ליפידים: הגדרה, מבנה, פונקציה ודוגמאות

ליפידים כוללים קבוצה של תרכובות כגון שומנים, שמנים, סטרואידים ושעווה הנמצאים באורגניזמים חיים. גם לפרוקריוטים וגם לאאוקריוטים יש ליפידים, שממלאים תפקידים חשובים רבים מבחינה ביולוגית, כגון יצירת קרום, הגנה, בידוד, אחסון אנרגיה, חלוקת תאים ועוד. ברפואה, ליפידים מתייחסים לשומנים בדם.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

ליפידים מייעדים שומנים, שמנים, סטרואידים ושעוות הנמצאים באורגניזמים חיים. ליפידים משרתים פונקציות מרובות על פני מינים, לצורך אחסון אנרגיה, הגנה, בידוד, חלוקת תאים ותפקידים ביולוגיים חשובים אחרים.

ליפידים עשויים מטריגליצריד שעשוי מהאלכוהול גליצרול, בתוספת חומצות שומן. תוספות למבנה בסיסי זה מניבות מגוון רב בשומנים. למעלה מ -10,000 סוגים של ליפידים התגלו עד כה, ורבים עובדים עם מגוון עצום של חלבונים למטבוליזם הסלולרי ולהובלת חומרים. ליפידים קטנים במידה ניכרת מחלבונים.

חומצות שומן הן סוג אחד של ליפידים ומשמשות אבני בניין גם לשומנים אחרים. חומצות שומן מכילות קבוצות קרבוקסיל (-COOH) הקשורות לשרשרת פחמן עם מימנים צמודים. שרשרת זו אינה מסיסה במים. חומצות שומן יכולות להיות רוויות או בלתי רוויות. לחומצות שומן רוויות קשרי פחמן בודדים, ואילו לחומצות שומן בלתי רוויות קשרי פחמן כפולים. כאשר חומצות שומן רוויות משולבות עם טריגליצרידים, התוצאה היא שומנים מוצקים בטמפרטורת החדר. הסיבה לכך היא שהמבנה שלהם גורם להם להתארז בחוזקה. לעומת זאת, חומצות שומן בלתי רוויות בשילוב עם טריגליצרידים נוטות להניב שמנים נוזליים. המבנה המקושר של שומנים בלתי רוויים מניב חומר רפוי וזורם יותר בטמפרטורת החדר.

פוספוליפידים עשויים טריגליצריד עם קבוצת פוספט שהוחלפה בחומצת שומן. ניתן לתאר אותם כבעלי ראש טעון וזנב פחמימנים. ראשם הידרופילי, או אוהב מים, ואילו זנבותיהם הידרופוביים או דוחים מים.

דוגמא נוספת לשומנים בדם היא כולסטרול. כולסטרולים מסודרים למבני טבעת נוקשים של חמישה או שישה אטומי פחמן, עם מימנים מחוברים וזנב פחמימני גמיש. הטבעת הראשונה מכילה קבוצת הידרוקסיל המשתרעת לסביבות מים של קרומי תאי בעלי חיים. אולם שאר המולקולה אינה מסיסת במים.

חומצות שומן רב בלתי רוויות (PUFA) הן ליפידים המסייעים לנזילות בקרום. PUFAs משתתפים באיתות תאים הקשורים לדלקת עצבית ולחילוף חומרים אנרגטי. הם יכולים לספק השפעות נוירו-מגן כחומצות שומן אומגה 3, ובניסוח זה הן נוגדות דלקת. עבור חומצות שומן מסוג אומגה 6, חומצות PUFA עלולות לגרום לדלקת.

סטרולים הם ליפידים הנמצאים בקרומי הצמח. גליקוליפידים הם ליפידים המקושרים לפחמימות והם חלק ממאגרי השומנים התאיים.

ליפידים ממלאים כמה תפקידים באורגניזמים. ליפידים מהווים מחסומי מגן. הם כוללים קרומי תאים וחלק ממבנה קירות התא בצמחים. ליפידים מספקים אגירת אנרגיה לצמחים ובעלי חיים. לעיתים קרובות, ליפידים פועלים לצד חלבונים. תפקודי השומנים יכולים להיות מושפעים משינויים בקבוצות הראש הקוטביות שלהם וכן משרשראות הצד שלהם.

