Lipide und Lipoide (von „Fett“ und -id/-oid, Sinn etwa „fettartiger/Fetten ähnelnder Stoff“; Betonung auf der [im Nominativ Singular] letzten Silbe: Lipíd/Lipoíd) sind eine Sammelbezeichnung für wasserunlösliche (hydrophobe) Naturstoffe, die sich dagegen aufgrund ihrer geringen Polarität sehr gut in hydrophoben (beziehungsweise lipophilen) Lösungsmitteln wie Chloroform oder Methanol lösen.Vergleiche: Gurr, Harwood und Frayn: Lipid Biochemistry, 2008. Voet, Voet & Pratt: Fundamentals of Biochemistry, 2016. Lehninger Nelson Cox: Principles of Biochemistry, 2017. Berg, Tymoczko, Gatto und Stryer: Biochemistry, 2019. Ihre Wasserunlöslichkeit rührt vor allem von den langen Kohlenwasserstoff-Resten her, welche die allermeisten Lipide besitzen. Man teilt sie grob in verseifbare und nicht verseifbare Lipide ein.
In lebenden Organismen werden Lipide hauptsächlich als Strukturkomponenten in Zellmembranen, als Energiespeicher oder als Signalmoleküle gebraucht. Die meisten biologischen Lipide sind amphiphil, besitzen also einen lipophilen Kohlenwasserstoff-Rest und eine polare hydrophile Kopfgruppe, deshalb bilden sie in polaren Lösungsmitteln wie Wasser Mizellen oder Membranen. Oft wird der Begriff „Fett“ als Synonym für Lipide gebraucht, jedoch stellen die Fette (Triglyceride) nur eine Untergruppe der Lipide dar.
Die Lipide können in sieben Stoffklassen eingeteilt werden: Fettsäuren, Triglyceride (Fette und fette Öle), Wachse, Phospholipide, Sphingolipide, Lipopolysaccharide und Isoprenoide (Steroide, Carotinoide etc.). Nicht natürliche oder synthetische Stoffe dieser Klassen werden in der Regel nicht als Lipide bezeichnet.
Fettsäuren, Triacylglycerole (Fette und fette Öle) und Wachse Fettsäuren mini|Sowohl Myristinsäure (eine gesättigte Fettsäure) als auch Myristoleinsäure (eine ungesättigte Fettsäure) haben 14 Kohlenstoffatome. Myristoleinsäure weist im Gegensatz zur Myristinsäure eine Doppelbindung auf.
Fettsäuren sind meist unverzweigte Monocarbonsäuren, die aus einer Kohlenwasserstoffkette bestehen, an deren einem Ende sich eine Carboxygruppe befindet (siehe Bild).
Unterschieden wird zwischen gesättigten Fettsäuren, in denen keine Doppelbindungen vorkommen, und ungesättigten Fettsäuren, die eine oder mehrere Doppelbindungen besitzen (in der Natur meist in cis-Stellung und nicht in Konjugation miteinander). Die einfachste gesättigte Fettsäure ist – nach ursprünglicher Definition – die Buttersäure mit nur vier Kohlenstoffatomen.
Wichtige Vertreter der ungesättigten Fettsäuren sind Ölsäure (einfach ungesättigt) und Arachidonsäure (vierfach ungesättigt). Ungesättigte Fettsäuren können vom tierischen Organismus nur unter Einschränkung synthetisiert werden. Man bezeichnet daher all jene Fettsäuren, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, als essenzielle Fettsäuren (s. u.). Je mehr Doppelbindungen eine Fettsäure enthält, desto niedriger liegt ihr Schmelzpunkt.
Triacylglycerole (Fette und fette Öle) mini|Allgemeine Struktur der Triacylglycerole.Die Seitenketten R1, R2 und R3 stehen für Alkylreste der Fettsäuren.
Siehe die Hauptartikel Fette und fette Öle sowie Triacylglycerole.
Die Triacylglycerole (Triglyceride) machen mit mehr als 90 Prozent den Hauptanteil der Nahrungslipide aus. Sie sind ein wichtiger Energielieferant (1 g Fett enthält 38,9 kJ Energie, 1 g Zucker nur 17,2 kJ). Außerdem bilden Triacylglycerole den wichtigsten Energiespeicher des Körpers (Zucker, d. h. Glucose, wird zur Speicherung auch in Fett umgewandelt und nur in vergleichsweise geringen Mengen als kurzfristiger Puffer als Glykogen in der Leber und Muskulatur gespeichert), sie sind ein guter Kälteschutz in der Haut und schützen diese auch vor Verletzungen. Alle wichtigen Organe werden durch einen Fettmantel geschützt. Triacylglycerole bestehen aus Glycerol (Glycerin) und drei mit dem Glycerol veresterten Fettsäuren. Liegen sie bei Raumtemperatur (20 °C) flüssig vor, bezeichnet man sie als Öle, liegen sie fest vor als Fette. Sie sind wichtige Energiespeicher für Tiere und Pflanzen. Werden Triacylglycerole durch Verseifung gespalten, entstehen Glycerin und die entsprechenden Salze der Fettsäuren.
