Lipidy proste i złożone

Lipidy nie są grupą wyodrębnioną na podstawie wspólnej budowy, lecz wspólnej właściwości: nie rozpuszczają się w wodzie, rozpuszczają się natomiast w rozpuszczalnikach niepolarnych. Ta jedna cecha wynika z przewagi atomów węgla i wodoru w łańcuchach kwasów tłuszczowych, które budują większość lipidów: długie łańcuchy węglowodorowe są hydrofobowe, bo nie tworzą wiązań wodorowych z wodą. Z tej właściwości wynikają wszystkie funkcje biologiczne tej grupy: tłuszcze magazynują energię, fosfolipidy budują błony, steroidy pełnią funkcje hormonalne i strukturalne, a woski chronią powierzchnie przed wodą.

Lipidy proste i złożone różni liczba rodzajów składników w cząsteczce: proste to estry zbudowane tylko z kwasu tłuszczowego i alkoholu, złożone mają dodatkowy, trzeci składnik. Do prostych należą tłuszcze właściwe i woski, do złożonych fosfolipidy i glikolipidy. Osobną grupę, niepasującą do tego podziału, stanowią steroidy, zbudowane nie z kwasów tłuszczowych, lecz z czterech skondensowanych pierścieni węglowych.

Dokładniej lipidy klasyfikuje się według szkieletu cząsteczki. Estry glicerolu dzielą się na triacyloglicerole, czyli tłuszcze obojętne, oraz glicerofosfolipidy z dodaną resztą fosforanową. Sfingolipidy powstają nie z glicerolu, lecz ze sfingozyny, długołańcuchowego aminoalkoholu: należą do nich sfingomieliny, z resztą fosforanową, i glikolipidy, z resztą cukrową. Do tego dochodzą ikozanoidy: pochodne dwudziestowęglowych kwasów tłuszczowych, takie jak prostaglandyny i leukotrieny, pełniące funkcję lokalnych cząsteczek sygnałowych.

Tłuszcze właściwe powstają z glicerolu i trzech kwasów tłuszczowych połączonych wiązaniami estrowymi. Kwasy nasycone mają wyłącznie wiązania pojedyncze między atomami węgla, przez co ich łańcuchy są proste i ciasno się układają, więc tłuszcz jest stały w temperaturze pokojowej. Wiązanie podwójne w konfiguracji cis, typowej dla kwasów nienasyconych występujących naturalnie, załamuje łańcuch: cząsteczki nie przylegają do siebie i tłuszcz pozostaje ciekły. Tak samo działa długość łańcucha: im krótszy, tym słabiej cząsteczki oddziałują. Dlatego organizmy żyjące w zimnie budują błony z kwasów tłuszczowych krótszych i bardziej nienasyconych, a błona zachowuje płynność.

Jako materiał zapasowy tłuszcze przewyższają węglowodany: dostarczają około 37 kJ na gram wobec 17 kJ, a przy tym magazynowane są bezwodnie. Ta sama ilość energii zajmuje więc znacznie mniej miejsca i waży mniej, co ma znaczenie zwłaszcza dla zwierząt aktywnie się poruszających.

Fosfolipid różni się od triglicerydu jednym szczegółem: w miejsce trzeciego kwasu tłuszczowego wchodzi reszta fosforanowa. Powstaje cząsteczka amfipatyczna, czyli mająca jednocześnie część hydrofilową i hydrofobową: hydrofilową główkę tworzy reszta fosforanowa, a hydrofobowe ogony dwa pozostałe łańcuchy kwasów tłuszczowych. W środowisku wodnym takie cząsteczki ustawiają się ogonami do siebie. Dzieje się to samo, bez dostarczania energii z zewnątrz i bez udziału enzymów. Napędza to efekt hydrofobowy: uporządkowane cząsteczki wody otaczające hydrofobowe ogony uwalniają się i rosnący nieporządek (entropia) opłaca cały proces energetycznie, bez udziału ATP. Dwa ogony nadają cząsteczce kształt zbliżony do walca, który dobrze pasuje do płaskiej dwuwarstwy; mydło i wolne kwasy tłuszczowe mają tylko jeden ogon, więc ich stożkowaty kształt łatwiej zwija się w kulistą micelę niż układa płasko.

Cholesterol, najważniejszy steroid błon komórkowych, działa jak bufor płynności: w wysokiej temperaturze usztywnia błonę, ograniczając nadmierny ruch łańcuchów, a w niskiej zapobiega ich zbyt ciasnemu upakowaniu, więc błona nie zamarza. Z cholesterolu organizm syntetyzuje też hormony płciowe i witaminę D. Woski, estry kwasów tłuszczowych z długołańcuchowymi alkoholami, pokrywają liście, pióra i pancerze owadów, ograniczając parowanie wody i chroniąc przed jej wnikaniem z zewnątrz.

Cholesterol i triglicerydy nie rozpuszczają się we krwi, więc podróżują w niej opakowane w lipoproteiny: kuliste cząstki z płaszczem z fosfolipidów i białek na powierzchni i tłuszczem w środku. Nazwy LDL i HDL pochodzą od gęstości tych cząstek, którą wyznacza stosunek białka do tłuszczu: im więcej białka, tym cząstka gęstsza i mniejsza, a więc ma więcej powierzchni względem swojej objętości. Chylomikrony przenoszą tłuszcz wchłonięty z pokarmu z jelita do tkanek. LDL, duża i mało gęsta, transportuje cholesterol z wątroby do komórek całego ciała, a gdy jest go za dużo, odkłada się w ścianach tętnic i buduje blaszki miażdżycowe, stąd potoczna nazwa „zły cholesterol". HDL, mała i gęsta, dzięki większej powierzchni względem objętości sprawniej odbiera nadmiar cholesterolu z tkanek i naczyń i zwraca go do wątroby do usunięcia, dlatego nazywa się „dobrym cholesterolem".

Niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe (NNKT) to kwas linolowy (omega-6) i kwas α-linolenowy (omega-3): organizm człowieka nie ma enzymów zdolnych wprowadzić wiązanie podwójne w tych konkretnych miejscach łańcucha, więc oba muszą pochodzić z pożywienia. Nazwy omega-3 i omega-6 mówią, przy którym atomie węgla, licząc od końca łańcucha przeciwnego do grupy karboksylowej, siedzi pierwsze wiązanie podwójne. Przeciwieństwem są tłuszcze trans, powstające przy częściowym uwodornieniu olejów roślinnych na margarynę: łańcuch układa się w nich niemal jak nasycony, a spożywane podnoszą poziom LDL i obniżają HDL, zwiększając ryzyko chorób sercowo-naczyniowych bardziej niż tłuszcze nasycone. Lipidy są też nośnikiem witamin A, D, E i K, które rozpuszczają się w tłuszczach. Dieta całkowicie beztłuszczowa prowadzi więc do niedoboru zarówno NNKT, jak i tych witamin.