פוספוליפידים מהווים את הבסיס לשכבות דו שומניות, בעלות אופי אמפיפתי, המרכיבות את קרומי התאים. השכבה החיצונית מתקשרת עם מים ואילו השכבה הפנימית קיימת כחומר שמנוני וגמיש. האופי הנוזלי של קרומי התאים מסייע לתפקודם. ליפידים מהווים לא רק ממברנות פלזמה, אלא גם תאים סלולריים כמו מעטפת הגרעין, הרטיקולום האנדופלזמי (ER), מנגנון גולגי ושלפוחית.

גם ליפידים משתתפים בחלוקת תאים. תאים מתחלקים מווסתים את תכולת השומנים בהתאם למחזור התא. לפחות 11 ליפידים מעורבים בפעילות מחזור התא. Sphingolipids ממלאים תפקיד בציטוקינזיס במהלך שלב. מכיוון שחלוקת התאים מביאה למתח קרום הפלזמה, נראה כי הליפידים עוזרים בהיבטים מכניים של חלוקה כגון נוקשות בקרום.

ליפידים מספקים מחסומי מגן לרקמות מיוחדות כגון עצבים. נדן המיאלין המגן סביב העצבים מכיל ליפידים.

ליפידים מספקים את כמות האנרגיה הגדולה ביותר מצריכה, בעלי כמות כפולה מכמות האנרגיה כחלבונים ופחמימות. הגוף מפרק שומנים בעיכול, חלקם לצורכי אנרגיה מיידיים ואחרים לאחסון. הגוף מתבסס על אחסון השומנים לצורך פעילות גופנית באמצעות ליפאזות כדי לפרק את השומנים האלה, ובסופו של דבר להכין יותר אדנוזין טריפוספט (ATP) לתאי כוח.

בצמחים, שמני זרעים כגון טריאצילגליצרולים (TAGs) מספקים אחסון מזון לצורך נביטת זרעים וגדילתם באנגיוספרם ובגימנסופרם. שמנים אלה מאוחסנים בגופי שמן (OB) ומוגנים על ידי פוספוליפידים וחלבונים הנקראים אולאוזינים. כל החומרים הללו מיוצרים על ידי הרטיקולום האנדופלזמי (ER). גוף השמן ניצב מהמיון.

ליפידים נותנים לצמחים את האנרגיה הדרושה לתהליכים המטבוליים שלהם ולאותות בין התאים. הפלואם, אחד מחלקי התחבורה העיקריים של הצמחים (יחד עם הקסילם), מכיל שומנים כאלה כמו כולסטרול, סיטוסטרול, קמפוסטרול, סטיגמאסטרול ומספר הורמונים ליפופיליים שונים מולקולות. השומנים השונים עשויים למלא תפקיד באיתות כאשר צמח נפגע. פוספוליפידים בצמחים פועלים גם כתגובה ללחץ סביבתי על הצמחים וכן כתגובה לזיהומים בפתוגן.

אצל בעלי חיים השומנים משמשים גם כבידוד מהסביבה וכמגן לאיברים חיוניים. ליפידים מספקים גם ציפה ואיטום.

ליפידים המכונים סרמידים, המבוססים על ספינגואיד, מבצעים פונקציות חשובות לבריאות העור. הם מסייעים ביצירת האפידרמיס, המשמשת כשכבת העור החיצונית ביותר המגנה מפני הסביבה ומונעת אובדן מים. קרמידים פועלים כמבשרים למטבוליזם של ספינגוליפידים; מטבוליזם פעיל של שומנים בדם מתרחש בתוך העור. ספינגוליפידים מהווים ליפידים מבניים ומאותתים הנמצאים בעור. Sphingomyelins, עשויים ceramides, נפוצים במערכת העצבים ומסייעים נוירונים מוטוריים לשרוד.

ליפידים ממלאים תפקיד גם באיתות התאים. במערכת העצבים המרכזית וההיקפית, הליפידים שולטים על נזילות הממברנות ומסייעים בהעברת אותות חשמליים. ליפידים עוזרים לייצב את הסינפסות.

