Lipidy (, tłuszcz) – szeroka grupa występujących w naturze związków chemicznych. Zalicza się do nich tłuszcze, woski, sterole (w tym cholesterol), rozpuszczalne w tłuszczach witaminy (A, D, E, K), , diacyloglicerole, fosfolipidy i wiele innych substancji. Główne biologiczne funkcje lipidów to magazynowanie energii, tworzenie błon biologicznych i udział w przesyłaniu sygnałów. Chociaż człowiek i zwierzęta mają różnorodne szlaki metaboliczne zdolne do syntezy i rozkładu lipidów, niektóre kluczowe z nich nie mogą powstawać w ten sposób i muszą być dostarczane z dietą.
Związki te można szeroko zdefiniować jako niewielkie hydrofobowe lub amfifilowe cząsteczki. Amfifilowość niektórych z nich pozwala im w środowisku wodnym tworzyć pęcherzyki, liposomy, czy błony. Biologiczne lipidy powstają w całości lub częściowo z dwóch odrębnych typów podjednostek („cegiełek”): grup ketoacylowych i izoprenowych. Idąc tą drogą, lipidy podzielić można na osiem grup: kwasy tłuszczowe, , , sfingolipidy, glikolipidy i (pochodne kondensacji podjednostek ketoacylowych), sterole i (produkty kondensacji podjednostek izoprenoidowych).
Chociaż terminu „lipidy” używa się czasami jako synonimu tłuszczów, te ostatnie są w rzeczywistości ich podgrupą – triacyloglicerolami.
Grupy lipidów Kwasy tłuszczowe Kwasy tłuszczowe są to związki zbudowane z łańcucha węglowodorowego zakończonego polarną i hydrofilową grupą karboksylową, w przeciwieństwie do hydrofobowej i niepolarnej (a więc i nierozpuszczalnej w wodzie) pozostałej części cząsteczki. Struktura taka stanowi fundament w przypadku wielu lipidów, jest elementem budulcowym służącym do tworzenia bardziej skomplikowanych związków. Łańcuch zawiera zwykle od 4 (reszta kwasu masłowego) do 24 (reszta kwasu lignocerynowego) atomów węgla, może być nasycony lub nie. Może się także łączyć z grupą zawierającą tlen, chlorowiec, azot i siarkę. Obecność wiązania podwójnego pociąga za sobą występowanie izomerii geometrycznej cis-trans, co wpływa bardzo na strukturę i właściwości cząsteczki. Konfiguracja cis oznacza bowiem zgięcie łańcucha, czego efekt nasila się wraz ze wzrostem ilości takich wiązań w łańcuchu. Ma to zasadnicze znaczenie dla funkcji błony biologicznej. Większość występujących w naturze nienasyconych kwasów tłuszczowych ma właśnie tę konfigurację, choć ich izomery trans spotyka się w niektórych naturalnych i częściowo uwodornionych tłuszczach i olejach.
Kwasy tłuszczowe i ich pochodne syntetyzowane są jako zwykle długie reszty acylowe dzięki stopniowemu wydłużeniu łańcucha węglowego przez przyłączanie jednostek dwuwęglowych. W procesie tym, zwanym lipogenezą, uczestniczą acetylo-CoA, , a także .
Jako przykład kwasów tłuszczowych spełniających role ważne biologicznie podać można eikozanoidy (ikozanoidy) – pochodne kwasu arachidonowego i eikozapentaenowego. Zalicza się do nich prostaglandyny, tromboksany, leukotrieny i lipoksyny.
Dużą klasę pochodnych kwasów tłuszczowych stanowią ich estry i amidy. Do tych pierwszych zaliczamy woski, tioestry koenzymu A i ACP, a także pochodne karnityny. Amidy obejmują zaś połączenia z etanoloaminą, jak neurotransmiter kannabinoidowy anandamid.
Glicerolipidy to zwykle mono-, di- i tri-podstawione glicerole. Najbardziej znane z nich to triacyloglicerole (trójglicerydy). Są one zbudowane z glicerolu, którego wszystkie 3 grupy hydroksylowe zestryfikowane zostały przez reszty kwasów tłuszczowych, zazwyczaj nie różniących się od siebie. Funkcjonują zwykle jako magazyn energii i stanowią większość tłuszczu gromadzonego przez zwierzęta w tkance tłuszczowej. Mobilizacja tych rezerw polega między innymi na hydrolizie trójglicerydów do glicerolu i kwasów tłuszczowych.
Podgrupę glicerolipidów stanowią mające jedną lub więcej grup monosacharydowych przyłączonych do glicerolu dzięki wiązaniu glikozydowemu. Jako przykład wymienić można digalaktozylodiacyloglicerole obecne w błonach roślinnych i obecne w plemnikach ssaków.
