Der Begriff Lipide umschreibt ein Sammelsurium heterogener Strukturen und doch haben sie alle zwei Dinge gemeinsam: Sie sind fettig und energiereich. Lipide lösen sich nicht oder nur zum Teil in Wasser - sie sind also lipophil bzw. hydrophob (sie lösen sich dagegen gut in organischen Lösungsmitteln) -  und sie bestehen alle aus energiereichen Einheiten aktivierter Essigsäure, den Acetyl-CoA-Einheiten. Diese beiden Eigenschaften und die vielfältigen Erscheinungsbilder der Lipide prädestinieren sie für eine Vielzahl wichtiger Funktionen im menschlichen Körper, sie sind unter anderem Baustoff, Botenstoff und Brennstoff. Im Folgenden lesen Sie Eigenschaften, Aufbau und Funktion der Lipide.
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Lipidbläschen

Bild: “Lipidbläschen” von MDougM. Lizenz: Public Domain


Eigenschaften der Lipide

Lipide sind entweder komplett lipohil und damit apolar oder sie besitzen einen größeren apolaren Anteil. Das Lipid (oder der lipid-Anteil)  löst sich schlecht oder kaum in Wasser, sondern in Lösungsmitteln wie Alkohol und Äther.

Bekanntes Beispiel für die Nicht-Löslichkeit von Fetten in Wasser ist das Fettauge auf der Hühnerbrühe. Bei der Fettverdauung (also zum Beisiel nach dem Verzehr besagter Hühnerbrühe) bilden sich im Verdauungstrakt mit Hilfe der Gallensäure spontan gemischte Micellen. Micellen sind kugelförmige Aggregate. Sie sind amphiphil, das heißt das Innere ist lipophil und nach außen sind hydrophile Molekülanteile. Bei der spontanen Micellenbildung werden alle lipophilen Teile in der Umgebung in diese kugelförmigen Aggregate eingeschlossen. Die Micellen wandern dann erst einmal eine Weile durch den Verdauungstrakt und gelangen dann passiv in die Mukosazelle zu weiteren Umbauten für den Weitertransport zum Bestimmungsort.

Außerhalb des Organismus kann man Lipide mit Hilfe von Detergenzien binden. Diese wasserlöslichen, organischen Substanzen setzen die Oberflächenspannung herab, wodurch das Fett gebunden wird. Detergenzien findet man beispielsweise im Spülmittel.

Die Systematik der Lipide

Strukturelle Einteilung

Beim Versuch, die sehr heterogene Gruppe der Lipide zu klassifizieren, wird man verschiedene Systematiken finden, je nachdem welchen Autor man hierbei zu Rate zieht und welche Aspekte der Einteilung zugrunde liegen.

Die strukturelle Grobeinteilung der Lipide erfolgt, indem man Fettsäuren (und deren Derivate) von den Polyprenolverbindungen unterscheidet. Von den Fettsäuren leiten sich verschiedene Klassen ab, je nachdem mit welchem Baustein sie verknüpft sind. Diese verschiedenen Grundstoffe sind alle mit einer oder mehreren Fettsäuren verknüpft.

Hierzu gehören beispielsweise die Triglyceride, die das Baufett im menschlichen Körper bilden und die Sphingolipide, die am Aufbau des Nervensystems beteiligt sind. Polyprenolverbindungen dagegen kommen auch ohne Fettsäuren aus. Sie leiten sich vom Grundstoff Isopren ab. Durch Faltung und Verlängerung entstehen so nützliche Substanzen wie die fettlöslichen Vitamine, Steroide, wie beispielsweise das Cholesterin, aber auch Terpene, wovon wir das Menthol aus den Halsbonbons kennen.
Sphingolipid

Bild: “General chemical structure of sphingolipids.” von Karol Langner. Lizenz: Public Domain

Funktionelle Einteilung

Eine andere Einteilung der Lipide orientiert sich mehr an funktionellen Gesichtspunkten. So kann man die Lipide nach der Art ihrer Fettsäuren und der Art ihrer Grundgerüste einteilen. Die wichtigsten Grundgerüste sind:

