Lipidy: definicja, struktura, funkcja i przykłady

Lipidy to grupa związków, takich jak tłuszcze, oleje, sterydy i woski występujące w organizmach żywych. Zarówno prokarionty, jak i eukarionty posiadają lipidy, które z biologicznego punktu widzenia odgrywają wiele ważnych funkcji, takich jak tworzenie błon, ochrona, izolacja, magazynowanie energii, podział komórek i wiele innych. W medycynie lipidy odnoszą się do tłuszczów we krwi.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Lipidy to tłuszcze, oleje, sterydy i woski występujące w organizmach żywych. Lipidy pełnią wiele funkcji w różnych gatunkach, w zakresie magazynowania energii, ochrony, izolacji, podziału komórek i innych ważnych ról biologicznych.

Lipidy składają się z trójglicerydów, które składają się z glicerolu alkoholowego oraz kwasów tłuszczowych. Dodatki do tej podstawowej struktury dają dużą różnorodność lipidów. Do tej pory odkryto ponad 10 000 rodzajów lipidów, a wiele z nich wykorzystuje ogromną różnorodność białek do metabolizmu komórkowego i transportu materiałów. Lipidy są znacznie mniejsze niż białka.

Kwasy tłuszczowe są jednym z rodzajów lipidów i służą również jako budulec dla innych lipidów. Kwasy tłuszczowe zawierają grupy karboksylowe (-COOH) związane z łańcuchem węglowym z przyłączonymi wodorami. Ten łańcuch jest nierozpuszczalny w wodzie. Kwasy tłuszczowe mogą być nasycone lub nienasycone. Nasycone kwasy tłuszczowe mają pojedyncze wiązania węglowe, podczas gdy nienasycone kwasy tłuszczowe mają podwójne wiązania węglowe. Kiedy nasycone kwasy tłuszczowe łączą się z triglicerydami, w temperaturze pokojowej powstają tłuszcze stałe. Dzieje się tak, ponieważ ich struktura powoduje, że są ciasno upakowane. Natomiast nienasycone kwasy tłuszczowe w połączeniu z triglicerydami mają tendencję do tworzenia płynnych olejów. Załamana struktura tłuszczów nienasyconych daje luźniejszą, bardziej płynną substancję w temperaturze pokojowej.

Fosfolipidy składają się z triglicerydów z grupą fosforanową podstawioną w miejscu kwasu tłuszczowego. Można je opisać jako posiadające naładowaną głowę i ogon węglowodorowy. Ich głowy są hydrofilowe lub lubią wodę, podczas gdy ich ogony są hydrofobowe lub odpychają wodę.

Innym przykładem lipidu jest cholesterol. Cholesterole układają się w sztywne struktury pierścieniowe składające się z pięciu lub sześciu atomów węgla, z przyłączonymi wodorami i elastycznym ogonem węglowodorowym. Pierwszy pierścień zawiera grupę hydroksylową, która rozciąga się na środowiska wodne błon komórkowych zwierząt. Jednak reszta cząsteczki jest nierozpuszczalna w wodzie.

Wielonienasycone kwasy tłuszczowe (PUFA) to lipidy, które wspomagają płynność błony. PUFA uczestniczą w sygnalizacji komórkowej związanej z zapaleniem nerwowym i metabolizmem energetycznym. Mogą zapewniać działanie neuroprotekcyjne jako kwasy tłuszczowe omega-3, a w tym preparacie działają przeciwzapalnie. W przypadku kwasów tłuszczowych omega-6 PUFA mogą powodować stan zapalny.

Sterole to lipidy znajdujące się w błonach roślinnych. Glikolipidy są lipidami połączonymi z węglowodanami i stanowią część pul lipidów komórkowych.

Lipidy odgrywają kilka ról w organizmach. Lipidy tworzą bariery ochronne. Obejmują one błony komórkowe i część struktury ścian komórkowych roślin. Lipidy zapewniają magazynowanie energii roślinom i zwierzętom. Dość często lipidy funkcjonują obok białek. Na funkcje lipidów mogą wpływać zmiany ich polarnych grup głów, a także ich łańcuchów bocznych.