Glicerofosfolipidy Glicerofosfolipidy, zwane także po prostu fosfolipidami, to wszechobecne związki kluczowe dla istnienia dwuwarstwy lipidowej komórek, grające także rolę w metabolizmie i przesyłaniu sygnałów. Tkanka nerwowa, włączając w to mózg, zawiera względnie duże ilości glicerofosfolipidów, a zmiany w ich składzie wiążą się z różnorodnymi chorobami neurologicznymi. Grupę tę można podzielić na kilka różnych klas na podstawie budowy polarnej części cząsteczki przyłączonej do węgla sn-3 w przypadku organizmów eukariotycznych i eubakterii, natomiast do węgla sn-1 u archeobakterii. thumb|Fosfatydyloetanolamina W błonie biologicznej znajdują się choćby fosfatydylocholina (PC, GPCho, szerzej znana jako lecytyna), (PE, GPEtn) i fosfatydyloseryna (PS, GPSer). Oprócz tworzenia błon biologicznych i miejsc wiązania białek wewnątrz-, jak i zewnątrzkomórkowych niektóre glicerofosfolipidy eukariotyczne, jak i , są prekursorami przekaźników drugorzędowych lub samymi przekaźnikami pochodzącymi z błon. Zazwyczaj jedna lub dwie z grup hydroksylowych glicerolu są zestryfikowanego grupami acylowymi pochodzącymi od długołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Jednakże w cząsteczkach plazmalogenów uległy one połączeniu z grupami alkilowymi lub 1Z-nienasyconymi grupami alkenylowymi. Archeobakterie wytwarzają pochodne dialkilowe.
Sfingolipidy Sfingolipidy to złożona rodzina związków, które łączy rdzeń (u zwierząt zazwyczaj sfingozyna) syntetyzowany de novo z aminokwasu seryny i długołańcuchowego acylo-CoA. Pochodne tego rodzaju obejmują ceramidy, , i inne substancje. Ceramidy powstają poprzez przyłączenie reszty kwasu tłuszczowego do grupy aminowej rdzenia wiązaniem amidowym. Acyl ten liczy sobie zwykle od 16 do 26 atomów węgla i jest nasycony lub zawiera jedno wiązanie podwójne węgiel-węgiel thumb|Sfingomielina Głównymi fosfosfingolipidami ssaków są sfingomieliny, podczas gdy u owadów spotyka się ceramidowe pochodne fosfoetanoloaminy. Grzyby zaś mają fitoceramidowe połączenia fosfoinozytoli zawierające też grupy pochodzące od mannozy. Glikosfingolipidy to zróżnicowana grupa cząsteczek, w których jedna lub więcej grup cukrowych przyłączają się do rdzenia dzięki wiązaniu glikozydowemu. Związki te mogą być proste lub złożone. Przykład stanowią cerebrozydy i .
Steroidy Sterole, jak cholesterol i jego pochodne, stanowią ważny element błony lipidowej, podobnie jak glicerofosfolipidy i sfingomieliny. Steroidy, wszystkie oparte na czteropierścieniowej strukturze cyklopentanoperhydrofenantrenu, grają zróżnicowane biologiczne role hormonów i cząsteczek sygnałowych. Estrogeny to rodzina związków osiemnastowęglowych, podczas gdy androgeny, jak testosteron i androsteron, zawierają jeden atom węgla więcej. Z kolei progestageny (np. progesteron) oraz hormony kory nadnercza – glukokortyokidy i mineralokortykoidy – zawierają 21 atomów węgla. , do których należą różne formy witaminy D, wyróżniają się rozerwaniem pierścienia B. Do steroidów zaliczamy także kwasy żółciowe i ich koniugaty, które u ssaków stanowią utlenione pochodne cholesterolu i syntetyzowane są w wątrobie. Ich roślinne odpowiedniki to fitosterole, jak , stigmasterol czy ; tego ostatniego używa się jako biomarkera wzrostu alg. Natomiast w błonach komórkowych grzybów dominuje ergosterol.
Sacharolipidy thumb|300px|Struktura sacharolipidu Kdo2-lipid A. Glukozamina niebieska, (Kdo) czerwony, acyl czarny, grupy fosforanowe zielone
to związki, w których reszty kwasów tłuszczowych łączą się bezpośrednio z cukrem, tworząc strukturę zgodną z dwuwarstwą lipidową. Zamiast glicerolu występuje w nich monosacharyd, zwykle mamy tu do czynienia z acylowaną glukozaminą tworzącą , składnik lipopolisacharydu bakterii Gram-ujemnych. Typowe lipidy A to disacharydy glukozaminy, do których przyłączać się może nawet 7 reszt acylowych. Najmniejszym lipopolisacharydem niezbędnym dla wzrostu bakterii Escherichia coli jest Kdo2-Lipid A, sześciokrotnie acylowany disacharyd glukozaminy glikozylowany przez dwie reszty kwasu 3-deoksy-D-mannooktulozowego (Kdo).
