Lipide. Prof. Dr. Albert Duschl

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1 Lipide Prof. Dr. Albert Duschl

2 Funktionen der Lipide Definition: Lipide sind ölige oder fettige Derivate von Kohlenwasserstoffen. Biologische Lipide sind - Energiespeicher - Membrankomponenten - Pigmente - Signalübertragungsmoleküle Brigitte Heft 22/ Hormone - Bausteine für Wachse

3 Speicherfett 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

4 Triglyceride Triglyceride (= Triacylglyceride) sind Derivate des dreiwertigen Alkohols Glycerin. Sie werden als Speicherfette verwendet. In einem Triglycerid sind alle drei OH- Gruppen 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

5 Fettsäuren 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 C-Atomen. Biologische Fettsäuren sind meist geradzahlig und fast immer unverzweigt (Ausnahme: Membranlipide von Archaea). Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie

6 Ungesättigte Fettsäuren 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: Δ 9,12,15 -Octadecatriensäure, a.k.a. Linolensäure Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie

7 Fettsäuresynthese 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

8 ß-Oxidation Fettsäureabbau läuft völlig anders ab als Fettsäuresynthese. Unabhängige Enzyme spalten in einer Abfolge von vier Teilreaktionen jeweils eine C2- Einheit 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

9 Biologische Membranen 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

10 Glycerinphosphatide 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

11 Plasmalogene 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

12 Sphingolipide 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

13 Cholesterin 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

14 Cholesterin/Krebs Wenn Sie meinen, zu so einem bekannten Molekül wie Cholesterin sei schon alles gesagt, wie wäre es damit: Verschiedene Metabolite des Cholesterins können Brustkrebs fördern bzw. unterdrücken. Cholesterin wird in einer Totalsynthese mit 21 enzymkatalysierten Schritten hergestellt, hauptsächlich in der Leber. Senkung des Cholesterinspiegels mit Statinen (Hemmstoffe des Enzyms HMGA- CoA Reduktase) hat Einfluss auf die Brustkrebshäufigkeit, je nach Studie aber positiv oder negativ. Die Rolle on Östrogen und von Glucocortikoiden ist klar, aber die aktuelle Forschung versucht andere Metabolite gezielt zu regulieren. Sagen Sie nicht das sei nicht spannend. Silvente-Poirot and Poirot, Science 343: (2014) DOI: /science

15 Isoprenoide 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 wie eben gesagt - in einem komplexen Syntheseweg aus AcetylCoA-Einheiten aufgebaut und ist selber Ausgangspunkt für die Synthese einiger anderer Isoprenoide.

16 Eicosanoide Eicosanoide sind Derivate der Arachidonsäure. Als Antwort auf hormonelle Stimuli wird Phospholipase A 2 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

17 Das limitierende Minimum Jim Toomey: Shermans Lagoon Food groups ist ein populäres Konzept, vor allem in den USA und in Diätführern. Die Sache ist nur teilweise sinnvoll weil der Körper viele Substanzen selber herstellt. Allerdings: Justus von Liebig postulierte 1840 das Prinzip des limitierenden Minimums: Wachstum wird durch die knappste Ressource eingeschränkt. Die Chemie in ihrer Anwendung auf Agricultur und Physiologie 1840, Verlag Vieweg Braunschweig Was brauchen wir wirklich? Wasser, essentielle Aminosäuren, essentielle Fettsäuren, Mineralstoffe, Vitamine. Alles andere stellt der Körper selber her.

18 Das natürliche Essen Unsere natürliche Ernährung ist ein Produkt menschlicher Geschichte. Paprika: Mittel- und Südamerika. Melanzani: Asien, von Sarazenen nach Europa gebracht Karotte: Eurasien Zucchini: In Italien aus Nord- und Mittelamerikanischen Vorläufern gezüchtet Tomate: Südamerika Hühnerei: Indien (see Root W: Food. An authorative and visual history and dictionary of the foods of the world, 1980) limango.de

19 Lipide und Ernährung 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