21.4: Struktura lipidów

Lipidy obejmują zróżnicowaną grupę związków, które w dużej mierze mają charakter niepolarny. Dzieje się tak, ponieważ są to węglowodory zawierające głównie niepolarne wiązania węgiel-węgiel lub węgiel-wodór. Cząsteczki niepolarne są hydrofobowe („bojące się wody”) lub nierozpuszczalne w wodzie. Lipidy pełnią w komórce wiele różnych funkcji. Komórki magazynują energię do długotrwałego wykorzystania w postaci tłuszczów. Lipidy zapewniają także roślinom i zwierzętom izolację od środowiska. Na przykład pomagają utrzymać suchość ptaków i ssaków wodnych podczas tworzenia warstwy ochronnej na futrze lub piórach ze względu na ich hydrofobowy charakter i hydrofobowość. Lipidy są także budulcem wielu hormonów i ważnym składnikiem wszystkich błon komórkowych. Lipidy obejmują tłuszcze, oleje, woski, fosfolipidy i steroidy.

Ogólna struktura lipidów

Cząsteczka tłuszczu składa się z dwóch głównych składników – gliceryny i kwasów tłuszczowych. Glicerol to związek organiczny (alkohol) posiadający trzy atomy węgla, pięć wodorów i trzy grupy hydroksylowe (OH). Kwasy tłuszczowe mają długi łańcuch węglowodorów, do którego przyłączona jest grupa karboksylowa, stąd nazwa „kwas tłuszczowy”. Liczba atomów węgla w kwasie tłuszczowym może wynosić od 4 do 36. Najczęściej spotykane są te zawierające 12–18 atomów węgla. W cząsteczce tłuszczu kwasy tłuszczowe przyłączają się do każdego z trzech atomów węgla cząsteczki glicerolu za pomocą wiązania estrowego poprzez atom tlenu. Połączenie trzech kwasów tłuszczowych ze szkieletem glicerolu w reakcji odwodnienia tworzy triacyloglicerol. Trzy kwasy tłuszczowe w triacyloglicerolu mogą być podobne lub niepodobne.

Fosfolipidy to kolejny powszechny rodzaj lipidów. Jest cząsteczką amfipatyczną, co oznacza, że posiada część hydrofobową i hydrofilową. Łańcuchy kwasów tłuszczowych są hydrofobowe i nie mogą oddziaływać z wodą; podczas gdy grupa zawierająca fosforan jest hydrofilowa i oddziałuje z wodą. Hydrofilowe grupy główne fosfolipidów są zwrócone w stronę roztworu wodnego. Hydrofobowe ogony są zamaskowane w środku dwuwarstwy.

Kwasy tłuszczowe

Kwasy tłuszczowe mogą być nasycone lub nienasycone. W łańcuchu kwasów tłuszczowych, jeśli pomiędzy sąsiednimi atomami węgla w łańcuchu węglowodorowym występują tylko pojedyncze wiązania, kwas tłuszczowy jest nasycony. Kwas stearynowy jest przykładem nasyconego kwasu tłuszczowego.

Gdy łańcuch węglowodorowy zawiera wiązanie podwójne, kwas tłuszczowy jest nienasycony. Kwas oleinowy jest przykładem nienasyconego kwasu tłuszczowego. Większość tłuszczów nienasyconych ma postać płynną w temperaturze pokojowej i nazywane są olejami. Jeżeli w cząsteczce występuje jedno wiązanie podwójne, to jest to tłuszcz jednonienasycony (np. oliwa z oliwek), a jeśli w cząsteczce występuje więcej niż jedno wiązanie podwójne, to jest to tłuszcz wielonienasycony (np. olej rzepakowy). Długie, proste kwasy tłuszczowe z pojedynczymi wiązaniami zazwyczaj ściśle przylegają i są stałe w temperaturze pokojowej. Przykładami tłuszczów nasyconych są tłuszcze zwierzęce zawierające kwas stearynowy i palmitynowy (powszechne w mięsie) oraz tłuszcze z kwasem masłowym (powszechne w maśle).

Kwasy tłuszczowe można dodatkowo podzielić na Cis i trans. Cis i trans wskazują konfigurację cząsteczki wokół wiązania podwójnego. Jeśli wodory są obecne w tej samej płaszczyźnie, jest to tłuszcz cis. Jeśli atomy wodoru znajdują się w dwóch różnych płaszczyznach, jest to tłuszcz trans. Podwójne wiązanie cis powoduje zagięcie lub „załamanie”, które zapobiega ścisłemu upakowaniu kwasów tłuszczowych, utrzymując je w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej. Przykładami tłuszczów nienasyconych są oliwa z oliwek, olej kukurydziany, olej rzepakowy i olej z wątroby dorsza. Tłuszcze nienasycone pomagają obniżyć poziom cholesterolu we krwi, podczas gdy tłuszcze nasycone przyczyniają się do tworzenia się płytek w tętnicach.

Tłuszcze trans

Przemysł spożywczy sztucznie uwodornia oleje, aby stały się półstałe i miały konsystencję pożądaną dla wielu przetworzonych produktów spożywczych. Podczas tego procesu wiązania podwójne o konformacji cis – w łańcuchu węglowodorowym mogą przekształcić się w wiązania podwójne o konformacji trans.