Poliketydy to związki powstające w wyniku enzymatycznej polimeryzacji. Enzymem takim jest na przykład PKS (). Monomer stanowią podjednostki pochodzące z kwasów karboksylowych, jak reszty acetylowe i propionylowe. Do tej grupy należy wiele metabolitów wtórnych i innych naturalnych substancji spotykanych u zwierząt, roślin, grzybów. Różnią się one znacznie budową. W ich cząsteczce występuje pierścień poddany dodatkowym modyfikacjom, jak glikozylacja, metylacja, hydroksylacja, oksydacja i inne procesy. Wśród poliketydów lub ich pochodnych spotyka się substancje o działaniu przeciwbakteryjnym, przeciwpasożytniczym i przeciwnowotworowym, jak erytromycyna, tetracykliny, i epotilony.
Prenole syntetyzowane są z pięciowęglowych prekursorów ( i ). Szlak biegnie przez kwas mewalonowy. Proste izoprenoidy (liniowe alkohole, difosforany itp.) tworzone są przez dołączanie kolejnych grup pięciowęglowych (jednostka izoprenowa). Klasyfikuje się je na podstawie ich ilości. Związki liczące więcej niż 40 atomów węgla określa się już jako .
Grupą spełniających ważne funkcje izoprenoidów są karotenoidy. Działają jako przeciwutleniacze. Są wśród nich prekursory witaminy A. Inna biologicznie istotna grupa cząsteczek zawiera chinony i zawierające izoprenoidowy łańcuch dołączony do pierścienia chinonowego o nieizoprenowym pochodzeniu. Zalicza się tu witaminę E, K, ubichinon. Prokarionty syntetyzują poliprenole (), w których ostatnia jednostka izoprenowa przyłączona do tlenu pozostaje nienasycona, podczas gdy w zwierzęcych jest ona uwodorniona.
Funkcje biologiczne Błony Komórka eukariotyczna ma organella spełniające różne funkcje otoczone błonami. W komórkach zwierzęcych błona komórkowa oddziela wnętrze komórki od środowiska zewnętrznego. Zarówno błona komórkowa, jak i błony plazmatyczne organelli tworzone są głównie przez glicerofosfolipidy. Jak już wspomniano, są to amfipatyczne związki zbudowane z dwóch łańcuchów („ogonków”) kwasów tłuszczowych (region hydrofobowy) przyłączonych wiązaniami estrowymi do glicerolu łączącego się przez ostatnią grupę hydroksylową z fosforanem (region hydrofilowy), również za pomocą wiązania estrowego. Oprócz nich w błonach spotyka się sfingomieliny i sterole, głównie cholesterol. U roślin i glonów i , niemające grupy fosforanowej, są ważnymi składnikami błon chloroplastów i pokrewnych organelli. Występują najliczniej z wszystkich lipidów w tkankach prowadzących fotosyntezę u roślin wyższych, glonów i niektórych bakterii.
thumb|Samoorganizacja fosfolipidów: sferyczne liposomy, micele i dwuwarstwa lipidowa
Błona biologiczna to forma dwuwarstwy lipidowej. Tworzenie tej ostatniej jest procesem uprzywilejowanym energetycznie, gdy opisane wyżej znajdą się w środowisku wodnym. Wtedy polarne główki lipidów ułożą się w kierunku polarnego wodnego środowiska, natomiast hydrofobowe ogonki będą się zbierać razem, by zminimalizować kontakt z wodą. W rezultacie utworzy się pęcherzyk. Zależnie od stężenia krytycznego lipidów mogą powstać micele, liposomy, a nawet dwuwarstwa. Obserwuje się także inne agregaty, co stanowi część polimorfizmu amfifilowych właściwości lipidów. Ich właściwości fazowe to pole badań biofizyki i przedmiot badań akademickich. Micele i dwuwarstwy tworzą się w polarnym medium w procesie znanym jako efekt hydrofobowy.
Przechowywanie energii Triacyloglicerole, magazynowane w tkance tłuszczowej, są główną formą przechowywania energii u zwierząt. Adipocyty (komórki tłuszczowe) funkcjonują, by stale syntetyzować, magazynować i rozkładać triacyloglicerole. Lizę kontroluje w tym wypadku aktywacja lipazy hormonozależnej. Kompletne utlenienie kwasów tłuszczowych zapewnia dużą ilość energii, około 9 kcal/g, dla porównania jest to 4 kcal/g w przypadku węglowodanów i białek. Migrujące ptaki, zmuszone do pokonywania długich dystansów bez pobierania pożywienia, zużywają wtedy energię zmagazynowaną w postaci triacylogliceroli.
Przekaźnictwo sygnałów