Lipide - Uni Salzburg

Lipide
Prof. Dr. Albert Duschl
Funktionen der Lipide
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Definition: Lipide sind ölige oder fettige
Derivate von Kohlenwasserstoffen.
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Biologische Lipide sind
- Energiespeicher
- Membrankomponenten
- Pigmente
- Signalübertragungsmoleküle
- Hormone
- Bausteine für Wachse
© Brigitte Heft 22/2001
Speicherfett
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Fett wird in Form von Fett-Tröpfchen intrazellulär gespeichert.
Diese Tröpfchen halten über hydrophobe Wechselwirkungen
(beruhend auf London-Dispersionskräften) von selbst
zusammen und sind nicht noch von einer Membran umhüllt.
Spezialisierte Speicherzellen (Adipozyten) können fast ganz
von einem solchen Fetttropfen ausgefüllt sein.
Warum verwenden wir Lipide als Speicherform für Energie und
nicht die schneller metabolisierbaren Zucker?
Der Energiegehalt von Lipiden ist 2-3 x höher als von
Kohlenhydraten. Außerdem kann Lipid wasserfrei gelagert
werden und Kohlenhydrate enthalten als hydrophile
Substanzen mindestens nochmal den doppelten
Gewichtsanteil Wasser.
D.h. 1 kg Reservefett enthält also soviel Energie wie
5-6 kg Kohlenhydrate.
Meerschweinchenadipozyten
© Nelson/Cox: Lehninger Principles
of Biochemistry
Triglyceride
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Triglyceride (= Triacylglyceride) sind
Derivate des dreiwertigen Alkohols
Glycerin. Sie werden als Speicherfette
verwendet.
In einem Triglycerid sind alle drei OHGruppen des Glycerins mit Fettsäuren
verestert. Die entstehende Verbindung
ist extrem hydrophob.
Fettsäuren sind Carboxylsäurederivate
von Kohlenwasserstoffen.
C-Atome werden numeriert beginnend
mit C1 in der Carboxylgruppe.
Die C-Atome werden auch a, b etc.
genannt, wobei das C der
Carboxylgruppe nicht gezählt wird und
das C der endständigen Methylgruppe
als ω bezeichnet wird.
© both figures Stryer: Biochemistry
Fettsäuren
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Unterscheidungskriterien:
Zahl der C-Atome sowie
Zahl und Lage von
Doppelbindungen.
Der chemische Name leitet
sich vom zugehörigen
Kohlenwasserstoff ab.
Besonders wichtig sind im
Organismus Fettsäuren
mit 14 - 20 C-Atomen.
Biologische Fettsäuren
sind meist geradzahlig und
fast immer unverzweigt
(Ausnahme:
Membranlipide von
Archaea).
© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
Ungesättigte Fettsäuren
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Ungesättigte Fettsäuren enthalten eine oder
mehrere Doppelbindungen. Ihr Energiegehalt ist
geringer als bei den gesättigten Fettsäuren.
Ölsäure ist streng genommen die
cis-Δ9-Octadecensäure, d.h.:
- Derivat von Octadecan, einem Kohlenhydrat
mit 18 C-Atomen.
- Einzelne Doppelbindung eingefügt nach dem
C-Atom 9.
- Doppelbindung in cis-Stellung.
Die entsprechende Fettsäure mit einer
trans-Doppelbindung ist Elaidinsäure.
Die entsprechende gesättigte Fettsäure:
Stearinsäure oder genau genommen
Octadecansäure.
Eine C18-Fettsäure mit 3 Doppelbindungen:
Δ9,12,15-Octadecatriensäure, a.k.a. Linolensäure
© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
Fettsäuresynthese
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Fettsäuresynthese erfolgt im
Cytoplasma. Die mehrteilige
Synthesereaktion wird von einem
Multienzymkomplex durchgeführt,
der Fettsäuresynthetase. Pro Umlauf
wird die Fettsäure um 2 C-Atome
verlängert.
Doppelbindungen werden von
Desaturasen nachträglich eingefügt.
Tierische Enzyme können das nur
zwischen der Carboxylgruppe und
dem C-Atom 9. Linolsäure und
Linolensäure sind daher essentielle
Fettsäuren, die mit der Nahrung
aufgenommen werden müssen. Nur
Arachidonsäure kann aus Linolsäure
hergestellt werden.
© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
ß-Oxidation
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Fettsäureabbau läuft völlig anders
ab als Fettsäuresynthese.
Unabhängige Enzyme spalten in
einer Abfolge von vier
Teilreaktionen jeweils eine C2Einheit von der Fettsäure ab. Dieser
Prozess heisst ß-Oxidation und
findet in der Mitchondrienmatrix
statt.
Die Acetylgruppen die dabei
entstehen werden überwiegend in
Form von AcetylCoA in den
Citratcyklus eingeschleust.
© Löffler/Petrides; Biochemie und Pathobiochemie
Biologische Membranen
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Membranlipide haben Selbstorganisationskraft. Mögliche Formen sind
Oberflächenfilme, Vesikel und Membranen.
Membranen und andere Lipidstrukturen werden aufgelöst von Detergentien: Kleinen
amphiphilen Substanzen, die sich zwischen die einzelnen Lipidmoleküle einlagern
und deren Strukturen auflösen können.