Fosfolipidy stanowią podstawę dwuwarstw lipidowych, z ich amfipatyczną naturą, które tworzą błony komórkowe. Warstwa zewnętrzna oddziałuje z wodą, podczas gdy warstwa wewnętrzna istnieje jako elastyczna substancja oleista. Płynny charakter błon komórkowych pomaga w ich funkcjonowaniu. Lipidy tworzą nie tylko błony plazmatyczne, ale także przedziały komórkowe, takie jak otoczka jądrowa, retikulum endoplazmatyczne (ER), aparat Golgiego i pęcherzyki.

Lipidy biorą również udział w podziale komórek. Dzielące się komórki regulują zawartość lipidów w zależności od cyklu komórkowego. Co najmniej 11 lipidów bierze udział w aktywności cyklu komórkowego. Sfingolipidy odgrywają rolę w cytokinezie podczas interfazy. Ponieważ podział komórek powoduje napięcie błony komórkowej, lipidy wydają się pomagać w mechanicznych aspektach podziału, takich jak sztywność błony.

Lipidy zapewniają bariery ochronne dla wyspecjalizowanych tkanek, takich jak nerwy. Ochronna otoczka mielinowa otaczająca nerwy zawiera lipidy.

Lipidy dostarczają największą ilość energii ze spożycia, posiadając ponad dwukrotnie więcej energii niż białka i węglowodany. Organizm rozkłada tłuszcze podczas trawienia, niektóre na potrzeby natychmiastowej energii, a inne do przechowywania. Organizm wykorzystuje magazyn lipidów do ćwiczeń, używając lipaz do rozbicia tych lipidów i ostatecznie do wytwarzania większej ilości adenozynotrójfosforanu (ATP) do zasilania komórek.

W roślinach oleje z nasion, takie jak triacyloglicerole (TAG) zapewniają przechowywanie żywności do kiełkowania nasion i wzrostu zarówno u roślin okrytonasiennych, jak i nagonasiennych. Oleje te są przechowywane w ciałach oleistych (OB) i chronione przez fosfolipidy i białka zwane oleozynami. Wszystkie te substancje są wytwarzane przez retikulum endoplazmatyczne (ER). Pąki ciała oleistego z ER.

Lipidy dostarczają roślinom energii niezbędnej do ich procesów metabolicznych i sygnałów między komórkami. Łyko, jedna z głównych transportowych części roślin (wraz z ksylemem), zawiera lipidy takie jako cholesterol, sitosterol, kamposterol, stigmasterol i kilka różnych hormonów lipofilowych i molekuły. Różne lipidy mogą odgrywać rolę w sygnalizacji uszkodzenia rośliny. Fosfolipidy w roślinach działają również w odpowiedzi na stresory środowiskowe na roślinach, a także w odpowiedzi na infekcje patogenami.

U zwierząt lipidy służą również jako izolacja od środowiska i ochrona ważnych narządów. Lipidy zapewniają również pływalność i wodoodporność.

Lipidy zwane ceramidami, które są oparte na sfingoidach, pełnią ważne funkcje dla zdrowia skóry. Pomagają w tworzeniu naskórka, który stanowi najbardziej zewnętrzną warstwę skóry, która chroni przed wpływem środowiska i zapobiega utracie wody. Ceramidy działają jako prekursory metabolizmu sfingolipidów; w skórze zachodzi aktywny metabolizm lipidów. Sfingolipidy tworzą lipidy strukturalne i sygnalizacyjne znajdujące się w skórze. Sfingomieliny, wykonane z ceramidów, są powszechne w układzie nerwowym i pomagają przetrwać neuronom ruchowym.

Lipidy odgrywają również rolę w sygnalizacji komórkowej. W ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym lipidy kontrolują płynność błon i pomagają w przekazywaniu sygnałów elektrycznych. Lipidy pomagają stabilizować synapsy.