  • Glycerin
  • Sphingosin
  • Isopren

Einteilung nach der Reaktion mit Wasser

Phospholipide in WasserEine weitere Variante zur Klassifizierung der Lipide erfolgt nach ihrer Reaktionsfreudigkeit mit Wasser. Diese Reaktion nennt man Hydrolyse, und speziell die Hydrolyse der Fette nennt man auch Verseifung.  Diesen Spaß machen nicht alle Fette mit: Zu den nicht hydrolysierbaren Lipiden zählen Kohlenwasserstoffe (β-Carotin), Alkohole (Cortisol) sowie Säuren (Linolsäure). Hydrolysierbar dagegen sind manche (einfache) Ester (Triglyceride im Nahrungsfett, Cholesterin), Phospholipide (Phosphatidylcholin) und Sphingolipide (Beispiel: Membrnalipide des Nervensystems) sowie Glykolipide (Membranlipide von Neuronen).

Die Fettsäuren

Bei der Beschäftigung mit der Chemie der Lipide lohnt sich ein genauer Blick auf die Fettsäuren. Immerhin haben ja, wie eingangs erwähnt, alle Lipide aktivierte Essigsäure, also Acetyl-CoA, als Strukturelement gemeinsam. Acetyl -CoA ist die zentrale Substanz im Lipidstoffwechsel, ohne die gar nichts geht.

Lipidstoffwechsel

Bild: “Lipid Metabolism” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Fettsäuren sind unterschiedlich lange Kohlenstoffketten mit mindestens vier Kohlenstoffatomen. An den Kohlenstoffatomen können bis zu vier Wasserstoffatome gebunden sein. An einem Ende der Kohlenstoffkette sitzt eine Methylgruppe, also ein Kohlenstoffatom mit drei Wasserstoffatomen (CH3), und am anderen Ende eine Carbonsäuregruppe (auch Carboxylgruppe genannt – COOH), weshalb sich die Kohlenstoffkette auch Säure nennt.

Fettsäuren sind damit amphiphil, da sie sowohl ein lipophiles Ende (das ist der Kohlenstoffanteil) und ein hydrophiles Ende (das ist die Carboxylgruppe) besitzen. Je länger die Kohlenstoffkette, umso lipophiler verhält sich die Fettsäure, da der Kohlenstoffanteil für die lipophilen Eigenschaften verantwortlich ist. Umgekehrt dominieren die hydrophilen Eigenschaften bei sehr kurzen Kohlenstoffketten, da hier der Einfluss der hydrophilen Carboxylgruppe zum Tragen kommt.

Fettsäuren-Activation

Bild: “Fatty acid degradation. This chemical image could be recreated using vector graphics as an SVG file.” von Jag123. Lizenz: Public Domain

Fettsäuren tauchen sowohl einzeln für sich auf, oder sie hängen an einem anderen Baustein. Die Fettsäuren können dabei gesättigt oder ungesättigt sein. Die für den menschlichen Organismus bedeutendsten Grundbausteine für die Veresterung (also die Verknüpfung der Fettsäure mit einem anderen Molekül) sind Glycerin (ein dreiwertiger Alkohol), Isopren (ein ungesättigter Kohlenwasserstoff) und Sphingosin (ein zweiwertiger Aminoalkohol).

Die Nomenklatur der Fettsäuren

Die Nomenklatur der Fettsäuren hat viele Spielarten. Zunächst richtet sie sich nach Anzahl der Doppelbindung. Existiert gar keine Doppelbindung, dann handelt es sich um eine gesättigte Fettsäure. Das bedeutet, dass an jedem Kohlenstoffatom vier Wasserstoffatome gebunden sind. Damit sind alle Bindungsstellen belegt (gesättigt) und die Kohlenstoffatome sind mit Einfachverbindungen verknüpft.

