Ліпіди: визначення, структура, функціонування та приклади

Ліпіди складають групу сполук, таких як жири, олії, стероїди та віск, що містяться в живих організмах. Як прокаріоти, так і еукаріоти мають ліпіди, які в біологічному плані відіграють багато важливих ролей, таких як утворення мембран, захист, ізоляція, накопичення енергії, поділ клітин тощо. У медицині ліпіди відносяться до жирів крові.

TL; DR (занадто довгий; Не читав)

Ліпіди позначають жири, олії, стероїди та віск, що містяться в живих організмах. Ліпіди виконують різні функції у різних видів для зберігання енергії, захисту, ізоляції, поділу клітин та інших важливих біологічних ролей.

Ліпіди складаються з тригліцеридів, що виготовляються із спиртового гліцерину та жирних кислот. Додавання до цієї базової структури дають велике різноманіття ліпідів. На сьогодні відкрито понад 10 000 видів ліпідів, і багато з них працюють з величезним різноманіттям білків для клітинного метаболізму та транспортування речовин. Ліпіди значно менші за білки.

Жирні кислоти є одним із видів ліпідів і служать будівельним матеріалом для інших ліпідів. Жирні кислоти містять карбоксильні (-СООН) групи, пов'язані вуглецевим ланцюгом з приєднаними воднями. Цей ланцюг нерозчинний у воді. Жирні кислоти можуть бути насиченими або ненасиченими. Насичені жирні кислоти мають одинарні вуглецеві зв’язки, тоді як ненасичені жирні кислоти мають подвійні вуглецеві зв’язки. Коли насичені жирні кислоти поєднуються з тригліцеридами, це призводить до утворення твердих жирів при кімнатній температурі. Це пояснюється тим, що їх структура змушує їх щільно упаковуватися. Навпаки, ненасичені жирні кислоти в поєднанні з тригліцеридами, як правило, дають рідкі олії. Перекручена структура ненасичених жирів дає більш пухку, більш рідку речовину при кімнатній температурі.

Фосфоліпіди складаються з тригліцеридів з фосфатною групою, заміщеною жирною кислотою. Їх можна описати як заряджену головку та вуглеводневий хвіст. Їх голови гідрофільні або водолюбні, тоді як хвости гідрофобні або відлякують воду.

Іншим прикладом ліпідів є холестерин. Холестероли розташовуються у жорсткі кільцеві структури з п’яти або шести атомів вуглецю з приєднаними воднями та гнучким вуглеводневим хвостом. Перше кільце містить гідроксильну групу, яка проникає у водне середовище мембран клітин тварин. Решта молекули, однак, не розчиняється у воді.

Поліненасичені жирні кислоти (ПНЖК) - це ліпіди, які сприяють плинності мембран. ПНЖК беруть участь у клітинних сигналах, пов’язаних із нервовим запаленням та енергетичним метаболізмом. Вони можуть надавати нейропротекторні ефекти як омега-3 жирні кислоти, і в цьому складі вони протизапальні. Що стосується жирних кислот омега-6, ПНЖК можуть викликати запалення.

Стерини - це ліпіди, що містяться в мембранах рослин. Гліколіпіди - це ліпіди, пов’язані з вуглеводами і є частиною клітинних ліпідних басейнів.

Ліпіди відіграють кілька ролей в організмах. Ліпіди складають захисні бар'єри. Вони містять клітинні мембрани та деяку структуру клітинних стінок у рослин. Ліпіди забезпечують накопичення енергії для рослин і тварин. Досить часто ліпіди функціонують поряд з білками. На функції ліпідів можуть впливати зміни їх полярних груп голів, а також їх бічних ланцюгів.

Фосфоліпіди формують фундамент ліпідних бішарів з їх амфіпатичною природою, що складають клітинні мембрани. Зовнішній шар взаємодіє з водою, тоді як внутрішній шар існує як гнучка масляниста речовина. Рідка природа клітинних мембран сприяє їх функції. Ліпіди складають не тільки плазматичні мембрани, але також клітинні відділи, такі як ядерна оболонка, ендоплазматичний ретикулум (ER), апарат Гольджі та везикули.

Ліпіди також беруть участь у поділі клітин. Розділювальні клітини регулюють вміст ліпідів залежно від клітинного циклу. Щонайменше 11 ліпідів бере участь у діяльності клітинного циклу. Сфінголіпіди відіграють певну роль у цитокінезі під час інтерфази. Оскільки поділ клітин призводить до натягу плазматичної мембрани, ліпіди допомагають вирішувати такі механічні аспекти поділу, як жорсткість мембрани.

Ліпіди забезпечують захисні бар'єри для спеціалізованих тканин, таких як нерви. Захисна мієлінова оболонка, що оточує нерви, містить ліпіди.

