Lipidy jsou třídou organických sloučenin obsahujících uhlovodíky, které jsou nezbytné pro strukturu a funkci živých buněk. Lipidy se vyznačují tím, že jsou nerozpustné ve vodě a rozpustné v nepolárních organických rozpouštědlech. Ačkoli se termín lipid často používá jako synonymum pro tuk, ve skutečnosti se jedná o podskupinu lipidů zvanou triglyceridy.
Obrázek 1: Struktura lipidu. Mnoho lipidů se skládá ze skupiny s polární hlavou (P) a nepolárního ocasu (U jako unpolar). Zobrazený lipid je fosfolipid (dva ocasy). Obrázek vlevo je zvětšenou verzí schematičtějšího obrázku vpravo, který bude od nynějška používán pro znázornění lipidů s jedním, dvěma nebo třemi řetězci.
Spolu s bílkovinami, nukleovými kyselinami a sacharidy jsou lipidy jednou z hlavních tříd biologicky důležitých molekul nebo biomolekul. Na rozdíl od těchto jiných skupin molekul však lipidy obsahují širší a rozmanitější škálu struktur. Termín lipidy je skutečně univerzální frází pro širokou škálu molekul biologického původu na bázi uhlovodíků, které jsou převážně nepolární nebo hydrofobní („bojící se vody“), což znamená, že dobře neinteragují s polárními rozpouštědly, jako je voda, a jsou místo toho rozpustné v méně polárních organických rozpouštědlech. Většina lipidů má také nějaký polární nebo hydrofilní („milující vodu“) charakter. To z nich dělá amfipatické nebo amfifilní molekuly (které mají hydrofobní i hydrofilní část). V případě cholesterolu je polární skupina pouhá -OH (hydroxyl nebo alkohol). V případě fosfolipidů jsou polární skupiny podstatně větší a polárnější. Lipidy zahrnují obrovské množství struktur. Mohou být alifatické nebo aromatické. Mohou být acyklické nebo cyklické, rovné nebo rozvětvené, nasycené nebo nenasycené. Lipidy mohou být pružné nebo tuhé. Tato rozmanitost znemožňuje definovat lipidy na základě jednoho strukturního prvku jádra nebo biosyntetického původu, jak je to možné u ostatních hlavních skupin biomolekul. Základní třídy lipidů jsou:
Poznámka: Existují různé způsoby klasifikace lipidů. Nedávno byl navržen komplexní nový klasifikační systém (J. Lipid Res. 46:839), který místo toho rozděluje lipidy na: (1) mastné acyly, (2) glycerolipidy, (3) glycerofosfolipidy, (4) sfingolipidy, (5) sterolové lipidy, (6) prenolové lipidy, (7) saccharolipidy a (8) polyketidy.
Mastné kyseliny a glyceridy
Chemicky lze mastné kyseliny popsat jako monokarboxylové kyseliny s dlouhým řetězcem a mají obecnou strukturu CH3(CH2)nCOOH. Délka řetězce se obvykle pohybuje od 12 do 24, vždy se sudým počtem uhlíků. Pokud uhlíkový řetězec neobsahuje žádné dvojné vazby, nazývá se nasycený. Pokud obsahuje jednu nebo více takových vazeb, je nenasycený. Přítomnost dvojných vazeb obecně snižuje bod tání mastných kyselin. Navíc nenasycené mastné kyseliny se mohou vyskytovat buď v cis nebo trans geometrických izomerech. Ve většině přirozeně se vyskytujících mastných kyselin jsou dvojné vazby v cis konfiguraci.
Glyceridy jsou lipidy se strukturou jádra glycerolu s jednou nebo více skupinami mastných acylů, což jsou řetězce odvozené od mastných kyselin, které jsou navázány esterovými vazbami na glycerolovou páteř. Glyceridy se třemi skupinami acylů (triglyceridy nebo neutrální tuky) jsou hlavní formou ukládání tuku u zvířat a rostlin.