Wachse Echte Wachse mini|Bestandteile von Bienenwachs als Stellvertreter für Wachse Wachse sind Einfach-Ester von Fettsäuren und unterscheiden sich als solche von den Dreifach-Estern der Fette und Öle. Sowohl der Säuren- als auch der Alkoholteil von Wachsen haben lange gesättigte Alkylreste. Im Gegensatz zu Triglyceriden sind Wachse weniger „ölig“, außerdem härter und poröser.
Wachse als Stoffklasse Eine andere Definition (Deutsche Gesellschaft für Fettwissenschaft) sieht Wachse als Stoffklasse, die ausschließlich über ihre mechanisch-physikalischen Eigenschaften definiert wird. Laut dieser Definition sind Wachse bei 20 °C knetbar, fest bis brüchig hart, sie weisen eine grobe bis feinkristalline Struktur auf, farblich sind sie durchscheinend bis opak (undurchsichtig), aber nicht glasartig, über 40 °C schmelzen sie ohne Zersetzung, wenig oberhalb des Schmelzpunktes sind sie leicht flüssig (wenig viskos), weisen eine stark temperaturabhängige Konsistenz und Löslichkeit auf und sind unter leichtem Druck polierbar.
Membranbildende Lipide mini|Unterschiedliche Strukturen, die Phospholipide in wässrigen Lösungen annehmen können. Die Kreise sind hydrophile Köpfe und die gewellten Linien sind die hydrophoben Fettsäureketten.
Membranbildende Lipide sind solche, die einen hydrophilen und einen hydrophoben Teil besitzen – also amphiphil sind. Dies erlaubt es ihnen, als vergleichsweise polare Lipide, in polaren Lösungsmitteln wie Wasser je nach Beschaffenheit entweder Mizellen (kugelförmige Aggregate aus amphiphilen Molekülen, die sich in einem Dispersionsmedium spontan zusammenlagern) oder Doppellipidschichten zu bilden – wobei immer der hydrophile Teil mit dem polaren Lösungsmittel interagiert. Aus diesen Doppellipidschichten sind, mit Ausnahme der Membranen von Archaeen, alle Biomembranen aufgebaut, welche den Inhalt einer Zelle gegen die Umgebung abgrenzen. Membranbildende Lipide sind daher eine Grundvoraussetzung für die Zellbildung und somit für das Leben.
Phospholipide mini|hochkant=1.2|Allgemeine Struktur der PhosphoglycerideDie Reste R1 und R2 bestimmen die Fettsäuren, der Rest X bestimmt die Klasse. Bei X = H liegt Phosphatidsäure vor
Phospholipide bilden den Hauptbestandteil von Biomembranen. Man unterscheidet dabei Phosphoglyceride und Sphingomyeline. Die Struktur der Phosphoglyceride leitet sich von der Phosphatidsäure ab, welche den Triglyceriden ähnelt, mit dem Unterschied, dass sich an der C3-Hydroxygruppe statt des Acylrestes eine Phosphorylgruppe befindet. Diese gehören, wie auch die Triacylglyceride, zu den Glycerolipiden. Sphingomyeline hingegen unterscheiden sich von Glycerolipiden durch ihr Sphingosin-Grundgerüst. Die Phosphorsäurediestergruppe aller Phospholipide ist hydrophil (d. h. interagiert mit Wasser) und wird „Kopf“ genannt. Die Acylreste beziehungsweise der unpolare Teil des Sphingosins werden als „Schwanz“ bezeichnet und sind hydrophob. Dieser gegensätzliche Charakter führt zur Bildung von Lipid-Doppelschichten, bei denen der hydrophobe Teil der Membranlipide nach innen und der hydrophile Teil nach außen zeigen. Die wichtigsten am Aufbau von Biomembranen beteiligten Phospholipide sind die Phosphoglyceride Phosphatidylcholin (auch Lecithin), Phosphatidylethanolamin, Phosphatidylserin sowie Sphingomyeline. Letztere zählen sowohl zu den Phospho- als auch den Sphingolipiden. Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylserin werden auch als Kephaline bezeichnet. Eine vor allem in der intrazellulären Weiterleitung extrazellulärer Signale (Signaltransduktion) wichtige Gruppe der Phosphoglyceride sind die in verschiedenen Phosphorylierungsstufen auftretenden Phosphatidylinositole; als Kopfgruppe besitzen sie ein Phosphoinositol.
