LIPIDY 

fosfolipidy - glikolipidy - sterole

           Obecnie uważa się, że błony biologiczne są jednym z podstawowych elementów strukturalnych i funkcjonalnych wszystkich komórek. Rdzeń strukturalny wszelkich błon biologicznych tworzą lipidy polarne uformowane w postaci uporządkowanych, ciekłokrystalicznych warstw podwójnych. Wiele funkcji pełnionych przez błony można przypisać warstwom lipidów. Warstwy te stanowią stabilną termodynamicznie, zwartą barierę zapewniającą komórce integralność. Są one miejscem lokowania się uporządkowanych sekwencji białek. Te uporządkowane sekwencje ułatwiają i przyspieszają przebieg procesów metabolicznych zachodzących w błonach.

Lipidy to liczna grupa związków organicznych o różnorodnym składzie i budowie, których cząsteczki zawsze zawierają długołańcuchowe kwasy tłuszczowe, co nadaje im wspólną właściwość – złą rozpuszczalność w wodzie, natomiast dobrą w rozpuszczalnikach organicznych. Jest to związane z występowaniem w ich strukturze dużej liczby hydrofobowych grup węglowodorowych (-CH₂-), tworzących długie alifatyczne łańcuchy, które pochodzą od kwasów tłuszczowych, aldehydów, alkoholi, pochodnych sfinganiny lub cząsteczek steroli. Oprócz hydrofobowych łańcuchów węglowodorowych cząsteczki lipidów zawierają w swoim składzie hydrofilowe grupy polarne np.: estrowe, fosforanowe, wodorotlenowe, aminowe i inne. Grupy te zdolne są do oddziaływania z wodą przez tworzenie wiązań wodorowych. Związki, które zawierają w swoim składzie zarówno część hydrofilową jak i hodrofobową nazywa się związkami amfifilowymi. Właściwości amififilowe zapewniają lipidom, a w szczególności fosfolipidom, dużą aktywność powierzchniową. Lipidy adsorbują się na powierzchni wody zmniejszając jej napięcie powierzchniowe.  

Rozróżnia się lipidy prosta i lipidy złożone. Do lipidów prostych należą triglicerydy – estry glicerolu z kwasami tłuszczowymi, stanowiące głównie materiały zapasowe (surowce energetyczne) organizmu, a u zwierząt także podściółkę i warstwę ochronną różnych narządów,

woski naturalne – estry alkoholi z kwasami tłuszczowymi, tworzące warstwy chroniące przed nadmiernym parowaniem wody, a także estry sterolowe (kwasów tłuszczowych z cholesterolem), do lipidów prostych są często zaliczane wyższe kwasy tłuszczowe (których łańcuch zawiera 10 atomów węgla lub więcej), alkany, alkanole, karotenoidy i sterole; związki te są zaliczane do lipidów ze względu na podobne zachowanie się w procesie przemiany materii oraz podobną rozpuszczalność. Lipidy złożone zawierają w cząsteczce oprócz kwasów tłuszczowych i alkoholi (glicerolu lub sfingozyny) kwas fosforowy, cholinę, etanoloaminę, sacharydy (np.galaktozę) i inne. Należą do nich tak zwane lipidy narządowe: fosfolipidy i glikolipidy, wchodzące w skład elementów strukturalnych komórek (błon i ziarnistości), a u zwierząt występujące w szczególnie dużej ilości w tkance mózgowej i włóknach nerwowych. W organizmie lipidy występują przeważnie w postaci połączeń z białkami (lipoproteiny).

  Fosfolipidy (fosfatydy)