ליפידים חיוניים לצמיחה, למערכת חיסונית בריאה ולהתרבות. ליפידים מאפשרים לגוף לאחסן ויטמינים בכבד כמו הויטמינים A, D, E ו- K. המסיסים בשומן. כולסטרול משמש מבשר להורמונים כמו אסטרוגן וטסטוסטרון. זה גם מייצר חומצות מרה, הממיסות שומן. הכבד והמעיים מהווים כ -80 אחוזים מהכולסטרול, ואילו השאר מתקבלים ממזון.

בדרך כלל, שומנים מן החי הם רוויים ולכן מוצקים, ואילו שמנים צמחיים נוטים להיות בלתי רוויים ולכן נוזלים. בעלי חיים אינם יכולים לייצר שומנים בלתי רוויים, ולכן יש לצרוך שומנים אלה מיצרנים כמו צמחים ואצות. בתורם, בעלי חיים שאוכלים את אותם צרכני צמחים (כמו דגי מים קרים) מרוויחים את אותם שומנים מועילים. שומנים בלתי רוויים הם השומנים הבריאים ביותר לאכול מכיוון שהם מקטינים את הסיכון למחלות. דוגמאות לשומנים אלה כוללים שמנים כמו שמני זית וחמניות, כמו גם זרעים, אגוזים ודגים. ירקות ירוקים עלים הם גם מקורות טובים לשומנים בלתי רוויים בתזונה. חומצות השומן בעלים משמשות בכלורופלסטים.

שומנים טרנסאניים הם שמנים שמקורם במישור חלקי הדומים לשומנים רוויים. בעבר שימשו בבישול, שומני טרנס נחשבים כיום לא בריאים לצריכה.

יש לצרוך שומנים רוויים פחות משומנים בלתי רוויים מכיוון ששומנים רוויים עלולים להגביר את הסיכון למחלות. דוגמאות לשומנים רוויים כוללות בשר מן החי האדום ומוצרי חלב שומניים וכן שמן קוקוס ושמן דקלים.

כאשר אנשי מקצוע בתחום הרפואה מתייחסים לשומנים כאל שומני דם, זה מתאר את סוג השומנים הנדונים לעיתים קרובות בנוגע לבריאות הלב וכלי הדם, ובמיוחד כולסטרול. ליפופרוטאינים מסייעים בהובלת כולסטרול דרך הגוף. ליפופרוטאין בצפיפות גבוהה (HDL) מתייחס לכולסטרול שהוא שומן "טוב". זה עוזר בהסרת כולסטרול רע דרך הכבד. הכולסטרולים "הרעים" כוללים LDL, IDL, VLDL וטריגליצרידים מסוימים. שומנים רעים מגבירים את הסיכון להתקף לב ושבץ בגלל הצטברותם כרובד, מה שעלול להוביל לסתום בעורקים. לכן איזון השומנים הוא קריטי לבריאות.

מצבי עור דלקתיים עשויים להפיק תועלת מצריכת שומנים מסוימים כגון חומצה איקוספנטאנואית (EPA) וחומצה דוקסהקסואנואית (DHA). הוכח כי EPA משנה את פרופיל הסרמיד של העור.

מספר מחלות קשורות לשומנים בגוף האדם. היפרטריגליצרידמיה, מצב של טריגליצרידים גבוהים בדם, עלול להוביל לדלקת בלבלב. מספר תרופות פועלות להפחתת הטריגליצרידים, למשל על ידי אנזימים המורידים שומנים בדם. הפחתת טריגליצרידים גבוהה נמצאה גם אצל אנשים מסוימים על ידי תוספות רפואיות באמצעות שמן דגים.

היפר כולסטרולמיה (כולסטרול גבוה בדם) יכול להיות נרכש או גנטי. אנשים הסובלים מהיפרכולסטרולמיה משפחתית הם בעלי ערכי כולסטרול גבוהים במיוחד שלא ניתן לשלוט בהם באמצעות תרופות. זה מגדיל מאוד את הסיכון להתקף לב ולשבץ מוחי, כאשר אנשים רבים מתים לפני שמגיעים לגיל 50.