Detergentien (= Detergenzien) sind im Labor wichtig, sind aber auch in Waschmitteln
enthalten und werden sogar vom Körper produziert: Gallensäuren sind Detergentien
die für die Verdauung benötigt werden.
© all figures Stryer: Biochemistry
Glycerinphosphatide
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Membranlipide sind im Gegensatz zu
Speicherlipiden amphiphil, d.h. sie
enthalten auch einen wasserlöslichen
Anteil. Dieser zeigt in der Membran nach
außen.
Die häufigsten Membranlipide sind die
Glycerinphosphatide. Es handelt sich um
Glycerin mit zwei angehängten
Fettsäuren, am dritten OH ist eine
Phosphorsäure verestert, die
normalerweise eine stickstoffhaltige
Gruppe oder einen Zucker trägt.
Übliche Kopfgruppen: Cholin, Serin,
Ethanolamin, Inositol-4,5-bisphosphat.
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Plasmalogene
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Wenn die erste Fettsäure (sn-1
Position) nicht über eine Estersondern über eine Etherbindung am
Glycerin hängt, so liegt ein
Plasmalogen vor.
Plasmalogene sind besonders häufig
in Membranen von Zellen des
zentralen Nervensystems, des
Herzens und des Immunsystems.
Übliche Kopfgruppen sind Ethanolamin
und Cholin. Die Plasmalogene zählen
mit zu den Glycerinphosphatiden.
A: Ein Plasmalogen
B: Ein Glycerinphosphatid
© lipidworld.com
Sphingolipide
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Die zweite grosse Gruppe der
Membranlipide ist von dem
Aminoalkohol Sphingosin abgleitet.
Die Struktur ähnelt der von
Glycerinphosphatiden, weil der
langkettige Alkoholanteil des
Sphingosins praktisch die Rolle einer
zweiten Fettsäure übernehmen kann.
Sphingomyelin trägt als Kopfgruppe
eine Phosphorsäure mit anhängendem
Cholin, ist also auch ein Phospholipid
wie die Glycerinphosphatide.
Komplexere Zucker, wie bei den
Gangliosiden, kommen vor allem bei
Zellen des Nervensystems als
Komponenten von Sphingolipiden vor.
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Cholesterin
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Der dritte Typ von Membranlipiden hat bei
Tieren nur einen Vertreter, Cholesterin. Es
handelt sich um ein Steroid mit 4
aromatischen Ringen und 27 C-Atomen.
Pflanzen enthalten strukturell ähnliche
Sterine (Phytosterine).
Der einzige hydrophile Anteil des
Cholesterins ist die OH-Gruppe.
Cholesterin ist Ausgangspunkt für die
Synthese von Steroidhormonen.
© all figures Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Isoprenoide
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Isoprenoide sind Verbindungen, die formal von
Isopren abgeleitet werden können.
Beispiele sind Cholesterin, Steroidhormone,
Carotinoide (rote Farbstoffe), Vitamin A
(Retinalvorstufe), Retinal selbst (Sehfarbstoff),
Vitamin D (1,25-Dihydroxycholecalciferiol Knochenbildung), Vitamin E (Antioxidans),
Vitamin K (Phylloquinon, ein Cofaktor bei der
Blutgerinnung) und Ubiquinon (Coenzym Q, ein
Elektronenüberträger in der Atmungskette).
Isopren selbst ist keine biologisch vorkommende
Verbindung. Cholesterin wird in einem komplexen
Syntheseweg aus AcetylCoA-Einheiten aufgebaut
und ist selber Ausgangspunkt für die Synthese
einiger anderer Isoprenoide.
Eicosanoide
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Eicosanoide sind Derivate der Arachidonsäure. Als Antwort auf hormonelle Stimuli
wird Phospholipase A2 aktiviert, die Arachidonsäure aus Membranlipiden abspaltet.
Prostaglandine greifen in Signalwege ein (z.B. cAMP), bewirken Kontraktion glatter
Muskulatur, regulieren Schlaf/Wach-Zyklus, verursachen Entzündung und Schmerz.
Thromboxane produziert von Platelets bewirken Blutgerinnung und Entzündung.
NSAIDs (Aspirin, Paracetamol etc.) hemmen Cyclooxygenase.
Leukotriene bewirken akute Hyperreaktivität in der Lunge (Kontraktion glatter
Muskulatur). Wichtige Effektoren in Asthma und Anaphylaxie.
© Nelson/Cox:
Lehninger Principles of
Biochemistry
Lipide und Ernährung
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Lipide werden benötigt, um Essen
gleitfähig zu machen. Haben Sie schon
einmal trockene Haferflocken gegessen?
Sie stecken als Wachse (Ester von
langkettigen Fettsäuren und langkettigen
Alkoholen) in den Tischkerzen.
Energie und Substrat werden dem Körper
zu einem wesentlichen Teil in Form von
Lipiden zugeführt.
Lipide werden als Lösungsmittel für
lipophile Vitamine benötigt
und sie enthalten natürlich selber
essentielle Fettsäuren.
Lipide sind als Lösungsmittel für
zahlreiche lipophile Aromastoffe wichtig
und sie sind auch selber wichtige
Geschmackskomponenten.
© Anne Willan: Die grosse Schule des Kochens