  Są ważnymi składnikami komórek roślinnych i zwierzęcych, a komórek nerwowych (neuron, osłonki nerwowe) w szczególności. Błony biologiczne hepatocytów składają się w 65% z fosfolipidów, wśród których około 40% stanowi fosfatydylocholina (lecytyna). Stanowią one szeroką grupę lipidów polarnych, której charakterystyczną cechą jest występowanie w części hydrofilowej ich cząsteczek grupy fosforanowej. Część hydrofobową tych związków stanowią dwa łańcuchy kwasów tłuszczowych (w przypadku lizofosfstydów jeden łańcuch). Różnice w budowie pomiędzy poszczególnymi fosfolipidami dotyczą zarówno części polarnej, która może być jonowa lub amfilityczna jak i części niepolarnej charakteryzującej się różnymi długościami łańcuchów węglowodorowych i różnym stopniem ich nienasycenia. Łańcuchy węglowodorowe fosfolipidów z błon biologicznych posiadają parzystą ilość atomów węgla (od 12 do 24), przeważają w nich fosfolipidy posiadające łańcuchy o długości 16 lub 18 atomów węgla. Przy takiej długości łańcucha cząsteczka lipidu ma długość około 3.25 nm. Dość często występują fosfolipidy w których jeden lub dwa łańcuchy posiadają przynajmniej jedno wiązanie nienasycone. Obecność wiązań nienasyconych jest bardzo istotna - w miejscu takiego wiązania łańcuch „skręca” - czyli przyjmuje konfigurację cis, co powoduje, że w porównaniu z łańcuchem całkowicie nasyconym zajmuje on efektywnie większą przestrzeń. W łańcuchach fosfolipidów mogą występować wiązania podwójne, które najczęściej znajdują się w łańcuchu położonym bliżej części polarnej cząsteczki. Hydrofilowe obszary cząsteczek fosfolipidów zawierają kwaśne ugrupowania fosforanowe o ujemnym ładunku (przy pH 7,0). Drugim składnikiem hydrofilowego fragmentu cząsteczki fosfolipidu może być seryna, kolamina (powstająca przez dekarboksylację seryny), cholina (produkt metylacji kolaminy), etanoloamina  lub inozytol. Zarówno cholina jak i etanoloamina zawierają w swoim składzie dodatnio naładowane grupy aminowe. Obecność dwóch przeciwnie naładowanych grup nadaje główce polarnej cząsteczki fosfolipidu (zawierającej cholinę lub etanoloaminę) charakter dwupolarnego jonu bez ładunku wypadkowego. Cząsteczki fosfolipidów zawierające serynę lub inozytol mają wypadkowy ładunek ujemny. Cząsteczka seryny zawiera w swoim składzie zarówno ładunek ujemny jak i dodatni, co w rezultacie nadaje fosfolipidom zawierającym serynę wypadkowy ładunek ujemny. Cząsteczka inozytolu nie ma ładunku elektrycznego dlatego też fosfolipidy zawierające w swoim składzie inozytol wykazują wypadkowy ładunek ujemny, związany z grupą fosforanową. Fosfolipidy ze względu na swoją budowę cząsteczkową są najbardziej polarnymi lipidami.

Fosfoglicerydy są fosfolipidami, których budowa oparta jest na glicerolu (trójwęglowym alkoholu) stanowiącym rdzeń strukturalny cząsteczki fosfoglicerydu. Budowę strukturalną cząsteczek najważniejszych fosfoglicerydów (fosfatydylocholiny , fosfatydyloetanoloaminy, fosfatydyloseryny, fosfatydyloinozytolu). Grupy hydroksylowe glicerolu tworzą wiązania estrowe z grupami karboksylowymi kwasów tłuszczowych i kwasu fosforowego.

Sfingolipidy są fosfolipidami, których budowa oparta jest na sfingozynie - długołańcuchowym nienasyconym alkoholu. Cząsteczka sfingozyny, z dołączonym do grupy aminowej kwasem tłuszczowym, nosi nazwę ceramidu. Najczęściej występującym w błonach przedstawicielem sfingolipidów jest sfingomielina , która występuje głównie w tkance nerwowej. Za pomocą związków znaczonych izotopami fosforu stwierdzono, że przemiany sfingomieliny są tam bardzo powolne. Jest ona też mniej niż lecytyny i kefaliny podatna na działanie czynników chemicznych. Okazuje się, że zawiera bardzo mało nienasyconych kwasów tłuszczowych, związanych peptydowo (poprzez azot) z cząsteczką sfingozyny. Te właściwości sfingomieliny świadczą o tym, że pełni ona funkcje izolatora tkanki nerwowej. Występuje także w tkankach nerek, krwi, i w mielinie.

Fosfolipidy mają kluczowe znaczenie w fizjologii i patologii błon biologicznych. Stanowią one podstawowy strukturalny i czynnościowy budulec wszystkich błon komórkowych i struktur błonowych organelli wewnątrzkomórkowych. Wpływają korzystnie na elastyczność, płynność i przepuszczalność błon komórkowych. Utrzymują i przywracają odpowiednią aktywność receptorów i białek związanych z błonami. Mają decydujące znaczenie dla utrzymania prawidłowej aktywności biologicznej układów enzymatycznych związanych z błonami, takich jak np. cyklaza adenylowa, lipaza lipoproteinowa, ATP- aza sodowo - potasowa, ATP - aza wapniowa, acylotransferaza lecytyna: cholesterol, oksydaza kwasu bursztynowego, transferaza glukozylowa czy fosforylaza. Biorą udział w utrzymaniu i regulacji procesów transportu czynnego i biernego przez błony. Odgrywają istotną rolę w powstawaniu potencjałów błonowych. Regulują zależne od błon procesy metaboliczne, które zachodzą pomiędzy przestrzenią wewnątrz- i zewnątrzkomórkową. Są niezbędne w procesach różnicowania, proliferacji i regeneracji komórek. Są substratem do produkcji wielu ważnych związków chemicznych, ponieważ zawierają w swoim składzie wielonienasycone kwasy tłuszczowe, cholinę i resztę kwasu fosforowego. Wielonienasycone kwasy tłuszczowe są ważnymi prekursorami cytoprotekcyjnych prostaglandyn, leukotrienów i innych eikozanoidów, a reszta kwasu fosforowego odgrywa duże znaczenie m.in. w produkcji ATP. Są prekursorami tzw. drugich przekaźników uwalnianych przez fosfolipazę C - diacyloglicerolu i trifosforanu inozytolu, biorących udział w wydzielaniu wielu hormonów (m.in. katecholamin, insuliny, parathormonu, kalcytoniny) oraz powstawaniu czynników wzrostu. Są emulgatorami tłuszczów w przewodzie pokarmowym i przyczyniają się do lepszego ich trawienia oraz wchłaniania witamin w nich rozpuszczalnych (A, D, E, K). Są ważnymi emulgatorami w żółci. Mają wpływ na reakcje immunologiczne na poziomie komórkowym. Są także strukturalną i funkcjonalną częścią krążących lipoprotein.