Ліпіди забезпечують найбільшу кількість енергії при споживанні, маючи в два рази більше енергії, ніж білки та вуглеводи. Тіло розщеплює жири під час травлення, деякі для негайних потреб у енергії, а інші для зберігання. Тіло використовує накопичувач ліпідів для фізичних вправ, використовуючи ліпази для розщеплення цих ліпідів і, зрештою, для отримання більшої кількості аденозинтрифосфату (АТФ) для живлення клітин.

У рослинах насіннєві олії, такі як триацилгліцероли (ТАГ), забезпечують зберігання їжі для проростання насіння та росту як покритонасінних, так і голонасінних рослин. Ці олії зберігаються в масляних тілах (ОВ) і захищаються фосфоліпідами та білками, які називаються олеозинами. Всі ці речовини виробляються ендоплазматичним сітком (ER). Масляне тіло зароджується від ER.

Ліпіди дають рослинам необхідну енергію для їх обмінних процесів та сигнали між клітинами. Флоема, одна з основних транспортних частин рослин (разом із ксилемою), містить такі ліпіди як холестерин, ситостерин, кампостерол, стигмастерол та кілька різних ліпофільних гормонів та молекули. Різні ліпіди можуть відігравати певну роль у сигналізації, коли рослина пошкоджена. Фосфоліпіди в рослинах також працюють у відповідь на стресові фактори навколишнього середовища на рослинах, а також у відповідь на інфекції патогенів.

У тварин ліпіди також служать ізоляцією від навколишнього середовища та захистом життєво важливих органів. Ліпіди також забезпечують плавучість та гідроізоляцію.

Ліпіди, які називаються керамідами, на основі сфінгоїдів, виконують важливі функції для здоров’я шкіри. Вони допомагають формувати епідерміс, який виконує функцію зовнішнього шару шкіри, який захищає від навколишнього середовища та запобігає втраті води. Кераміди працюють як попередники метаболізму сфінголіпідів; в шкірі відбувається активний ліпідний обмін. Сфінголіпіди складають структурні та сигнальні ліпіди, що містяться в шкірі. Сфінгомієліни, виготовлені з керамідів, поширені в нервовій системі і допомагають моторним нейронам виживати.

Ліпіди також відіграють певну роль у передачі сигналів клітинам. У центральній та периферичній нервовій системах ліпіди контролюють плинність мембран та допомагають у передачі електричного сигналу. Ліпіди допомагають стабілізувати синапси.

Ліпіди необхідні для росту, здорової імунної системи та розмноження. Ліпіди дозволяють організму зберігати в печінці такі вітаміни, як жиророзчинні вітаміни A, D, E та K. Холестерин служить попередником для таких гормонів, як естроген і тестостерон. Він також виробляє жовчні кислоти, які розчиняють жир. Печінка і кишечник складають приблизно 80 відсотків холестерину, тоді як решта отримується з їжею.

Як правило, тваринні жири є насиченими і, отже, твердими, тоді як рослинні олії, як правило, є ненасиченими і тому рідкими. Тварини не можуть виробляти ненасичені жири, тому ці жири повинні споживатися такими виробниками, як рослини та водорості. У свою чергу, тварини, які їдять цих споживачів рослин (наприклад, холодноводні риби), отримують ці корисні жири. Ненасичені жири є найбільш корисними для вживання, оскільки вони зменшують ризик захворювань. Прикладами цих жирів є олії, такі як оливкова та соняшникова олії, а також насіння, горіхи та риба. Листяні зелені овочі - також хороші джерела ненасичених дієтичних жирів. Жирні кислоти в листі використовуються в хлоропластах.

Транс-жири - це частково гідровані планові олії, що нагадують насичені жири. Раніше використовувані в кулінарії трансжири зараз вважаються шкідливими для споживання.

Насичених жирів слід вживати менше, ніж ненасичених, оскільки насичені жири можуть збільшити ризик захворювання. Прикладами насичених жирів є червоне м'ясо тварин та жирні молочні продукти, а також кокосова олія та пальмова олія.

Коли медичні працівники називають ліпіди жирами крові, це описує типи жирів, які часто обговорюються щодо здоров’я серцево-судинної системи, особливо холестерину. Ліпопротеїни допомагають транспортувати холестерин через організм. Ліпопротеїн високої щільності (ЛПВЩ) відноситься до холестерину, який є “хорошим” жиром. Він допомагає виводити шкідливий холестерин через печінку. До «поганих» холестеролів належать ЛПНЩ, ЛПНЩ, ЛПНЩ та деякі тригліцериди. Погані жири збільшують ризик серцевого нападу та інсульту через накопичення їх у вигляді нальоту, що може призвести до засмічення артерій. Тому баланс ліпідів має вирішальне значення для здоров'я.