Sphingolipide mini|260px|Allgemeine Struktur der SphingolipideVerschiedene Reste (R) ergeben unterschiedliche Untergruppen.Wasserstoff – CeramidePhosphocholin oder Phosphoethanolamin – SphingomyelineSaccharid – Glycolipide
Sphingolipide sind ebenfalls Bestandteile von Zellmembranen. Ihr Grundgerüst besteht aus einer Fettsäure und Sphingosin. Sie werden unterschieden in die Gruppen der Ceramide, der Sphingomyeline und Glycolipide. Sphingolipide finden sich im Nervengewebe, sie spielen eine wichtige Rolle in der Signalübertragung und der Interaktion einzelner Zellen.
Glycolipide Glycolipide sind phosphatfreie, sphingosinhaltige Lipide mit einem glycosidisch an die 1-Hydroxy-Gruppe des Sphingosin gebundenen Kohlenhydrat-Anteil. Sie bilden häufig die Außenseite biologischer Membranen, wobei ihr Kohlenhydrat-Anteil auf der Zellmembran präsentiert wird. Es wird vermutet, dass diese eine Rolle in der Kommunikation und Interaktion zwischen einzelnen Zellen spielen. Glycolipide werden in Cerebroside, Ganglioside und Sulfatide unterschieden.
Etherlipide Etherlipide sind der Hauptbestandteil der Zellmembranen von Archaeen, nicht aber bei Bakterien oder Eukaryoten.S. Jain, A. Caforio, A. J. Driessen: Biosynthesis of archaeal membrane ether lipids. In: Frontiers in microbiology. Band 5, 2014, S. 641, doi:10.3389/fmicb.2014.00641. PMID 25505460, . In Archaeen sind die Etherlipide aus Glycerol mit Isoprenoiden aufgebaut. In geringem Umfang werden Etherlipide auch von Eukaryoten gebildet.
Isoprenoide Als Isoprenoide werden Verbindungen bezeichnet, die auf Isopreneinheiten aufbauen. Zu den Lipiden zählende Verbindungen sind die Steroide, Terpene und Terpenoide sowie die Carotinoide. Natürlich vorkommende Steroide gehören zu den Triterpenoid-Derivaten (Triterpenoid bedeutet, dass es aus 30 Kohlenstoffatomen besteht), da sie alle von Squalen ausgehend biosynthetisiert werden. Carotinoide werden zu den Tetraterpenoid-Derivaten (40 Kohlenstoffatome) gezählt, sie leiten sich von Lycopen ab.
Steroide mini|Grundstruktur aller Steroide, das Steran-Gerüst
Alle Steroide haben als Grundstruktur ein System aus vier, üblicherweise trans-verbundenen Kohlenstoffringen, drei sechseckigen und einem fünfeckigen. Der bekannteste Vertreter der Steroide ist das zu den Sterinen zählende Cholesterin. Es ist unter anderem auch ein essentieller Bestandteil aller Zellmembranen mit Ausnahme der Innenmembran der Mitochondrien und kann somit im erweiterten Sinne auch zu den Membranlipiden gezählt werden. Es liegt in der Regel in veresterter Form als Cholesterinester der Fettsäuren vor. Das Spektrum der Fettsäuren der Cholesterinester in einem Lebewesen ist stark von seiner Ernährung abhängig.
Gallensäuren, die an der Fettverdauung beteiligt sind, besitzen einen hydrophoben und einen hydrophilen Teil, können somit Fette ummanteln und damit deren Absorption im Verdauungstrakt erleichtern.
Zu den Steroiden gehören auch die in den Eierstöcken und den Hoden produzierten Sexualhormone. Sie steuern die Fortpflanzung und die Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale. Die weiblichen Geschlechtshormone sind Progesteron und Östrogen, die männlichen Androgene (z. B. Testosteron und Androsteron).
Weitere Beispiele sind andere Zoo-, Myco- und Phytosterine und deren Ester wie z. B. Ergosterin, Vitamin D und Herzglycoside (z. B. Digitalis und Strophanthin). Phytosterine wie z. B. β-Sitosterin, Stigmasterin und Campesterin und deren Ester treten vermehrt bei vegetarischer Ernährung im Humanserum auf.
Carotinoide 350px|mini|β-Carotin