Was Sie lernen werden: Veranschaulichen Sie verschiedene Arten von Lipiden und beziehen Sie ihre Struktur auf ihre Rolle in biologischen Systemen

Fette und Öle sind wahrscheinlich die Art von Lipiden, mit denen Sie in Ihrem Alltag am meisten vertraut sind. Das Wort Fett bringt typischerweise ein negatives Bild in unseren Köpfen hervor. Bei Diäten wird empfohlen, sich von fetthaltigen Lebensmitteln fernzuhalten. Unser Körper benötigt jedoch etwas Fett, um zu überleben. Es gibt auch andere für das menschliche Leben essentielle Lipide, einschließlich Phospholipide, Steroide und Wachse.

Während ein Überschuss einer Substanz ein Problem sein kann, spielen alle diese Lipide eine wesentliche Rolle in Lebewesen.

In diesem Artikel werden wir Lipide und ihre Rolle in unserem Körper diskutieren.

Abbildung 1. Hydrophobe Lipide im Fell von Wassersäugetieren wie diesem Flussotter schützen sie vor den Elementen. (Kredit: Ken Bosma)

Lipide umfassen eine vielfältige Gruppe von Verbindungen, die weitgehend unpolar sind. Dies liegt daran, dass es sich um Kohlenwasserstoffe handelt, die meist unpolare Kohlenstoff–Kohlenstoff– oder Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen enthalten. Unpolare Moleküle sind hydrophob („Wasser fürchten“) oder in Wasser unlöslich. Lipide erfüllen viele verschiedene Funktionen in einer Zelle. Zellen speichern Energie für die langfristige Nutzung in Form von Fetten. Lipide isolieren auch Pflanzen und Tiere von der Umwelt (Abbildung 1). Zum Beispiel helfen sie, Wasservögel und Säugetiere trocken zu halten, wenn sie aufgrund ihrer wasserabweisenden hydrophoben Natur eine Schutzschicht über Fell oder Federn bilden. Lipide sind auch die Bausteine vieler Hormone und ein wichtiger Bestandteil aller Zellmembranen. Lipide umfassen Fette, Öle, Wachse, Phospholipide und Steroide.

Fette und Öle

Ein Fettmolekül wie ein Triglycerid besteht aus zwei Hauptkomponenten — Glycerin und Fettsäuren. Glycerin ist eine organische Verbindung mit drei Kohlenstoffatomen, fünf Wasserstoffatomen und drei Hydroxylgruppen (–OH). Fettsäuren haben eine lange Kette von Kohlenwasserstoffen, an die eine saure Carboxylgruppe gebunden ist, daher der Name „Fettsäure.“ Die Anzahl der Kohlenstoffe in der Fettsäure kann von 4 bis 36 reichen; Am häufigsten sind solche, die 12-18 Kohlenstoffe enthalten. In einem Fettmolekül ist eine Fettsäure an jedes der drei Sauerstoffatome in den –OH-Gruppen des Glycerinmoleküls mit einer kovalenten Bindung gebunden (Abbildung 2).

Abbildung 2. Lipide umfassen Fette wie Triglyceride, die aus Fettsäuren und Glycerin, Phospholipiden und Steroiden bestehen.

Während dieser kovalenten Bindungsbildung werden drei Wassermoleküle freigesetzt. Die drei Fettsäuren im Fett können ähnlich oder unähnlich sein. Diese Fette werden auch Triglyceride genannt, weil sie drei Fettsäuren haben. Einige Fettsäuren haben gebräuchliche Namen, die ihre Herkunft angeben. Zum Beispiel wird Palmitinsäure, eine gesättigte Fettsäure, von der Palme abgeleitet. Arachidinsäure stammt von Arachis hypogaea, dem wissenschaftlichen Namen für Erdnüsse.

Fettsäuren können gesättigt oder ungesättigt sein. Wenn in einer Fettsäurekette nur Einfachbindungen zwischen benachbarten Kohlenstoffen in der Kohlenwasserstoffkette vorhanden sind, ist die Fettsäure gesättigt. Gesättigte Fettsäuren sind mit Wasserstoff gesättigt; mit anderen Worten, die Anzahl der an das Kohlenstoffgerüst gebundenen Wasserstoffatome ist maximiert.