Fettsäuren

Bild: “Fettsäuren-beispiel” von Lennert B. Lizenz: Public Domain

Bei einer einfach ungesättigten Fettsäure befindet sich an irgendeiner Stelle in der Kohlenstoffkette zwischen zwei C-Atomen eine Doppelbindung, da hier nicht alle Bindungsstellen mit Wasserstoffatomen belegt sind (ungesättigt). Bei mehrfach ungesättigten Fettsäuren befinden sich mindestens zwei oder mehrere solcher Doppelbindungen im Kohlenstoffschwanz.

Von Bedeutung ist die Position der Doppelbindung und wird daher ebenfalls mit angegeben. Man kann natürlich von beiden Seiten der Fettsäure her anfangen zu zählen,  daher existieren tatsächlich zwei Möglichkeiten, die Position der Doppelbindung anzugeben. Zählt man vom Carboxylende her, verwendet man ein Delta (Δ) mit hochgestellter Positionsnummer. Das C-Atom der Carboxylgruppe erhält in dieser Zählweise die 1. Eine Fettsäure mit  Δ9 hat ihre Doppelbindung also zwischen dem 9. und dem 10. Kohlenstoffatom (Dies wäre zum Beispiel die einfach ungesättigte Ölsäure mit 18 Kohlenstoffatomen und einer Doppelbindung).

Doch damit nicht genug, auch die Konfiguration der Doppelbindung kann man mit angeben: cis-Δ9-Ölsäure. Das „cis“ bezeichnet dabei, dass man sich die Anordnung der Doppelbindung im Raum als Trapez vorstellt. Bei der trans-Konfiguration liegt die Doppelbindung gegenüber, also im ablaufenden Schenkel. Alle ungesättigten Fettsäuren im menschlichen Organismus sind cis-konfiguriert.

Aus der Lebensmittelindustrie bekannt sind dem ein oder anderen vielleicht die sogenannten trans-Fettsäuren. Diese Fettsäuren zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Doppelbindung anders konfiguriert sind, als bei der „normalen“ cis-Fettsäure. Durch die technologische Pflanzenfetthärtung, beispielsweise bei der Margarineherstellung, entstanden solche trans-Fettsäuren. Trans-Fettsäuren stehen jedoch im Verruf, die Entstehung von arteriosklerotisch bedingten Gefäßveränderungen zu begünstigen. Mittlerweile wurden in vielen Ländern gesetzliche Bestimmungen erlassen, um den trans-Fettgehalt in Lebensmitteln zu reduzieren (allerdings nicht in Deutschland).

Neben der Zählweise vom Carboxylende her, gibt es auch noch die Möglichkeit, die Position der Doppelbindung zu bestimmen, in dem man von der anderen Seite her anfängt, die Kohlenstoffatome zu zählen. Dabei wird ein Omega (Ω) vor die Position der Doppelbindung notiert. So ergeben sich beispielsweise die bekannten Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren. Wichtige Vertreter dieser Fettsäuren sind:

  • Linolsäure: Die Linolsäure ist eine Ω-6-Fettsäure (18:2 cis-Δ9,12 mit 18 Kohlenstoffatomen und 2 Doppelbindungen an Position 9 und 12 vom Carboxylende, bzw. an Position 6 vom Methylende her).
  • Linolensäure: Die alpha-Linolensäure ist eine Ω-3-Fettsäure (18:3 cis-Δ9,12,15 mit 18 Kohlenstoffatomen und drei Doppelbindungen an Position 9,12 und 15 vom Carboxylende, bzw. an Position 3 vom Methylende).
  • Arachidonsäure: Ebenfalls eine Ω-6-Fettsäure ist die Arachidonsäure (20:4 cis-Δ5,8,11,14 mit 20 Kohelnstoffatomen und vier Doppelbindung an Position 5,8,11 und 14 vom Carboxylende her, bzw. an Position 6 vom Methylende her).
Arachidonsäure

Bild: “Arachidonsäure” von NEUROtiker. Lizenz: Public Domain

Zu guter Letzt kann man auch noch benennen, ob die Doppelbindungen der mehrfach ungesättigten Fettsäuren isoliert oder konjugiert vorliegen. Im menschlichen Organismus sind die Doppelbindungen der Fettsäuren immer isoliert, das heißt, dass mindestens zwei Einfachbindungen zwischen den Doppelbindungen liegen. Konjugierte Doppelbindungen liegen entsprechend dann vor, wenn sich Einzel- und Doppelbindung abwechseln.