מחלות גנטיות המביאות להצטברות שומנים גבוהה בכלי הדם מכונות מחלות אגירת שומנים בדם. אחסון שומן מוגזם זה מניב השפעות מזיקות על המוח וחלקים אחרים בגוף. כמה דוגמאות למחלות איחסון ליפידים כוללות מחלת פאברי, מחלת גושה, מחלת נימן-פיק, מחלת סנדהוף וטיי-זאקס. למרבה הצער, רבים ממחלות איחסון השומנים הללו מביאות למחלות ולמוות בגיל צעיר.

ליפידים ממלאים תפקיד גם במחלות נוירונים מוטוריים (MND), מכיוון שמצבים אלה מאופיינים לא רק בניוון נוירונים מוטורי ובמוות אלא גם בבעיות בחילוף החומרים בשומנים. ב- MND, השומנים המבניים של מערכת העצבים המרכזית משתנים, וזה משפיע על הממברנות ועל איתות התאים. לדוגמא, יתר מטבוליזם מתרחש עם טרשת לרוחב amyotrophic (ALS). נראה שיש קשר בין תזונה (במקרה זה, לא מספיק צריכת קלוריות שומנים בדם) לבין סיכון לפתח ALS. שומנים גבוהים יותר תואמים לתוצאות טובות יותר עבור חולי ALS. תרופות המכוונות לספינגוליפידים נחשבות כטיפולים לחולי ALS. יש צורך במחקר נוסף כדי להבין טוב יותר את המנגנונים המעורבים ולספק אפשרויות טיפול מתאימות.

בניוון שרירים בעמוד השדרה (SMA), מחלה אוטוזומלית רצסיבית גנטית, לא משתמשים בשומנים כראוי לצורך אנרגיה. אנשים עם SMA הם בעלי מסת שומן גבוהה במצב צריכת קלוריות נמוכה. לכן, שוב, תפקוד לקוי של חילוף החומרים בשומנים ממלא תפקיד מרכזי במחלת נוירון מוטורית.

ישנן עדויות לחומצות שומן מסוג אומגה 3 הממלאות תפקיד מועיל במחלות ניווניות כמו מחלות אלצהיימר ופרקינסון. זה לא הוכיח את המקרה ל- ALS, ולמעשה נמצאה השפעה הפוכה של רעילות בדגמי עכברים.

מדענים ממשיכים לגלות ליפידים חדשים. נכון לעכשיו, ליפידים אינם נחקרים ברמת חלבונים ולכן הם פחות מובנים. רוב הסיווג הנוכחי של השומנים בדם הסתמך על כימאים וביופיזיקאים, עם דגש על מבנה ולא על תפקוד. בנוסף, זה היה מאתגר להקניט את תפקודי השומנים בגלל נטייתם לשלב עם חלבונים. קשה גם להבהיר את תפקוד השומנים בתאים חיים. תהודה מגנטית גרעינית (NMR) וספקטרומטריית מסה (MS) מניבים זיהוי ליפידים כלשהו בעזרת תוכנת מחשוב. עם זאת, יש צורך ברזולוציה טובה יותר במיקרוסקופ כדי לקבל תובנה לגבי מנגנוני ותפקודי השומנים. במקום לנתח קבוצה של תמציות ליפידים, יהיה צורך בטרשת נפוצה ספציפית יותר בכדי לבודד את השומנים מתחמי החלבון שלהם. תיוג איזוטופ יכול לשמש לשיפור ההדמיה ולכן הזיהוי.

ברור כי ליפידים, בנוסף למאפיינים המבניים והאנרגטיים הידועים שלהם, ממלאים תפקיד בתפקודים מוטוריים חשובים ובאותות. ככל שהטכנולוגיה משתפרת לזיהוי והדמיה של ליפידים, יהיה צורך במחקר נוסף כדי לוודא את תפקוד השומנים. בסופו של דבר, התקווה היא כי ניתן לעצב סמנים שלא ישבשו יותר מדי את תפקוד השומנים. היכולת לתפעל את תפקוד השומנים ברמות תת-תאיות יכולה לספק פריצת דרך מחקרית. זה יכול לחולל מהפכה במדע באותה צורה שיש למחקר חלבונים. בתורו, ניתן לייצר תרופות חדשות העשויות לסייע לאלו הסובלים מהפרעות שומנים בדם.