A lipidek

Néha úgy emlegetjük a zsírt, mintha valami rosszindulatú, az étkezésünk tönkretételére hajlamos anyag lenne. Valójában a zsírok elegáns kis molekulák: mindegyik három hosszú szénhidrogénláncból áll, melyek egy kis ruhafogasszerű molekulához, a glicerinhez kapcsolódnak. A többi nagyméretű biológiai molekulához hasonlóan nélkülözhetetlen szerepet játszanak az emberek és más szervezetek biológiájában. (Az elmúlt évek számos étrenddel kapcsolatos tanulmánya szerint a cukor sokkal több egészségügyi problémát okoz, mint a zsír!)

A zsírok csak egyik típusát jelentik a lipidek, a molekulák azon csoportját, amelyek közös tulajdonsága, hogy vízzel nem elegyednek. A lipidek általában hidrofóbok, apolárisak, és legtöbbször szénhidrogénláncokból állnak, bár vannak különböző változataik is, melyeket az alábbiakban fogunk tanulmányozni. A lipidek különböző fajtáinak szerkezete eltérő, és ennek megfelelően különböző szerepeket töltenek be a szervezetekben. Például lipidek tárolják az energiát, szigetelnek, felépítik a sejtmembránokat, a leveleken víztaszító réteget képeznek, és olyan hormonok építőegységei, mint a tesztoszteron.

Részletesebben is megnézünk a lipidek legfontosabb típusai közül néhányat, beleértve a zsírokat és olajokat, viaszokat, foszfolipideket és szteroidokat.

A zsírmolekula két részből tevődik össze: egy glicerinvázból és három zsírsavvégből. A glicerin kisméretű szerves molekula három hidroxilcsoporttal (OH), míg a zsírsav hosszú szénhidrogénláncot tartalmaz, amely egy karboxilcsoporthoz kapcsolódik. Egy tipikus zsírsav 12–18 szénatomot tartalmaz, ám esetenként ez a szám lehet csupán 4, vagy akár 36 is.

A zsírmolekulák előállításához a glicerinváz hidroxilcsoportjai kondenzációs reakcióban reagálnak a zsírsavak karboxilcsoportjaival. Így zsírmolekula keletkezik három zsírsavrésszel, amelyek észterkötéseken keresztül (olyan kötés, amelynél egy további oxigénatom van a karbonil-csoport (-C=O) mellett) kapcsolódnak a glicerinvázhoz. A trigliceridek három azonos, vagy akár három különböző zsírsavláncot is tartalmazhatnak (különböző hosszúságúak, vagy a kettős kötések helye eltér).

A zsírmolekulákat triacil-glicerinnek, vagy az egészségügyi vérteszteknél trigliceridnek is nevezik. Az emberi szervezetben a trigliceridek elsősorban speciális zsírsejtekben, úgynevezett adipocitákban tárolódnak, amelyek a zsírszövetként ismert szövetet alkotják$^1$start superscript, 1, end superscript. Míg sok zsírsav zsírmolekulákban található, vannak olyanok is, amelyek szabadon léteznek a szervezetben, és a lipidek külön típusának tekinthetőek.

Ahogy azt a fenti ábra is mutatja, a triglicerid három zsírsavrészének nem szükséges azonosnak lennie. A zsírsavláncok nem csak hosszukban, de telítetlenségük mértékében is különbözhetnek.

A telítetlen zsírsavak kettős kötései ugyanúgy, mint más kettős kötések, cisz vagy transz konfigurációban fordulhatnak elő. Cisz konfigurációban a kötéshez kapcsolódó két hidrogén ugyanazon az oldalon helyezkedik el, míg transz konfigurációban ellentétes oldalakon vannak (lásd alább). A cisz kettős kötés a zsírsavmolekula meghajlását eredményezi, aminek a zsírok viselkedésére nézve fontos következményei vannak.

A telített zsírsavláncok egyenesek, így a teljesen telített láncú zsírmolekulák szorosan egymáshoz illeszkednek. Ez a szoros illeszkedés azt eredményezi, hogy ezek a zsírok szobahőmérsékleten szilárdak (viszonylag magas olvadáspontjuk van). Például a vajban található legtöbb zsír telített$^2$squared.

Ezzel ellentétben a cisz konfigurációjú telítetlen zsírsavláncok a cisz kettős kötés miatt hajlítottak. Ez megnehezíti a szoros rendeződést azoknak a zsírmolekuláknak a számára, melyekben egy, vagy több cisz-telítetlen zsírsavlánc is van. Így azok a zsírok, melyek lánca telítetlen, szobahőmérsékleten általában folyékonyak (és viszonylag alacsony az olvadáspontjuk), ezek tehát azok, amelyeket köznapi értelemben olajnak hívunk. Például az olívaolaj túlnyomórészt telítetlen zsírokból áll$^2$squared.