Důležitým typem molekul na bázi glyceridů, které se nacházejí v biologických membránách, jako je plazmatická membrána buňky a intracelulární membrány organel, jsou fosfoglyceridy nebo glycerofosfolipidy. Jedná se o fosfolipidy, které obsahují glycerolové jádro navázané na dva „ocásky“ odvozené od mastných kyselin esterovou nebo vzácněji etherovou vazbou a na jednu „hlavovou“ skupinu fosfátovou esterovou vazbou. Hlavové skupiny fosfolipidů, které se nacházejí v biologických membránách, jsou fosfatidylcholin (lecithin), fosfatidlethanolamin, fosfatidylserin a fosfatidylinositol. Tyto fosfolipidy podléhají v buňce různým reakcím: například polární hlavové skupiny nebo ocásky mastných kyselin se mohou uvolnit ze specifických fosfolipidů enzymatickou katalyzační hydrolýzou za vzniku druhých poslů podílejících se na přenosu signálu. V případě fosfatidylinositolu může být hlavová skupina enzymaticky modifikována přidáním jedné až tří fosfátových molekul, což představuje další mechanismus buněčné signalizace. Zatímco fosfolipidy jsou hlavní složkou biologických membrán, v biologických membránách se nacházejí i další neglyceridové lipidové složky jako sfingolipidy a steroly (například cholesterol v membránách živočišných buněk).
Biologická membrána je formou lipidové dvouvrstvy, stejně jako lipozom. Tvorba lipidových dvouvrstev je spontánní proces, kdy jsou výše popsané glycerofosfolipidy umístěny do vody. Ve vodném prostředí mají polární hlavičky lipidů tendenci orientovat se směrem k polárnímu vodnému prostředí, zatímco hydrofobní ocásky mají tendenci minimalizovat svůj kontakt s vodou. Nepolární ocásky lipidů (U) mají tendenci se shlukovat a tvořit lipidovou dvouvrstevnici (1) nebo micelu (2). Polární hlavičky (P) směřují do vodného prostředí. Micely se tvoří, když jsou oboupohlavé amfifilní lipidy umístěny do polárního prostředí, zatímco lipidové dvouvrstevnice se tvoří, když jsou oboupohlavé fosfolipidy umístěny do polárního prostředí (obr. 2). Micely jsou „jednovrstvé“ koule a mohou dosáhnout pouze určité velikosti, zatímco dvouvrstevnice mohou být podstatně větší. Mohou také tvořit tubuly. Bilayery, které se skládají zpět na sebe, tvoří dutou kouli uzavírající oddělenou vodnou komoru, která je základem biologických membrán.
Micely a dvouvrstvy se oddělují od polárního prostředí procesem známým jako „hydrofobní efekt“. Při rozpouštění nepolární látky v polárním prostředí se polární molekuly (tj. voda ve vodném roztoku) více uspořádají kolem rozpuštěné nepolární látky, protože polární molekuly nemohou vytvářet vodíkové vazby na nepolární molekulu. Proto ve vodném prostředí molekuly polární vody vytvářejí uspořádanou „klathrátovou“ klec kolem rozpuštěné nepolární molekuly. Když se však nepolární molekuly oddělí od polární kapaliny, entropie (stav poruchy) polárních molekul v kapalině vzroste. Jedná se v podstatě o formu fázové separace, podobnou samovolnému oddělení oleje a vody do dvou oddělených fází, když je spojíme.
Obrázek 2: Samoorganizace lipidů. Vlevo je zobrazena lipidová dvouvrstva a vpravo micela.
Samoorganizace závisí na koncentraci lipidů přítomných v roztoku. Pod kritickou micelovou koncentrací tvoří lipidy na tekutém povrchu jednu vrstvu a jsou rozptýleny v roztoku. Při první kritické micelové koncentraci (CMC-I) se lipidy organizují v kulových micelách, při druhé kritické micelové koncentraci (CMC-II) v podlouhlých trubkách a v lamelovém bodě (LM nebo CMC-III) ve skládaných lamelách trubek. CMC závisí na chemickém složení, zejména na poměru plochy hlavy a délky ocasu.
Lipidy hrají rozmanité a důležité role ve výživě a zdraví. Mnoho lipidů je naprosto nezbytných pro život. Existuje však také značné povědomí o tom, že abnormální hladiny některých lipidů, zejména cholesterolu (při hypercholesterolemii) a v poslední době trans mastných kyselin, jsou rizikovými faktory srdečních onemocnění a dalších onemocnění.