Die Bedeutung der Fettsäuren

Fettsäuren üben vielfältige Funktionen aus und sind unentbehrlich für Aufbau und Funktion des menschlichen Körpers. Sie tauchen dabei entweder allein, also isoliert auf, zum Beispiel als Übermittlerstoff in Form von Eikosanoiden (die aus Arachidonsäure aufgebaut werden), oder im Verbund mit anderen Stoffen, zum Beispiel zusammen mit Glycerin als Speicherfett (Triglyceride).

Fettsäuren gelangen zum einen mit der Nahrung in den Körper. Gesättigte Fettsäuren finden sich vor allem in tierischen Produkten, Pflanzen bauen dagegen ganz gerne mal Doppelbindungen in ihre Fettsäuren ein, so dass die Aufnahme von ungesättigten Fettsäuren vor allem über Pflanzenfette gelingt. Ausnahme bilden hierbei die besonders wertvollen mehrfach ungesättigten Fettsäuren, die sich reichlich im Fischöl finden. Die essentiellen Fettsäuren finden sich zum Beispiel in Pflanzenölen, wie Leinöl etwa, und im Fischöl.

Relevant für den menschlichen Organismus sind vor allem die längerkettigen Fettsäuren. Die meisten Fettsäuren, die man üblicherweise verzehrt,  sind längerkettig. Das heißt sie bestehen aus mindestens 16 Kohlenstoffatomen (z.B. Palmitinsäure). Der menschliche Körper kann aber aus Kohlenhydraten auch selber Fettsäuren herstellen und sogar Doppelbindungen einfügen. Dies gelingt aber nur bis zum C-9. Da aber eben auch Doppelbindung jenseits von C-9 für einige bestimmte Funktionen benötigt werden, müssen drei bestimmte Fettsäuren von außen zugeführt werden: dies sind die essentiellen Fettsäuren Linolsäure, Linolensäure und die semi-essentielle Arachidonsäure.

Linolsäure

Bild: “Linolsäure” von Roland.chem. Lizenz: Public Domain

Im besonderen Fall einer gestörten Fettverdauung nutzt man kurz- und mittelkettige Fette für die Ernährung. Diese Fettsäuren bestehen nur aus vier bis 12 Kohlenstoffatomen und können dadurch direkt in den Blutkreislauf aufgenommen werden, ohne dass die Pankreaslipase zunächst angreifen muss. Diese so genannten MCT-Fette liefern somit einen wichtigen Nahrungsbeitrag, beispielsweise beim Kurzdarmsyndrom.

Doch wozu braucht der Körper denn nun eigentlich die ganzen Fettsäuren? Eine wichtige Funktion von Fettsäuren sind die Gewebshormone, die Eikosanoide. Diese werden aus der Arachidonsäure hergestellt. Sie wird entweder mit der Nahrung zugeführt, oder aus der essentiellen Linolsäure oder der Linolensäure mittels Elongation (Verlängerung der Kohlenstoffkette) und Desaturierung (Einbau einer Doppelbindung) hergestellt.