Wykazano, że różne czynniki (toksyczne, metaboliczne, wirusowe, immunologiczne itp.) mogą powodować uszkodzenia błon hepatocytów, co w rezultacie prowadzi do zaburzenia funkcji komórek lub ich śmierci. Dowiedziono, że prawie każde uszkodzenie wątroby wiąże się z uszkodzeniem na poziomie błon biologicznych hepatocytów. Zbyt mała ilość egzogennych fosfolipidów w diecie zawierających w swoim składzie wielonienasycone kwasy tłuszczowe uniemożliwia pokrycie ich zwiększonego zapotrzebowania w przypadku choroby, a synteza wewnątrzustrojowa jest albo bardzo energochłonna (lecytyna), albo niemożliwa (polienylofosfatydylocholina). W wielu chorobach istnieje konieczność podawania egzogennych fosfolipidów w postaci zawierających je preparatów farmakologicznych.  

  Tworzą drugą grupę lipidów polarnych, zawierających w części hydrofilowej cząsteczkę cukru związaną z resztą lipidu wiązaniem glikozylowym (a nie estrowym wiązaniem fosforanowym jak w fosfolipidach). Posiadają one podobnie jak fosfolipidy właściwości amfifilowe.

Przykładem glikolipidów są glikozylodwuglicerydy, które składają się z mono-, dwu- lub trój sacharydów połączonych wiązaniem glikozylowym z grupami hydroksylowymi dwuglicerydu. Lipidy te występują w chloroplastach (np. monogalaktozylodwuacyloglicerol), i błonach bakterii gramdodatnich (np. dwusacharylodwuacyloglicerole ). Inne glikolipidy tej grupy występują ponadto w składzie lipidów mózgu i tkanki nerwowej, śledziony, nerek, płucach, wątroby i erytrocytów.

Do grupy glikolipidów należą również gangliozydy i glikozydy sterylowe. Gangliozydy są złożonymi cerebrozydami (występującymi głównie w mózgu), w których reszta ceramidowa przyłączona jest do reszty cukrowej zawierającej galaktozaminę i kwas sialowy. Lipidy te występują najczęściej w zewnętrznych błonach komórek. Cechą charakterystyczną glikozydów sterylowych jest wiązanie glikozylowe cząsteczki monosacharydu z grupami OH sterolu. Lipidy te występują w błonach roślinnych i pełnią tam rolę materiału budulcowego i izolacyjnego. Biorą także udział w procesach dotyczących działalności układu nerwowego. Ważną funkcję we wspomganiu układu nerwowego pełnią cerebrozyty występują głównie w mózgu. W innych tkankach występują bardzo podobne związki zwane sulfatydami. Ich charakterystycznym składnikiem jest kwas siarkowy, związany estrowo z C – 6 galaktozy. Jeszcze bardziej złożoną budowę mają gangliaydy, gdyż zawierają kilka odmian powiązanych heksoz i ich pochodnych.

Sterole

  Stanowią, obok fosfolipidów i glikolipidów trzecią główną grupę polarnych lipidów błonowych. Sterole zawierają hydrofilową grupę polarną (OH) połączoną bezpośrednio z grupą hydrofobową cząsteczki co odróżnia je od fosfolipidów i glikolipidów. Najważniejszym przedstawicielem steroli, jest występujący w tkankach zwierzęcych cholesterol. Cholesterol jest związkiem pierścieniowym, zawierającym rozgałęziony łańcuch boczny, powstaje w organizmie z dwuweglowych elementów (rodnik kwasu octowego) i jest surowcem do wytwarzania kwasów żółciowych i wielu hormonów.  Cholesterol występuje tylko w niewielkich ilościach w błonach wyższych roślin, u których podstawowymi sterolami są sitosterol i stigmasterol (tzw. fitosterole). Sterole występują również u mikroorganizmów eukariotycznych i charakteryzują się większą zmiennością strukturalną aniżeli fitosterole. Głównym przedstawicielem steroli występujących w błonach mikroorganizmów eukariotycznych jest ergosterol.