ליפידים: הגדרה, מבנה, פונקציה ודוגמאות

תוֹכֶן

• TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
• מבנה ליפידים
• דוגמאות לליפידים
• פונקציות של ליפידים
• ליפידים ובריאות
• מחקר ליפיד מתמשך

ליפידים כוללים קבוצה של תרכובות כמו שומנים, שמנים, סטרואידים ושעווה הנמצאים באורגניזמים חיים. גם הפרוקריוטות וגם האוקריוטות הם בעלי ליפידים, הממלאים תפקידים חשובים רבים מבחינה ביולוגית, כגון היווצרות קרום, הגנה, בידוד, אחסון אנרגיה, חלוקת תאים ועוד. ברפואה מתייחס לליפידים לשומני דם.

TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)

ליפידים מייעדים שומנים, שמנים, סטרואידים ושעווה הנמצאים באורגניזמים חיים. ליפידים משמשים פונקציות מרובות על פני מינים, לאחסון אנרגיה, הגנה, בידוד, חלוקת תאים ותפקידים ביולוגיים חשובים אחרים.

מבנה ליפידים

ליפידים עשויים מטריגליצריד העשוי מאלכוהול גליצרול בתוספת חומצות שומן. תוספות למבנה בסיסי זה מניבות גיוון רב בשומנים. מעל 10,000 סוגים של ליפידים התגלו עד כה, ורבים עובדים עם מגוון עצום של חלבונים למטבוליזם סלולרי ולהובלת חומרים. ליפידים קטנים משמעותית מחלבונים.

דוגמאות לליפידים

חומצות שומן הן סוג אחד של ליפיד ומשמשות כאבני בניין גם לליפידים אחרים. חומצות שומן מכילות קבוצות קרבוקסיל (-COOH) הקשורות לשרשרת פחמן עם הידרוגנים צמודים. שרשרת זו אינה מסיסה במים. חומצות שומן יכולות להיות רוויות או בלתי רוויות. לחומצות שומן רוויות יש קשרי פחמן בודדים, ואילו לחומצות שומן בלתי רווי יש קשרים כפולים של פחמן. כאשר חומצות שומן רווי משתלבות עם טריגליצרידים, התוצאה היא שומנים מוצקים בטמפרטורת החדר. הסיבה לכך היא שהמבנה שלהם גורם להם להתארגן בחוזקה. לעומת זאת, חומצות שומן בלתי רוויות בשילוב עם טריגליצרידים נוטות להניב שמנים נוזליים. המבנה המקורק של שומנים לא רוויים מניב חומר נוזל יותר ויותר נוזל בטמפרטורת החדר.

פוספוליפידים עשויים מ טריגליצריד עם קבוצת פוספטים החליפה חומצה שומנית. ניתן לתאר אותם כבעלי ראש טעון וזנב פחמימני. ראשם הידרופילי, או אוהב מים, ואילו זנבותיהם הידרופוביות או דוחים למים.

דוגמא נוספת לליפיד היא כולסטרול. כולסטרולים מסדרים למבני טבעת קשיחים של חמישה או שישה אטומי פחמן, עם הידרוגנים מחוברים וזנב פחמימני גמיש. הטבעת הראשונה מכילה קבוצת הידרוקסיל המשתרעת בסביבות מים של קרומי תאים של בעלי חיים. עם זאת, שאר המולקולה אינה מסיסה במים.

חומצות שומן רב בלתי רוויות (PUFAs) הן ליפידים המסייעים לנוזליות הממברנה. PUFAs משתתפים באיתות תאים הקשורים לדלקת עצבית ומטבוליזם אנרגטי. הם יכולים לספק השפעות נוירוכנותיות כמו חומצות שומן אומגה 3, ובנוסחה זו הן אנטי דלקתיות. לגבי חומצות שומן אומגה 6, PUFAs יכולים לגרום לדלקת.

סטרולים הם ליפידים הנמצאים בקרומי צמחים. גליקוליפידים הם ליפידים המקושרים לפחמימות והם חלק מבריכות השומנים הסלולריות.