Aus der Linolsäure (C:18:2, Ω-6-Fettsäure) entsteht so die Arachidonsäure (C:20:4, Ω-6 Fettsäure), und aus der Linolensäure (C:18:3, Ω-3-Fettsäure) entstehen die Eicosapentaensäure (C:20:5, Ω-3-Fettsäure) oder die Docosahexaensäure (C:22:6, Ω-3-Fettsäure). Diese mehrfach ungesättigten Fettsäuren bewirken u.a. eine Verbesserung der Membranfluidität. Aus der Arachidonsäure (Eikosatetraensäure) werden die Eikosanoide Prostaglandin, Thromobaxan und Leukotrien gebildet. Diese Substanzen sind so genannte Gewebsmediatoren, sie wirken also unmittelbar in dem Gewebe, in dem sie freigesetzt werden. Sie sind z.B. beteiligt an Entzündungsreaktionen, Blutstillung und der Vasodilatation von Gefäßkapillaren, sowie zahlreicher weiterer Prozesse, die im entsprechenden Kapitel ausführlich beschrieben sind.

Ein Mangel an essentiellen Fettsäuren kann schwerwiegende Folgen nach sich ziehen, da es zu Störungen im Membranaufbau und damit Störungen im intrazellulären Stoffwechsel kommen kann. Bemerkbar macht sich ein Mangel an essentiellen Fettsäuren mit eher unspezifischen Symptomen wie Hautekzemen und erhöhter Infektanfälligkeit bis hin zu Sehstörungen.

Die Speicherlipide

Die Eigenschaften der Speicherlipide

Fett ist ein hervorragender Energielieferant (1 Gramm liefert 9 kcal Energie bzw. 39 kJ pro mol) und Fett kann sehr platzsparend gelagert werden, da es ohne Wasser auskommt (Glycerin im Muskel liefert auch Energie, aber da es hydrophil ist und mit Wasser gespeichert wird, ist dieser Energiespeicher platzmäßig sehr begrenzt). Aufgrund dieser Eigenschaften sind die Lipide einfach besonders gut als Energiespeicher für Notzeiten geeignet. Und wie man manchmal bemerken kann, kann dieser Speicher nahezu unbegrenzt erweitert werden.

Die Veresterung – Wie ein Fett zum Speicher wird

Glykolipide

Bild: “Glycolipids” von Sawicnenad. Lizenz: Public Domain

Unter Speicherfett versteht man üblicherweise die Triglyceride. Triglyceride, manchmal auch Triacylglyceride oder Triacylglycerole, gehören zur Klasse der Glykolipide, da hierbei der dreiwertige Alkohol Glycerin mit drei Fettsäuren verestert ist. Ein Triglycerid ist also ein Fettsäureester. Dabei können verschiedene Fettsäuren mit Glycerin verestert sein.

Im Speicherfett finden sich üblicherweise Palmitinsäure (C:16:0) und Stearinsäure (C: 18:0). Manchmal begegnet einem auch die Bezeichnung Neutralfett. Mit Neutralfett sind ebenso die Triglyceride gemeint, da diese Moleküle ungeladen, also neutral sind. Die Triglyceride dienen aber nicht nur zur Vorratshaltung, sondern sie finden sich auch aufgrund ihrer guten isolierenden Eigenschaften im Unterhautfettgewebe und wegen ihrer schützenden Eigenschaften als Baufett, beispielsweise in der Orbita (Augenhöhle) oder in der Nierenkapsel.

Die Cholesterolester

Mit Hilfe der Veresterung können hydrophile Gruppen so verpackt werden, dass ihre Polarität in Neutralität umgewandelt wird. Auf diese Weise wird Cholesterin verschiff- und speicherbar. Das Cholesterinmolekül ist zwar eigentlich ein sehr lipophiles Molekül, weswegen es eigentlich leicht als Lipidtropfen gespeichert werden könnte, doch es besitzt eben auch noch eine Hydroxylgruppe (OH-Gruppe). Diese OH-Gruppe ist hydrophil, wodurch diese Form der Speicherung nicht gelingt. Erst die Veresterung macht die Speicherung von Cholesterin in Form von Cholesterolester im Zellinnern (Cytosol) möglich, da das Cholesterinmolekül nun apolar (neutral) ist. Im Zellineren sorgt das Enyzm Acyl-CoA-Cholesterin-Acyltransferase für die Veresterung.