Wenn die Kohlenwasserstoffkette eine Doppelbindung enthält, ist die Fettsäure eine ungesättigte Fettsäure.

Die meisten ungesättigten Fette sind bei Raumtemperatur flüssig und werden Öle genannt. Wenn das Molekül eine Doppelbindung enthält, wird es als einfach ungesättigtes Fett (z. B. Olivenöl) bezeichnet, und wenn es mehr als eine Doppelbindung gibt, wird es als mehrfach ungesättigtes Fett (z. B. Rapsöl) bezeichnet.

Gesättigte Fette neigen dazu, dicht gepackt zu werden und sind bei Raumtemperatur fest. Tierische Fette mit Stearinsäure und Palmitinsäure, die in Fleisch enthalten sind, und das Fett mit Buttersäure, das in Butter enthalten ist, sind Beispiele für gesättigte Fette. Säugetiere speichern Fette in spezialisierten Zellen, die Adipozyten genannt werden, wo Fettkügelchen den größten Teil der Zelle einnehmen. In Pflanzen wird Fett oder Öl in Samen gespeichert und während der Embryonalentwicklung als Energiequelle verwendet.

Ungesättigte Fette oder Öle sind meist pflanzlichen Ursprungs und enthalten ungesättigte Fettsäuren. Die Doppelbindung verursacht eine Biegung oder einen „Knick“, der verhindert, dass sich die Fettsäuren fest verpacken und sie bei Raumtemperatur flüssig halten. Olivenöl, Maisöl, Rapsöl und Lebertran sind Beispiele für ungesättigte Fette. Ungesättigte Fette helfen, den Cholesterinspiegel im Blut zu verbessern, während gesättigte Fette zur Plaquebildung in den Arterien beitragen, was das Risiko eines Herzinfarkts erhöht.Margarine, einige Arten von Erdnussbutter und Backfett sind Beispiele für künstlich hydrierte Transfette. Jüngste Studien haben gezeigt, dass ein Anstieg der Transfette in der menschlichen Ernährung zu einem Anstieg des Spiegels an Lipoprotein niedriger Dichte (LDL) oder „schlechtem“ Cholesterin führen kann, was wiederum zu Plaqueablagerungen in den Arterien führen kann, was zu Herzerkrankungen führt. Viele Fast-Food-Restaurants haben vor kurzem die Verwendung von Transfetten beseitigt, und US-Lebensmitteletiketten müssen nun ihren Transfettgehalt auflisten.In der Lebensmittelindustrie werden Öle künstlich hydriert, um sie halbfest zu machen, was zu weniger Verderb und erhöhter Haltbarkeit führt. Einfach gesagt, Wasserstoffgas wird durch Öle geblasen, um sie zu verfestigen. Bei diesem Hydriervorgang können Doppelbindungen der cis-Konformation in der Kohlenwasserstoffkette in Doppelbindungen der Trans-Konformation umgewandelt werden. Dies bildet ein Trans-Fett aus einem cis-Fett. Die Orientierung der Doppelbindungen beeinflusst die chemischen Eigenschaften des Fettes (Abbildung 3).

Abbildung 3. Während des Hydrierungsprozesses wird die Orientierung um die Doppelbindungen geändert, wodurch aus einem Cis-Fett ein Transfett entsteht. Dies verändert die chemischen Eigenschaften des Moleküls.

Essentielle Fettsäuren sind Fettsäuren, die vom menschlichen Körper benötigt, aber nicht synthetisiert werden. Folglich müssen sie durch die Diät ergänzt werden. Omega-3-Fettsäuren fallen in diese Kategorie und sind eine von nur zwei bekannten essentiellen Fettsäuren für den Menschen (die andere sind Omega-6-Fettsäuren). Sie sind eine Art mehrfach ungesättigtes Fett und werden Omega-3-Fettsäuren genannt, da der dritte Kohlenstoff vom Ende der Fettsäure an einer Doppelbindung beteiligt ist.