פונקציות של ליפידים

ליפידים ממלאים מספר תפקידים באורגניזמים. ליפידים מהווים מחסומי הגנה. הם כוללים קרומי תאים וחלק ממבנה דפנות התא בצמחים. ליפידים מספקים אחסון אנרגיה לצמחים ובעלי חיים. לעיתים קרובות, שומנים מתפקדים לצד חלבונים. תפקודי השומנים יכולים להיות מושפעים משינויים בקבוצות הראש הקוטב שלהם, כמו גם על ידי שרשראות הצד שלהם.

פוספוליפידים מהווים את הבסיס לשכבות הדו-שומניות, בעלות אופים האמפיפתי, המרכיבות את קרומי התא. השכבה החיצונית מתקשרת עם מים ואילו השכבה הפנימית קיימת כחומר שמנוני גמיש. האופי הנוזלי של קרומי התא מסייע בתפקודם. ליפידים מהווים לא רק ממברנות פלזמה, אלא גם תאים תאיים כמו המעטפה הגרעינית, אנדופלסמה רטריקול (ER), מנגנון גולגי ושלפוחית.

ליפידים משתתפים גם הם בחלוקת התא. חלוקת תאים מווסתת את תכולת השומנים בהתאם למחזור התא. לפחות 11 ליפידים מעורבים בפעילות מחזור התאים. ספינגוליפידים ממלאים תפקיד בציטוקינזיס במהלך הבין-שלבי. מכיוון שחלוקת תאים מביאה למתח קרומי בפלסמה, נראה כי ליפידים עוזרים בהיבטים מכניים של חלוקה כמו קשיחות הממברנה.

ליפידים מספקים מחסומי הגנה לרקמות מיוחדות כמו עצבים. נדן המיאלין המגן על העצבים המקיפים מכיל ליפידים.

ליפידים מספקים את כמות האנרגיה הגדולה ביותר מצריכה, כשהם בעלי יותר מפי שניים מכמות האנרגיה כחלבונים ופחמימות. הגוף מפרק שומנים בעיכול, חלקם לצרכי אנרגיה מיידית ואחרים לאחסון. הגוף שואף לאחסון השומנים לצורך פעילות גופנית על ידי שימוש בליפזים לפירוק הליפידים הללו, ובסופו של דבר לייצר יותר אדנוזין טריפוספט (ATP) לתאי הכוח.

בצמחים, שמני זרעים כמו triacylglycerols (TAGs) מספקים אחסון מזון להנבטת זרעים וגדילה הן באנגיוספרמים והן בגני התעמלות. שמנים אלו מאוחסנים בגופי שמן (OB) ומוגנים על ידי פוספוליפידים וחלבונים הנקראים אולאוסינים. כל החומרים הללו מיוצרים על ידי תכנית ה- endoplasmic reticulum (ER). ניצני גוף השמן מה- ER.

ליפידים מעניקים לצמחים את האנרגיה הדרושה לתהליכים המטבוליים והאותות שלהם בין התאים. הפלאם, אחד ממנות התובלה העיקריות של צמחים (יחד עם הקסילם), מכיל ליפידים כמו כולסטרול, סיטוסטרול, קמפוסטרול, סטיגמאסטרול וכמה הורמונים ומולקולות ליפופיליות שונות. השומנים השונים עשויים למלא תפקיד באיתות בעת פגיעה בצמח. פוספוליפידים בצמחים פועלים גם כתגובה ללחצים סביבתיים על הצמחים וכן בתגובה לזיהומים פתוגניים.

אצל בעלי חיים ליפידים משמשים גם כבידוד מהסביבה וכמגנה על איברים חיוניים. ליפידים מספקים גם ציפה ואיטום מים.

ליפידים המכונים סרמידס, המבוססים על ספינגואידי, מבצעים פונקציות חשובות לבריאות העור. הם עוזרים להרכיב את האפידרמיס, המשמשת כשכבת העור החיצונית ביותר המגנה מפני הסביבה ומונעת אובדן מים. סרמידות פועלות כמבשרים למטבוליזם של הסינגוליפיד; מטבוליזם פעיל בשומנים מתרחש בעור. הספינגוליפידים מהווים שומנים מבניים ומסמנים את אותות העור. הספינגומיאלינים, המיוצרים מסרמידות, נפוצים במערכת העצבים ומסייעים לתאי עצב מוטוריים לשרוד.

ליפידים ממלאים גם תפקיד באיתות תאים. במערכת העצבים המרכזית וההיקפית שומנים השומנים על נזילות הממברנות ומסייעים בהעברת אותות חשמליים. ליפידים עוזרים לייצב סינפסות.