Ennél a pontnál talán észreveszed, hogy valamit kihagytam: nem beszéltem még azokról a telítetlen zsírokról, melyek zsírsavláncaiban transz kettős kötések találhatóak. Ezeket a zsírokat transz-zsíroknak is nevezhetjük. A transz-zsírok ritkák a természetben, de könnyen előállíthatóak a részleges hidrogénezésnek nevezett ipari eljárással.

Ebben az eljárásban hidrogéngázt vezetnek át az olajokon (többnyire cisz-telítetlen zsírokon), hogy néhány, – de nem az összes – kettős kötést egyszeres kötéssé alakítsák át. A részleges hidrogénezés célja, hogy az olajokat a telített zsírok néhány kívánatos tulajdonságával ruházzák fel, mint például, hogy szobahőmérsékleten szilárdak legyenek. De nem kívánatos következmény az, hogy egyes cisz kettős kötések konfigurációja megváltozik, és transz kettős kötés lesz belőlük$^3$cubed. A transz-telítetlen zsírsavak szorosabban illeszkedhetnek, és nagyobb valószínűséggel szilárdak szobahőmérsékleten. Néhány növényi margarin például nagy mennyiségű transz-zsírsavat tartalmaz$^3$cubed.

A részleges hidrogénezés és az így kapott transz-zsírok jó megoldásnak tűnt ahhoz, hogy vajszerű anyagot kapjunk nagyjából növényi olaj árban. Sajnos a transz-zsírokról kiderült, hogy meglehetősen negatív hatással vannak az emberi egészségre. Az transz-zsírok és a szívkoszorúér megbetegedések közötti erőteljes kapcsolat miatt az Egyesült Államok Élelmezési és Gyógyszerügyi Hivatala (FDA) nemrégiben megtiltotta az élelmiszerekben a transz-zsírok jelenlétét, hároméves határidőt adva a vállalatok számára, hogy termékeikből eltávolítsák a transz-zsírokat $^4$start superscript, 4, end superscript.

A zsírsavaknak egy másik figyelmet érdemlő csoportjába tartoznak az omega-3 és omega-6 zsírsavak. Különböző típusú omega-3 és omega-6 zsírsavak vannak, de a kiindulási prekurzoruk közös: az omega-3 esetén az alfa-linolénsav (ALA), az omega-6 esetén a linolsav (LA).

Az emberi testnek szüksége van ezekre a molekulákra (és ezek származékaira), de nem képes szintetizálni sem az alfa-linolénsavat, sem a linolsavat$^5$start superscript, 5, end superscript. Ennek megfelelően az alfa-linolénsav és a linolsav esszenciális zsírsavak, így táplálékkal kell bejuttatni az emberi szervezetbe. Egyes halak, például a lazac, valamint néhány magféle, például a chia és a len, jó forrásai az omega-3 zsírsavaknak.

Az omega-3 és az omega-6 zsírsavak legalább két cisz telítetlen kötést tartalmaznak, ami miatt hajlított szerkezetük van. Az alábbiakban bemutatott linolsav meglehetősen hajlított, de nem a legszélsőségesebb példa: a dokozahexánsav (DHA) olyan omega-3 zsírsav, amely az alfa-linolénsavból állítható elő további kettős kötések kialakításával, hat cisz telítetlen kötést tartalmaz, és szinte körré záródik.

Az omega-3 és omega-6 zsírsavak számos szerepet játszanak a szervezetben. Prekurzorok (kiindulási anyagok) több fontos jelátviteli molekula szintéziséhez, beleértve azokat is, amelyek szabályozzák a gyulladást és a hangulatot. Különösen az omega-3 zsírsavak csökkenthetik a szívroham okozta hirtelen halál kockázatát, csökkenthetik a vér trigliceridszintjét és a vérnyomást, valamint megakadályozhatják a vérrögképződést.

A zsírok sok rossz reklámot kaptak, és igaz, hogy nagy mennyiségű zsírban sült étel és más „zsíros” ételek fogyasztása súlygyarapodáshoz és egészségügyi problémákhoz vezethet. Ugyanakkor a zsírok alapvető fontosságúak a szervezet számára, és számos fontos funkcióval rendelkeznek.

Például számos vitamin zsírban oldódik, vagyis zsírmolekulákhoz kell kapcsolódnia ahhoz, hogy a szervezet hatékonyan felszívja őket. A zsírok hatékony módot nyújtanak az energia hosszú távú tárolására, mivel grammonként több mint kétszer annyi energiát tartalmaznak, mint a szénhidrátok, és ezenkívül biztosítják a szervezet szigetelését is.

Mint minden más nagyméretű biológiai molekulából, a zsírokból is megfelelő mennyiség szükséges ahhoz, hogy a tested (és más szervezetek testjeit) megfelelően működtessék.

