývoj sekundárnych sexuálnych charakteristík. Ženskými pohlavnými hormónmi sú progesterón a estrogén, mužskými androgénmi (napr. Testosterón a androsterón).

Ďalšími príkladmi sú ďalšie zoo, myco a fytosteroly a ich estery, ako napr. B. ergosterol, vitamín D a srdcové glykozidy (napr. Digitalis a strofantín). Fytosteroly ako napr B. β-sitosterol, stigmasterol a kampesterol a ich estery sa čoraz viac vyskytujú v ľudskom sére vo vegetariánskej strave.

Karotenoidy

Karotenoidy sú produkty polymerizácie izoprénu, ktoré sa produkujú výlučne v rastlinách, baktériách a hubách a sú zodpovedné za žlté až červenkasté sfarbenie rastlín (napr. V mrkve a paradajkách). Ich fyziologickými úlohami sú absorpcia svetla a ochrana pred oxidačným stresom, pretože môžu fungovať ako lapače radikálov. [2] Karotenoidy môžu zvieratá prijímať aj prostredníctvom potravy, a sú tak okrem iného zodpovedné za farbu vaječného žĺtka a masla. [3] Pozostávajú väčšinou z nenasýtených uhľovodíkových reťazcov a ich oxidačných produktov a sú zložené z ôsmich izoprénových jednotiek. Ide teda o tetraterpény s veľkosťou kostry 40 atómov uhlíka. [4] Delia sa na karotény a xantofyly, pričom xantofyly na rozdiel od karoténov obsahujú skupiny obsahujúce kyslík. [5] Najznámejším a najbežnejším karotenoidom je β-karotén, tiež známy ako provitamín A. Ten sa v tele človeka a niektorých zvierat premieňa na sietnicu (vitamín A), čo je dôležitá východisková zlúčenina pre rodopsín (vizuálny pigment). predstavuje, je to nevyhnutné pre vizuálny proces.

Analytika

Pri kvalitatívnej a kvantitatívnej analýze fyzikálno-chemicky veľmi rozdielnych tried lipidov sa uprednostňuje použitie chromatografických metód [6] Pomocou tenkovrstvovej chromatografie a HPLC možno všetky triedy lipidov od seba oddeliť. [7] Použitie plynovej chromatografie však vyžaduje oddelenie fosfolipidov, pretože tieto nemôžu byť odparené bez toho, aby sa rozložili. Spojením procesu chromatografickej separácie s hmotnostnou spektrometriou [8] sú možné vysoko špecifické a vysoko citlivé kvalitatívne a kvantitatívne stanovenia jednotlivých látok rôznych lipidových tried.

Biologické funkcie

Biologické funkcie lipidov sú rovnako rozmanité ako ich chemická štruktúra. Slúžia ako

• Palivo (β-oxidácia mastných kyselín)
• Skladovanie energie (triacylglyceroly)
• Membránové stavebné bloky (fosfolipidy)
• Signálne molekuly (diacylglycerol; IP3 kaskáda)
• Hormóny (eikozanoidy; prostaglandíny atď.)
• Vitamíny rozpustné v tukoch (vitamíny A, D, E, K)
• Kofaktory (Dolichol)
• Pigmenty (karotenoidy)

Zatiaľ čo niektoré lipidy môže vytvárať ľudské telo počas metabolizmu tukov, iné je potrebné prijímať s jedlom. Preto sa tieto nazývajú základné lipidy určený.

Esenciálne mastné kyseliny

Takzvané esenciálne mastné kyseliny sú polynenasýtené a musia sa prijímať v potrave, pretože u cicavcov a ľudí sa počas syntézy mastných kyselín nemôžu zaviesť dvojité väzby medzi ich koncom a deviatym atómom uhlíka. Zahŕňajú omega-6 mastné kyseliny a omega-3 mastné kyseliny. Medzi zástupcov esenciálnych omega-3 mastných kyselín patrí kyselina linolénová, kyselina eikosapentaénová a kyselina dokosahexaénová; Zodpovedajúce omega-6 mastné kyseliny zahŕňajú kyselinu linolovú a kyselinu arachidónovú. Eikosanoidy sa syntetizujú z kyseliny arachidónovej; sú to dôležité tkanivové hormóny a mediátory v tele. Omega-9 mastné kyseliny nie sú nevyhnutné, pretože sa dajú syntetizovať z omega-3 a omega-6 mastných kyselín. Možnými zdrojmi omega-3 a omega-6 mastných kyselín v potravinách sú ryby, ľanové semienko, sójový olej, konopný olej, tekvicové semená alebo vlašské orechy.

Esenciálne mastné kyseliny hrajú dôležitú úlohu v mnohých metabolických procesoch. Existujú dôkazy, že nedostatky alebo nerovnováha v príjme esenciálnych mastných kyselín sú príčinou mnohých chorôb.

Vitamíny rozpustné v tukoch

Vitamíny rozpustné v tukoch sú:

• Vitamín A, terpén, ktorý hrá dôležitú úlohu vo vizuálnom procese na jednej strane a v raste, funkcii a štruktúre kože a slizníc na druhej strane,
• Vitamín D, prohormón (steroid), je zodpovedný za reguláciu koncentrácií vápnika a fosforu v krvi, a má preto rozhodujúci význam pre stabilitu kostí,
• Vitamín E, terpenoid s antioxidačnými účinkami a
• Vitamín K, terpenoid, ktorý pomáha zrážaniu krvi.

Lipidomika

Nazýva sa výskum všetkých lipidov nachádzajúcich sa v bunke alebo organizme Lipidomika (lipidomika). Je to porovnateľné s proteomikou, ktorá sa zaoberá výskumom všetkých proteínov vyskytujúcich sa v organizme a bunke. Cieľom tejto subdisciplinárnej vedy je zaznamenať všetky lipidy a určiť ich funkciu v biologickom, fyziologickom alebo fyzikálnom kontexte. V lipidomike sa na charakterizáciu lipidov používajú techniky ako hmotnostná spektroskopia (MS), nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia (NMR) alebo fluorescenčná spektroskopia. Obzvlášť vhodné sa javia metódy hmotnostnej spektroskopie, ktoré majú vysokú citlivosť a pri ktorých ionizácia molekúl nespôsobí ich rozsiahly rozpad. Vhodnou a šetrnou ionizačnou metódou je nano-elektrosprejová ionizačná hmotnostná spektrometria. [9] Cieľom výskumu v oblasti lipidomiky je určiť úlohu lipidov pri mnohých metabolických ochoreniach, ako je obezita, ateroskleróza, mŕtvica, vysoký krvný tlak a cukrovka. Rýchlo sa rozvíjajúce pole lipidomiky dopĺňa oblasti genomiky a proteomiky a spolu s nimi definuje systémovú biológiu. [10]

---