Запальні шкірні захворювання можуть отримати користь від споживання деяких ліпідів, таких як ейкозапентаенова кислота (EPA) та доксагексаєнова кислота (DHA). Показано, що EPA змінює керамідний профіль шкіри.

Ряд захворювань пов’язаний з ліпідами в організмі людини. Гіпертригліцеридемія, стан високого рівня тригліцеридів у крові, може призвести до панкреатиту. Ряд ліків працює для зниження рівня тригліцеридів, наприклад, завдяки ферментам, які погіршують жири в крові. Високе зниження рівня тригліцеридів також було виявлено у деяких людей за допомогою медичних добавок через риб’ячий жир.

Гіперхолестеринемія (високий рівень холестерину в крові) може бути набутою або генетичною. Особи з сімейною гіперхолестеринемією мають надзвичайно високі показники холестерину, які неможливо контролювати за допомогою ліків. Це значно збільшує ризик серцевого нападу та інсульту, оскільки багато людей помирають до досягнення 50-річного віку.

Генетичні захворювання, наслідком яких є накопичення ліпідів у кровоносних судинах, називають захворюваннями зберігання ліпідів. Це надмірне накопичення жиру призводить до шкідливих наслідків для мозку та інших частин тіла. Деякі приклади хвороб зберігання ліпідів включають хворобу Фабрі, хворобу Гоше, хворобу Німана-Піка, хворобу Сандгоффа та Тей-Сакса. На жаль, багато з цих хвороб зберігання ліпідів призводять до хвороб та смерті в молодому віці.

Ліпіди також відіграють певну роль у захворюваннях рухових нейронів, оскільки ці стани характеризуються не тільки дегенерацією та смертю рухових нейронів, але й проблемами з ліпідним обміном. При MND змінюються структурні ліпіди центральної нервової системи, і це впливає як на мембрани, так і на клітинні сигнали. Наприклад, гіперметаболізм виникає при аміотрофічному бічному склерозі (БАС). Здається, існує зв'язок між харчуванням (в даному випадку недостатньо споживаних ліпідних калорій) та ризиком розвитку АЛС. Більш високі ліпіди відповідають кращим результатам для пацієнтів з БАС. Ліки, спрямовані на сфінголіпіди, розглядаються як лікування пацієнтів з БАС. Потрібні додаткові дослідження, щоб краще зрозуміти механізми, що беруть участь, та надати належні варіанти лікування.

При спінальної м’язовій атрофії (SMA), генетичному аутосомно-рецесивному захворюванні, ліпіди не використовуються належним чином для отримання енергії. Особи SMA мають високу жирову масу при низькому споживанні калорій. Тому, знову ж таки, дисфункція ліпідного обміну відіграє важливу роль у захворюванні моторних нейронів.

Існують дані про те, що омега-3 жирні кислоти відіграють корисну роль при таких дегенеративних захворюваннях, як хвороба Альцгеймера та Паркінсона. Доведено, що це не стосується БАС, і насправді протилежний ефект токсичності був виявлений на мишачих моделях.

Вчені продовжують відкривати нові ліпіди. В даний час ліпіди не вивчаються на рівні білків і, отже, менш вивчені. Більша частина сучасної класифікації ліпідів покладалася на хіміків та біофізиків, з акцентом на структуру, а не на функцію. Крім того, складно викликати функції ліпідів через їхню тенденцію до поєднання з білками. Також важко з’ясувати функцію ліпідів у живих клітинах. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) та мас-спектрометрія (МС) дають певну ідентифікацію ліпідів за допомогою обчислювального програмного забезпечення. Однак необхідна краща роздільна здатність при мікроскопії, щоб отримати уявлення про ліпідні механізми та функції. Замість того, щоб аналізувати групу ліпідних екстрактів, для виділення ліпідів з їх білкових комплексів будуть потрібні більш конкретні РС. Позначення ізотопів може слугувати поліпшенню візуалізації, а отже і ідентифікації.

Зрозуміло, що ліпіди, крім відомих їм структурних та енергетичних характеристик, відіграють роль у важливих рухових функціях та сигналізації. Оскільки технологія вдосконалюється для ідентифікації та візуалізації ліпідів, знадобляться додаткові дослідження для встановлення функції ліпідів. Зрештою, надія полягає в тому, що можуть бути розроблені маркери, які не будуть надмірно порушувати функцію ліпідів. Можливість маніпулювати функцією ліпідів на субклітинному рівні може забезпечити прорив у дослідженні. Це може зробити революцію в науці приблизно так само, як і дослідження білків. У свою чергу, можуть бути виготовлені нові ліки, які потенційно допоможуть тим, хто страждає від розладів ліпідів.