Margaryna, niektóre rodzaje masła orzechowego i tłuszcz piekarski to przykłady sztucznie uwodornionych tłuszczów trans. Najnowsze badania wykazały, że wzrost zawartości tłuszczów trans w diecie człowieka może prowadzić do podwyższenia poziomu lipoprotein o małej gęstości (LDL), czyli „złego” cholesterolu, co z kolei może prowadzić do odkładania się blaszek w tętnicach, powodując choroby serca.

Kwasy Omega

Niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe to te, których organizm ludzki potrzebuje, ale których nie syntetyzuje. Dlatego należy je uzupełniać poprzez dietę. Kwasy tłuszczowe omega-3 należą do tej kategorii i są jednymi z zaledwie dwóch znanych człowiekowi (drugim jest kwas tłuszczowy omega-6). Są to wielonienasycone kwasy tłuszczowe i należą do grupy omega-3, ponieważ podwójne wiązanie łączy trzeci węgiel od końca łańcucha węglowodorowego z sąsiednim węglem.

Kwas alfa-linolenowy jest przykładem kwasu tłuszczowego omega-3. Posiada trzy podwójne wiązania cis i w rezultacie ma zakrzywiony kształt. Łosoś, pstrąg i tuńczyk są dobrymi źródłami kwasów tłuszczowych omega-3. Badania wskazują, że kwasy tłuszczowe omega-3 zmniejszają ryzyko nagłej śmierci z powodu zawału serca, obniżają poziom trójglicerydów we krwi, obniżają ciśnienie krwi i zapobiegają zakrzepicy poprzez hamowanie krzepnięcia krwi. Zmniejszają także stany zapalne i mogą pomóc zmniejszyć ryzyko niektórych nowotworów u zwierząt.

Lipidy to grupa cząsteczek hydrofobowych, które obejmują trójglicerydy, które służą do magazynowania energii, oraz fosfolipidy, które są głównymi składnikami strukturalnymi błon komórkowych.

Trójglicerydy i większość fosfolipidów składa się z łańcuchów glicerolu i kwasów tłuszczowych.

Kwasy tłuszczowe mają grupy metylowe na jednym końcu łańcucha i grupy karboksylowe na drugim końcu. Węgiel związany z grupą karboksylową nazywany jest węglem alfa, a węgiel z grupy metylowej jest znany jako węgiel omega.

Kwasy tłuszczowe różnią się długością i obecnością podwójnych wiązań w łańcuchu węglowodorowym. Te z wiązaniami podwójnymi są nienasyconymi kwasami tłuszczowymi, a te z wiązaniami pojedynczymi są kwasami tłuszczowymi nasyconymi, ponieważ są nasycone jak największą liczbą atomów wodoru.

Kwasy tłuszczowe często mają nazwy zwyczajowe, ale mogą być systematycznie nazywane w zależności od liczby atomów węgla oraz liczby i położenia wiązań podwójnych w łańcuchu węglowym.

Istnieje kilka popularnych metod numerowania. Karboksylowy układ odniesienia zlicza położenie wszystkich wiązań podwójnych z węgla karboksylowego, który jest ponumerowany jako 1. System odniesienia omega zlicza położenie podwójnego wiązania najbliżej węgla omega, przy czym węgiel omega jest ponumerowany jako 1.

Na przykład kwas linolenowy, kwas tłuszczowy omega 3, ma 18 atomów węgla i podwójne wiązania w pozycjach 9, 12 i 15, licząc od końca karboksylowego. Będzie to nazywane 18:3 Δ^{9, 12, 15} zgodnie z karboksylowym systemem odniesienia i 18:3 (ω-3) zgodnie z systemem odniesienia omega.

Nienasycone kwasy tłuszczowe mogą występować w dwóch konfiguracjach: cis i trans. W konfiguracji cis wodory na węglach biorących udział w wiązaniu podwójnym znajdują się po tej samej stronie wiązania, podczas gdy w konfiguracji trans wodory znajdują się po przeciwnych stronach.

Strukturalnie kwasy tłuszczowe cis mają wygięte łańcuchy, podczas gdy kwasy tłuszczowe trans mają łańcuchy proste.

Stwierdzono, że spożywanie tłuszczów trans jest odpowiedzialne za różne choroby sercowo-naczyniowe, podczas gdy spożywanie kwasów tłuszczowych cis, takich jak omega-3 i omega-6, jest znane jako korzystne dla zdrowia.

Trójglicerydy, potocznie zwane tłuszczami, służą przede wszystkim do magazynowania energii. Składają się z trzech kwasów tłuszczowych połączonych z glicerolem poprzez wiązania estrowe między końcami hydroksylowymi glicerolu a końcami karboksylowymi kwasów tłuszczowych, co powoduje powstanie cząsteczki niepolarnej.

Jeśli wszystkie trzy kwasy tłuszczowe są tego samego rodzaju, są one znane jako proste trójglicerydy. Jeśli te trzy kwasy tłuszczowe różnią się, są one znane jako mieszane trójglicerydy.

Inny rodzaj lipidów, fosfolipidy, jest ważną cechą strukturalną błon biologicznych.

Mają hydrofilowe główki składające się z grup fosforanowych zmodyfikowanych hydrofilową grupą alkoholową i hydrofobowych ogonów kwasów tłuszczowych. Skład tych głów i ogonów może się różnić, co skutkuje różnymi rodzajami lipidów błonowych.

Glicerofosfolipidy są powszechnym rodzajem fosfolipidów, który składa się z dwóch kwasów tłuszczowych i wysoce polarnej grupy przyłączonej do każdego węgla glicerolu odpowiednio poprzez wiązania estrowe i fosfodiestrowe.