Die Veresterung hilft auch beim Transport dieses besonderen Moleküls durch die Blutbahn. Sein amphiphiler Aufbau (mit einem großen lipophilen Teil und einem kleinen hydrophilen Teil) erlaubt nämlich auch keine Micellenbildung. Erst durch  die zwischenzeitliche Veresterung zu Transportzwecken kann das Cholesterin mit Hilfe von Lipoproteinen (wie LDL) transportiert werden.  Die Veresterung geschieht durch spezifische Acyl-Transferasen, die – wie der Name schon sagt – einen Acylrest übertragen. Bei dem Acylrest handelt es sich um eine Fettsäure wie Ölsäure oder Stearinsäure. Die in der Blutbahn zuständige Acyl-Transerfase ist die Lecitihin-Cholesterin-Acyltransferase (LCAT). Das Enzym bedient sich bei der Veresterung einer Fettsäure aus dem Lecitihin.

Cholesterin übernimmt sehr vielfältige Funktionen im Organismus. Es ist ein wichtiges Membranlipid  und Ausgangssubstanz für Steroide. Steroidhormone regulieren eine Vielzahl körperlicher Funktionen. Wichtige Steroidhormone sind die Sexualhormone wie Östrogen, Progesteron und Testosteron sowie die Nebennierenhormone Aldosteron und Cortison.

Vom Triglycerid zum Di(acyl)glycerid zum Mono(acyl)glycerid

Am Glycerin können drei Fettsäuren verestert sein, müssen aber nicht. Es gibt auch die Variante mit zwei Fettsäsuren (Diaclglycerid, DAG) oder nur mit einer (Monoacylgycerid). Beim Aufbau eines Triglycerid entsteht als Zwischenstufe beispielsweise ein Diglycerid. Diacylglycerin spielt aber vor allem eine bedeutende Rolle in der Signalübermittlung an den Membranen. Das DAG wird hierbei aus dem membraneigenem Phosphatidylinositol durch eine Kinase gebildet. Monoacylyceride entstehen bei der Lipidverdauung durch die Einwirkung der Lipasen mit dem Ziel, kurze lipophile Einheiten für die Micellenbildung zu schaffen.

Triglycerid Monoglycerid

Bild: “Triglyceride Broken Down into a Monoglyceride” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Die Membranlipide

Die Eigenschaften der Membranlipide

Neben der Speicherfunktion finden Lipide eine ihrer Hauptbestimmungen in den Membranen des Organismus. Alle biologischen Membranen bestehen aus Lipiden. Die bekannten Bestandteile sind Glycerophosphatide, Sphingosinphosphatide (die sich in den Membranen des ZNS befinden) sowie Cholesterin.

Als Zwischenprodukt entsteht darüber hinaus Lysoglycerophospholipid. Dieses Molekül greift regulierend als Signalstoff an den Membranen in den Neuronen ein.
Bilayer

Bild: “Schematic cross section of the lipid bilayer. The circles are the hydrophilic heads and the wavy lines are the fatty acyl side chains.” von Masur. Lizenz: Public Domain

Alle Membranlipide besitzen sowohl hydrophobe als auch hydrophile Anteile. Diese janusköpfige Eigenschaft wird als amphiphil bezeichnet und ist die Grundvoraussetzung für den Aufbau der biologischen Membran. Die biologische Membran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht („Bilayer“).

In einer wässrigen Umgebung orientieren sich spontan die hydrophoben Lipidanteile der Membranlipide nach innen und die hydrophilen Lipidanteile nach außen, wodurch die Lipid-Doppelschicht entsteht. Diese Schicht bildet eine natürliche Barriere und grenzt Kompartimente und Strukturen voneinander ab. In die Membran eingelagerte Proteine erlauben einen gerichteten Signal-und Stoffaustausch, welcher durch Reaktionen der Kopfgruppen der Lipide reguliert werden kann.

Die spontane doppelschichtige Ausrichtung von Membranlipiden macht man sich beispielsweise für Medikamente zunutze. In sogenannten Liposomen, das sind Vesikel deren Umhüllung einer Zellmembran ähnelt, können apolare Substanzen, wie manche Medikamente, durch polare Medien transportiert werden.