ליפידים חיוניים לצמיחה, מערכת חיסון בריאה ורבייה. ליפידים מאפשרים לגוף לאגור ויטמינים בכבד כמו הוויטמינים המסיסים בשומן A, D, E ו- K. כולסטרול משמש כמבשר להורמונים כמו אסטרוגן וטסטוסטרון. זה גם מייצר חומצות מרה, הממיסות שומן. הכבד והמעיים מהווים כ 80 אחוז מהכולסטרול, ואילו השאר מתקבלים ממזון.

ליפידים ובריאות

באופן כללי, שומנים מן החי הם רוויים ולכן מוצקים, ואילו שמנים צמחיים נוטים להיות בלתי רוויים ולכן נוזלים. בעלי חיים אינם יכולים לייצר שומנים בלתי רוויים, ולכן יש לצרוך שומנים אלה מיצרנים כמו צמחים ואצות. בתורו, בעלי חיים שאוכלים את צרכני הצומח הללו (כמו דגי מים קרים) משיגים אותם שומנים מועילים. שומנים בלתי רוויים הם השומנים הבריאים ביותר לאכילה מכיוון שהם מפחיתים את הסיכון למחלות. דוגמאות לשומנים אלה כוללות שמנים כמו שמני זית וחמניות, כמו גם זרעים, אגוזים ודגים. ירקות ירוקים עלים הם גם מקורות טובים לשומנים בלתי רוויים בתזונה. חומצות השומן בעלים משמשות בכלורופלסטים.

שומנים טרנסיים הם שמנים מתוכננים חלקית ממותנים הדומים לשומנים רוויים. בעבר שימשו בבישול, טרנס שומנים נחשבים כיום לא בריאים לצריכה.

יש לצרוך שומנים רוויים פחות משומנים בלתי רוויים מכיוון ששומנים רוויים עלולים להגביר את הסיכון למחלות. דוגמאות לשומנים רוויים כוללות בשר מן החי האדום ומוצרי חלב שומניים וכן שמן קוקוס ושמן דקלים.

כאשר אנשי מקצוע בתחום הרפואה מתייחסים לשומנים כמו שומנים בדם, זה מתאר את סוג השומנים המדוברים לעיתים קרובות ביחס לבריאות הלב וכלי הדם, במיוחד כולסטרול. ליפופרוטאינים מסייעים בהובלת הכולסטרול למרות הגוף. ליפופרוטאין בצפיפות גבוהה (HDL) מתייחס לכולסטרול שהוא שומן "טוב". זה משמש לסייע בהסרת כולסטרול רע דרך הכבד. כולסטרולים "רעים" כוללים LDL, IDL, VLDL וטריגליצרידים מסוימים. שומנים רעים מגבירים את הסיכון להתקף לב ושבץ עקב הצטברותם כבלוח, דבר שעלול להוביל לעורקים סתומים. לכן איזון של שומנים חיוני לבריאות.

מצבי עור דלקתיים עשויים להפיק תועלת מצריכת ליפידים מסוימים כמו חומצה איקוספנטואנואית (EPA) וחומצה דוקסהקסאנואית (DHA). הוכח כי ה- EPA משנה את פרופיל הקרמיד של העור.

מספר מחלות קשורות לליפידים בגוף האדם. היפר-טריגליצרידמיה, מצב של טריגליצרידים גבוהים בדם, עלולה להוביל לדלקת הלבלב. מספר תרופות פועלות להפחתת הטריגליצרידים, למשל על ידי אנזימים המפרים את שומני הדם. הפחתה גבוהה בטריגליצרידים נמצאה אצל חלק מהאנשים על ידי תוסף רפואי באמצעות שמן דגים.

ניתן לרכוש היפר-כולסטרולמיה (כולסטרול גבוה בדם) או גנטי. אנשים הסובלים מהיפר-כולסטרולמיה משפחתית הם בעלי ערכי כולסטרול גבוהים במיוחד שלא ניתן לשלוט בהם באמצעות תרופות. זה מגדיל מאוד את הסיכון להתקף לב ושבץ מוחי, כאשר אנשים רבים מתים לפני גיל 50.