Lipidy są niezbędne do wzrostu, zdrowego układu odpornościowego i reprodukcji. Lipidy umożliwiają organizmowi magazynowanie witamin w wątrobie, takich jak rozpuszczalne w tłuszczach witaminy A, D, E i K. Cholesterol służy jako prekursor dla hormonów, takich jak estrogen i testosteron. Wytwarza również kwasy żółciowe, które rozpuszczają tłuszcz. Wątroba i jelita wytwarzają około 80 procent cholesterolu, podczas gdy reszta jest pozyskiwana z pożywienia.

Generalnie tłuszcze zwierzęce są nasycone, a zatem stałe, podczas gdy oleje roślinne są zazwyczaj nienasycone, a zatem płynne. Zwierzęta nie mogą wytwarzać tłuszczów nienasyconych, więc tłuszcze te muszą być spożywane od producentów, takich jak rośliny i algi. Z kolei zwierzęta żywiące się tymi konsumentami roślin (takie jak ryby zimnowodne) zyskują te korzystne tłuszcze. Tłuszcze nienasycone są najzdrowszymi tłuszczami do spożycia, ponieważ zmniejszają ryzyko chorób. Przykładami tych tłuszczów są oleje, takie jak oliwa i olej słonecznikowy, a także nasiona, orzechy i ryby. Zielone warzywa liściaste są również dobrym źródłem nienasyconych tłuszczów w diecie. Kwasy tłuszczowe z liści są wykorzystywane w chloroplastach.

Tłuszcze trans to częściowo uwodornione oleje roślinne, które przypominają tłuszcze nasycone. Tłuszcze trans, używane wcześniej w kuchni, są obecnie uważane za niezdrowe do spożycia.

Tłuszcze nasycone powinny być spożywane mniej niż tłuszcze nienasycone, ponieważ tłuszcze nasycone mogą zwiększać ryzyko choroby. Przykładami tłuszczów nasyconych są czerwone mięso zwierzęce i tłuste produkty mleczne, a także olej kokosowy i olej palmowy.

Kiedy lekarze nazywają lipidy tłuszczami we krwi, opisuje to rodzaj tłuszczów często omawianych w odniesieniu do zdrowia sercowo-naczyniowego, w szczególności cholesterolu. Lipoproteiny pomagają w transporcie cholesterolu przez organizm. Lipoproteina o wysokiej gęstości (HDL) odnosi się do cholesterolu, który jest „dobrym” tłuszczem. Służy do usuwania złego cholesterolu przez wątrobę. „Złe” cholesterole obejmują LDL, IDL, VLDL i niektóre trójglicerydy. Złe tłuszcze zwiększają ryzyko zawału serca i udaru mózgu ze względu na ich nagromadzenie w postaci płytki nazębnej, co może prowadzić do zatkania tętnic. Dlatego równowaga lipidów ma kluczowe znaczenie dla zdrowia.

W stanach zapalnych skóry korzystne może być spożywanie niektórych lipidów, takich jak kwas eikozapentaenowy (EPA) i kwas doksaheksaenowy (DHA). Wykazano, że EPA zmienia profil ceramidowy skóry.

Wiele chorób jest związanych z lipidami w ludzkim ciele. Hipertriglicerydemia, stan wysokiego stężenia trójglicerydów we krwi, może prowadzić do zapalenia trzustki. Wiele leków działa w celu zmniejszenia poziomu trójglicerydów, na przykład przez enzymy rozkładające tłuszcze we krwi. Wysoka redukcja trójglicerydów została również stwierdzona u niektórych osób poprzez suplementację medyczną olejem rybim.

Hipercholesterolemia (wysoki poziom cholesterolu we krwi) może być nabyta lub genetyczna. Osoby z rodzinną hipercholesterolemią mają wyjątkowo wysokie wartości cholesterolu, których nie można kontrolować za pomocą leków. To znacznie zwiększa ryzyko zawału serca i udaru mózgu, a wiele osób umiera przed osiągnięciem 50 roku życia.