Aufbau der Membranlipide

Die Glycerophosphatide

Genau wie beim beim Triglycerid bildet der dreiwertige Alkohol Glycerin das Grundgerüst für die Glycerophosphatide. An den drei möglichen Bindungsstellen hängen jedoch nur zwei Fettsäuren, am dritten C-Atom des Glycerins ist dagegen ein Phosphatrest gebunden.

An diesem Phosphatrest ist noch ein weiteres Molekül gebunden. Die ausgebildeten Bindungen sind Esterbindungen. Daher spricht man auch von einem Phosphorsäurediester, da ausgehend vom Phosphatid (dissoziierte Phosphatidsäure) zwei Esterbindungen vorliegen. Das Glycerophosphatid vereint auf diese Weise im Gegensatz zum Triglycerid zwei gegensätzliche Eigenschaften in sich: Das gesamte Molekül hat sowohl einen apolaren Teil (Glycerin mit den zwei veresterten Fettsäuren) und einen polaren Teil (der Phosphatrest mit einem weiteren polaren Bindungspartner).

Es gibt verschiedene polare Reste, die mit dem Phosphatidrest am dritten C-Atom des Glycerins verestert sein können. Ein sehr bekannter Vertreter ist der Aminoalkohol Cholin, wobei entsprechend das Phosphatidylcholin (besser bekannt als Lecithin) gebildet wird. Weitere Glycerophosphatide sind das Phospatidyl-Serin (Serin ist eine Aminosäure), das Phosphatidyl-Ethanolamin (ist auch als Cephalin bekannt; Ethanolamin ist ein Aminoalkohol) sowie das Phosphatidyl-Inositol (Inositol ist ein Zuckeralkohol). Ein weiterer Vertreter der Glycerophosphatide ist das Diphosphatidylglycerin, welches auch unter dem Namen Cardiolipin auftritt und ausschließlich in der Mitochondrienmembran vorkommt.

Die Sphingosinphosphatide

Die Sphingosinphosphatide sind Hauptbestandteil von Membranen, die sich im zentralen Nervensystem befinden. Hierbei stellt nicht Glycerin, sondern Sphingosin das Grundgerüst dar, an welchem Fettsäuren und Phosphate gebunden sind. Sphingosin ist ein Aminoalkohol, der im Körper stets mit einer Fettsäure auftaucht (über eine Amidbindung). Dieses Molekül wird Ceramid genannt. Ausgehend vom Ceramid werden zahlreiche Derivate gebildet, wie Sphingomyelin (ein Phospholipid) oder die Glykolipide Cerebroside und Ganglioside.

Sphingomyelin befindet sich hauptsächlich in den Myelinscheiden der Neurone. Die Hydroxylgruppe des Ceramides wird mit einem Phosphatrest verestert.  An diesem ist zusätzlich der Aminoalkohol Cholin gebunden.

Die Cerebroside treten vor allem in den Membranen der Nervenzellen und in der Substantia alba (weiße Substanz) des Hirns auf, die Ganglioside im Gehirn und in den Ganglien. Hierbei wird ausgehend vom Ceramid ein Kohlenhydratrest an die Hydroxylgruppe gebunden. Handelt es sich um ein Monosaccharid –  wie meistens die Galaktose – dann entsteht Galaktosyl-Ceramid, welches als Cerebrosid bezeichnet wird. An die OH-Gruppe wird mitunter aber noch weiter bestückt. So werden bei den Gangliosiden drei bis sechs komplexe Kohlenhydratreste verknüpft, unter anderem findet sich hier der Aminozucker N-Acetyl-Neuraminsäure.

Bei der erblich bedingten Gangliosidose kommt es zu einer Anreicherung von Gangliosiden im ZNS und zum Verlust der betroffenen Zellen. Folgen sind massive Entwicklungsstörungen. Beispiele sind die Tay-Sachs-Krankheit und die Niemann-Pick-Krankheit. 