Lachs, Forelle und Thunfisch sind gute Quellen für Omega-3-Fettsäuren. Omega-3-Fettsäuren sind wichtig für die Gehirnfunktion und das normale Wachstum und die Entwicklung. Sie können auch Herzkrankheiten vorbeugen und das Krebsrisiko senken.

Wie Kohlenhydrate haben Fette eine Menge schlechte Werbung erhalten. Es ist wahr, dass das Essen eines Überschusses an frittierten Lebensmitteln und anderen „fettigen“ Lebensmitteln zu einer Gewichtszunahme führt. Fette haben jedoch wichtige Funktionen. Fette dienen als langfristiger Energiespeicher. Sie bieten auch Isolierung für den Körper. Daher sollten „gesunde“ ungesättigte Fette in moderaten Mengen regelmäßig konsumiert werden.

Phospholipide

Phospholipide sind der Hauptbestandteil der Plasmamembran. Wie Fette bestehen sie aus Fettsäureketten, die an ein Glycerin oder ein ähnliches Rückgrat gebunden sind. Anstelle von drei angebundenen Fettsäuren gibt es jedoch zwei Fettsäuren und der dritte Kohlenstoff des Glycerinrückgrats ist an eine Phosphatgruppe gebunden. Die Phosphatgruppe wird durch Zugabe eines Alkohols modifiziert.

Ein Phospholipid hat sowohl hydrophobe als auch hydrophile Bereiche. Die Fettsäureketten sind hydrophob und schließen sich von Wasser ab, während das Phosphat hydrophil ist und mit Wasser interagiert.

Zellen sind von einer Membran umgeben, die eine Doppelschicht aus Phospholipiden aufweist. Die Fettsäuren der Phospholipide sind nach innen gerichtet, weg von Wasser, während die Phosphatgruppe entweder der äußeren Umgebung oder dem Inneren der Zelle zugewandt sein kann, die beide wässrig sind.

Abbildung 4. (a) Ein Phospholipid ist ein Molekül mit zwei Fettsäuren und einer modifizierten Phosphatgruppe, die an ein Glycerinrückgrat gebunden ist. Das Phosphat kann durch Addition geladener oder polar geladener chemischer Gruppen modifiziert werden. Zwei chemische Gruppen, die das Phosphat modifizieren können, Cholin und Serin, sind hier gezeigt. Sowohl Cholin als auch Serin binden an die Phosphatgruppe an der mit R gekennzeichneten Position. (b) Die Phospholipid-Doppelschicht ist der Hauptbestandteil aller Zellmembranen. Die hydrophilen Kopfgruppen der Phospholipide sind der wässrigen Lösung zugewandt. Die hydrophoben Schwänze sind in der Mitte der Doppelschicht gebunden.

Steroide und Wachse

Im Gegensatz zu den zuvor diskutierten Phospholipiden und Fetten haben Steroide eine Ringstruktur. Obwohl sie anderen Lipiden nicht ähneln, werden sie mit ihnen gruppiert, weil sie auch hydrophob sind. Alle Steroide haben vier, verbundene Kohlenstoffringe und einige von ihnen, wie Cholesterin, haben einen kurzen Schwanz.

Cholesterin ist ein Steroid. Cholesterin wird hauptsächlich in der Leber synthetisiert und ist der Vorläufer vieler Steroidhormone wie Testosteron und Östradiol. Es ist auch der Vorläufer der Vitamine E und K. Cholesterin ist der Vorläufer von Gallensalzen, die beim Abbau von Fetten und deren anschließender Absorption durch Zellen helfen. Obwohl Cholesterin oft negativ erwähnt wird, ist es für das reibungslose Funktionieren des Körpers notwendig. Es ist eine Schlüsselkomponente der Plasmamembranen tierischer Zellen.

Wachse bestehen aus einer Kohlenwasserstoffkette mit einer Alkohol (–OH)-Gruppe und einer Fettsäure. Beispiele für tierische Wachse sind Bienenwachs und Lanolin. Pflanzen haben auch Wachse, wie die Beschichtung auf ihren Blättern, die verhindern, dass sie austrocknen.

Abbildung 5. Steroide wie Cholesterin und Cortisol bestehen aus vier fusionierten Kohlenwasserstoffringen

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