Choroby genetyczne, które powodują dużą akumulację lipidów w naczyniach krwionośnych, określane są jako choroby spichrzania lipidów. To nadmierne magazynowanie tłuszczu ma szkodliwy wpływ na mózg i inne części ciała. Niektóre przykłady chorób spichrzania lipidów obejmują chorobę Fabry'ego, chorobę Gauchera, chorobę Niemanna-Picka, chorobę Sandhoffa i Taya-Sachsa. Niestety, wiele z tych chorób spichrzania lipidów prowadzi do choroby i śmierci w młodym wieku.

Lipidy odgrywają również rolę w chorobach neuronu ruchowego (MND), ponieważ stany te charakteryzują się nie tylko degeneracją i śmiercią neuronów ruchowych, ale także problemami z metabolizmem lipidów. W MND zmieniają się strukturalne lipidy ośrodkowego układu nerwowego, co wpływa zarówno na sygnalizację błonową, jak i komórkową. Na przykład hipermetabolizm występuje przy stwardnieniu zanikowym bocznym (ALS). Wydaje się, że istnieje związek między odżywianiem (w tym przypadku niewystarczającą ilością spożywanych kalorii tłuszczowych) a ryzykiem rozwoju ALS. Wyższe lipidy odpowiadają lepszym wynikom u pacjentów z ALS. Leki skierowane na sfingolipidy są uważane za leczenie pacjentów z ALS. Potrzebne są dalsze badania, aby lepiej zrozumieć zaangażowane mechanizmy i zapewnić odpowiednie opcje leczenia.

W rdzeniowym zaniku mięśni (SMA), genetycznie autosomalnej recesywnej chorobie, lipidy nie są właściwie wykorzystywane jako energia. Osoby z SMA mają wysoką masę tłuszczu przy niskim spożyciu kalorii. Dlatego ponownie, dysfunkcja metabolizmu lipidów odgrywa główną rolę w chorobie neuronu ruchowego.

Istnieją dowody na to, że kwasy tłuszczowe omega-3 odgrywają korzystną rolę w takich chorobach zwyrodnieniowych, jak choroba Alzheimera i Parkinsona. Okazało się, że tak nie jest w przypadku ALS, aw rzeczywistości w modelach mysich stwierdzono odwrotny efekt toksyczności.

Naukowcy wciąż odkrywają nowe lipidy. Obecnie lipidy nie są badane na poziomie białek i dlatego są mniej poznane. Znaczna część obecnej klasyfikacji lipidów opierała się na chemikach i biofizykach, z naciskiem na strukturę, a nie funkcję. Dodatkowo wyzwaniem było wyodrębnienie funkcji lipidów ze względu na ich tendencję do łączenia się z białkami. Trudno też wyjaśnić funkcję lipidów w żywych komórkach. Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) i spektrometria masowa (MS) pozwalają na pewną identyfikację lipidów za pomocą oprogramowania obliczeniowego. Jednak potrzebna jest lepsza rozdzielczość w mikroskopii, aby uzyskać wgląd w mechanizmy i funkcje lipidów. Zamiast analizować grupę ekstraktów lipidowych, potrzebne będzie bardziej specyficzne SM do wyizolowania lipidów z ich kompleksów białkowych. Znakowanie izotopowe może służyć poprawie wizualizacji, a tym samym identyfikacji.

Oczywiste jest, że lipidy, oprócz swoich znanych właściwości strukturalnych i energetycznych, odgrywają rolę w ważnych funkcjach motorycznych i sygnalizacji. Wraz z rozwojem technologii identyfikacji i wizualizacji lipidów, potrzebne będą dalsze badania w celu ustalenia funkcji lipidów. W końcu istnieje nadzieja, że ​​można by zaprojektować markery, które nie zaburzałyby nadmiernie funkcji lipidów. Możliwość manipulowania funkcją lipidów na poziomie subkomórkowym może stanowić przełom w badaniach. Może to zrewolucjonizować naukę w podobny sposób, jak badania nad białkami. Z kolei mogłyby powstać nowe leki, które potencjalnie pomogłyby osobom cierpiącym na zaburzenia lipidowe.