Das Cholesterin

Cholesterin ist ein wahrer Multiplayer im menschlichen Organismus und taucht auch in den biologischen Membranen auf, da es ein amphiphiles Molekül ist. Diese Eigenschaft kommt durch sein unpolares Ringsystem und seine hydrophile Hydroxylgruppe zustande. Cholesterin stützt den Aufbau der Lipiddoppelschicht, indem es sich mit seinen Ringen zwischen die Fettsäuren der Membranlipide einlagert und die Fluidität beeinflusst. Eine optimale Membranfluidität ist die Grundvoraussetzung für eine funktionierende Membrandurchlässigkeit und Signalübertragung.

Kommunikationsmöglichkeiten der Membran

Durch die Hydrolyse von Membranlipiden entstehen für die Signalübertragung überaus wichtige second messenger:

Inositoltriphosphat (IP3) und Diacylglycerin (DAG) werden ausgehend von dem Membranlipid Phosphatidylinositol gebildet. Durch zweifache Phosphorylierung wird das Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat, kurz PIP2, gebildet. Durch dessen Hydrolyse entstehen IP3 und DAG. Beide Moleküle sind in die Signalübertragungskaskaden eingebunden – so aktiviert DAG die Proteinkinase C und das IP3 stimuliert die intrazelluläre Calciumausschüttung.

Reaktionen mit reaktiven Sauerstoffspezies

So wie Butter durch Reaktion mit Luftsauerstoff ranzig werden kann, kann es auch in den Membranlipiden zur Reaktion mit freien Sauerstoffradikalen kommen. Freie Radikale entstehen im Organismus als Nebenprodukt von vielen Reaktionen wie z.B. bei der mitochondrialen ATP-Bildung in der Atmungskette. Befinden sich in den Membranlipiden veresterte (mehrfach) ungesättigte Fettsäuren, kann es hier leicht zu einer Reaktion mit den freien Sauerstoffradikalen kommen: der Lipidperoxidation. Dadurch entsteht ein Fettsäure-Radikal was seinerseits sehr reaktiv ist und mit den Fettsäuren in der Umgebung reagiert. Hierbei kann es zu tiefgreifenden strukturellen Veränderungen in der Membran kommen und ein Entzündungsgeschehen verursachen.

Beliebte Prüfungsfragen zu den Lipiden

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Liposomen können z.B. therapeutisch als Träger von Arzneistoffen eingesetzt werden. Welche Aussage zu einem derartigen Liposom trifft am ehesten zu?

  1. Bei einem Durchmesser von mindestens 100 nm ist es eine Mizelle.
  2. Es besitzt eine Hülle aus einer einschichtigen Lipidphase.
  3. Es besitzt eine Hülle aus einer oder mehrerer Lipiddoppelschichten.
  4. Es verfügt über lipolytische Aktivität.
  5. Im Zentrum des Liposoms befindet sich eine Lipidphase.

2. Sphingosin…

  1. enthält drei Hydroxylgruppen.
  2. enthält zwei proteinogene Aminosäure.
  3. ist ein Baustein in einem Ceramid.
  4. ist ein Baustein in einem Glycerolipid.
  5. ist ein Thioether.

3. Aus welcher Fettsäure kann der Mensch Arachidonsure synthetisieren?

  1. Buttersäure
  2. Essigsäure
  3. Linolsäure
  4. Ölsäure
  5. Stearinsäure

Quellen

Horn, Florian: Biochemie des Menschen. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag. Stuttgart. 2012

Duale Reihe: Biochemie. 2. Auflage. Georg-Thieme-Verlag. Stuttgart. 2008

Schwarze Reihe: 1. ÄP. Biochemie. 19. Auflage. Georg-Thieme-Verlag. Stuttgart. 2008

Biesalski, Hans Konrad: Taschenatlas der Ernährung. 2. Auflage. Georg-Thieme-Verlag. Stuttgart. 2002

Lösungen zu den Fragen: 1C, 2C, 3C



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