A viaszok a lipidek egy másik biológiailag fontos csoportja. Viasz borítja egyes vízimadarak tollát és bizonyos növények leveleinek felületét, mely esetekben a viasz hidrofób (víztaszító) tulajdonságai meggátolják, hogy a víz hozzátapadjon, vagy átázzon a felületet. Ezért gyöngyözik sok növény levelén a víz, és ezért nem áznak át a madarak esőben.

Szerkezetüket tekintve a viaszok jellemzően hosszabb zsírsavláncokat tartalmaznak, amelyek észterkötéssel kapcsolódnak az alkoholokhoz, bár a növények által termelt viaszokban gyakran egyszerű szénhidrogének is vannak$^6$start superscript, 6, end superscript.

Mi akadályozza meg a sejt belsejében lévő ragacsos anyag (citoszol) kijutását? A sejteket a sejtmembrán veszi körül, amely a sejt belseje és a sejt külső környezete közötti választófalként szolgál.

A sejtmembrán fő összetevői speciális lipidek, a foszfolipidek. A zsírokhoz hasonlóan jellemzően ezek is zsírsavláncokból állnak, amelyek egy glicerinvázhoz kapcsolódnak. Azonban a foszfolipidek általában három helyett csak két zsírsavrészt tartalmaznak, és a glicerinváz harmadik szénatomjához egy módosított foszfátcsoport kapcsolódik. A különböző foszfolipidekben a foszfátcsoport különböző származékai találhatóak. Közismert származékképző pl. a kolin (nitrogéntartalmú vegyület), és a szerin (aminosav). A különböző származékképzők miatt a sejtben található foszfolipidek tulajdonságai és funkciói is eltérőek lesznek.

A foszfolipid amfipatikus molekula, ami azt jelenti, hogy molekulája hidrofób és hidrofil részt is tartalmaz. A zsírsavláncok hidrofóbok, így nem lépnek kölcsönhatásba vízzel, míg a foszfáttartalmú csoport (töltése miatt) hidrofil, és könnyen kölcsönhatásba lép vízzel. A membránban a foszfolipidek úgynevezett kettősrétegbe rendeződnek, a foszfátfejek a víz felé, a zsírsavláncok (farkak) pedig befelé mutatnak (lásd fent). Ez a szerkezet megakadályozza, hogy a hidrofób láncok érintkezzenek a vízzel, ezáltal alacsony energiaigényű, stabil elrendeződés alakul ki.

Ha egy csepp foszfolipidet vízbe helyezünk, spontán módon, gömb alakú, micellának nevezett szerkezetet képez, melyben a hidrofil foszfátfejek kifelé, a zsírsavak pedig a micella belseje felé néznek. A micellák kialakulása energetikailag kedvező, mert a hidrofób zsírsavrészek elkülönülnek, és így a hidrofil foszfátfejcsoportok kölcsönhatásba léphetnek a környező vízzel$^{7,8}$start superscript, 7, comma, 8, end superscript.

A lipidmolekulák egy másik csoportját alkotják a szteroidok, melyek közös jellemzője a négy kondenzált gyűrűt tartalmazó szerkezet. Habár szerkezetüket tekintve más lipidekhez nem hasonlítanak, a szteroidok a lipidek kategóriájába tartoznak, mert szintén hidrofóbok, és vízben oldhatatlanok. Minden szteroidban négy, egymáshoz kapcsolódó széngyűrű van, és közülük többen is, mint például a koleszterinben egy rövid lánc is található. Számos szteroidban egy adott helyen –OH funkciós csoport is kapcsolódik, ahogy azt az alább, a koleszterinnél is láthatjuk; az ilyen szteroidokat az alkoholok osztályába is soroljuk, ezért szteroloknak nevezzük.

A leggyakoribb szteroid a koleszterin, amelyet legnagyobb mennyiségben a máj állít elő és amely számos szteroid hormon prekurzora. Ezek közé tartoznak a nemi hormonok, a tesztoszteron és az ösztrogén, melyeket az ivarmirigyek (here és petefészek) választanak ki. A koleszterin a szervezet egyéb fontos molekuláinak kiindulási anyagaként is szolgál, beleértve a D-vitamint és az epesavakat is, amelyek segítik a táplálékból származó zsírok emésztését és felszívódását. Ez egyben a sejtmembránok egyik legfontosabb összetevője, amely megváltoztatja azok fluiditását és dinamikáját.

A koleszterin természetesen a véráramban is megtalálható. A vér koleszterinszintje az, amiről oly gyakran hallhatunk az orvosi rendelőben, vagy a hírekben. A vér koleszterinszintjének a szív- és érrendszeri betegségek tekintetében lehet védelmező (jó koleszterin, HDL) és negatív (rossz koleszterin, LDL) hatása is.