מחלות גנטיות המביאות להצטברות גבוהה של שומנים בכלי הדם מכונות מחלות אגירת שומנים. אחסון שומן מופרז זה מניב השפעות מזיקות למוח ולחלקים אחרים בגוף. כמה דוגמאות למחלות אחסון שומנים כוללות מחלת פאברי, מחלת גושה, מחלת ניימן-פיק, מחלת סנדהוף וטיי-סאקס. לרוע המזל, רבות ממחלות האחסון בשומנים אלה גורמות למחלה ומוות בגיל צעיר.

ליפידים ממלאים גם תפקיד במחלות עצב מוטוריות (MNDs), מכיוון שמצבים אלה מאופיינים לא רק בניוון תאי עצב מוטורי, אלא גם בבעיות במטבוליזם של השומנים. ב- MNDs, השומנים המבניים של מערכת העצבים המרכזית משתנים וזה משפיע הן על הממברנות והן על איתות תאים. לדוגמא, היפר-מטבוליזם מתרחש עם טרשת עורקים אמיוטרופית (ALS). נראה שיש קשר בין תזונה (במקרה זה, אין מספיק קלוריות שומנים נצרכים) לבין סיכון להתפתחות ALS. שומנים גבוהים יותר תואמים את התוצאות הטובות יותר עבור חולי ALS. תרופות שמכוונות לספינגוליפידים נחשבים כטיפולים בחולי ALS. יש צורך במחקר נוסף בכדי להבין טוב יותר את המנגנונים המעורבים וכדי לספק אפשרויות טיפול מתאימות.

באטרופיה של שרירי עמוד השדרה (SMA), מחלה רצסיבית אוטוזומלית גנטית, שומנים אינם משמשים כראוי לאנרגיה. אנשים ב- SMA בעלי מסת שומן גבוהה במצב צריכת קלוריות נמוכה. לכן, שוב, תפקוד לקוי של חילוף החומרים השומני ממלא תפקיד מרכזי במחלת עצב מוטורית.

קיימות עדויות לכך שחומצות שומן אומגה 3 ממלאות תפקיד מועיל במחלות ניווניות כמו אלצהיימר ומחלות פרקינסון. זה לא הוכח כנהוג ב- ALS, ולמעשה ההשפעה ההפוכה של רעילות נמצאה בדגמי עכברים.

מחקר ליפיד מתמשך

מדענים ממשיכים לגלות שומנים חדשים.נכון לעכשיו, ליפידים לא נחקרים ברמה של חלבונים ולכן הם פחות מובנים. חלק גדול מהסיווג השומני הנוכחי הסתמך על כימאים וביו-פיזיקאים, עם דגש על מבנה ולא על תפקוד. בנוסף, היה זה מאתגר להקניט תפקודים של שומנים בגלל הנטייה שלהם לשלב עם חלבונים. קשה גם להבהיר את תפקוד השומנים בתאים חיים. תהודה מגנטית גרעינית (NMR) וספקטרומטריית המונים (MS) מניבים זיהוי כלשהו של ליפידים בעזרת תוכנת מחשוב. עם זאת, יש צורך ברזולוציה טובה יותר במיקרוסקופיה בכדי לקבל תובנה לגבי מנגנוני שומנים ותפקודים. במקום לנתח קבוצה של תמציות ליפידים, יהיה צורך בטרשת נפוצה ספציפית יותר כדי לבודד ליפידים ממכלולי החלבון שלהם. תיוג איזוטופי יכול לשמש לשיפור הדמיון ולכן הזדהות.

ברור כי ליפידים, בנוסף למאפיינים המבניים והאנרגטיים הידועים שלהם, יש תפקיד בתפקודים מוטוריים חשובים ואיתות. ככל שהטכנולוגיה משתפרת לזיהוי והמחשה של ליפידים, יהיה צורך במחקר נוסף בכדי לברר את תפקוד השומנים. בסופו של דבר התקווה היא שניתן יהיה לתכנן סמנים שלא ישבשו יתר על המידה בתפקוד השומנים. היכולת לתפעל את תפקוד השומנים ברמות תת-תאיות עשויה לספק פריצת דרך מחקרית. זה יכול לחולל מהפכה במדע באותה צורה שיש למחקר חלבונים. בתורו, ניתן לייצר תרופות חדשות העשויות לסייע לסובלים מהפרעות בשומנים.