Lipide fungieren als strukturelle Bestandteile der Zellmembranen und fungieren als Energiereservoire und Signalmoleküle. Sie sind daher für alle lebenden Organismen von entscheidender Bedeutung. Die drei biologisch wichtigen Klassen von Lipiden sind Triglyceride, Phospholipide und Steroide.

Unpolare und hydrophobe Eigenschaften von Lipiden

Lipide sind eine strukturell und funktionell vielfältige Gruppe von Kohlenwasserstoffen – Verbindungen, die aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen sind unpolar, was bedeutet, dass die Elektronen zwischen den Atomen gleichmäßig verteilt sind. Diese unpolaren Bindungen verleihen den Lipiden eine insgesamt unpolare Eigenschaft. Darüber hinaus sind Lipide von Natur aus hydrophob oder "wasserhassend". Das bedeutet, dass sie keine Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen eingehen, wodurch sie in Wasser nahezu unlöslich sind, aber in organischen Lösungsmitteln wie Chloroform oder Benzol löslich sind.

Triglyceride — ein Triester aus Fettsäuren und Glycerin

Das Kohlenwasserstoff-Rückgrat der Triglyceride besteht aus einem Glycerinmolekül mit drei Hydroxylgruppen (-OH), die jeweils an eine Fettsäurekette gebunden sind. Eine Fettsäure ist eine lange Kohlenwasserstoffkette mit einer Carboxylgruppe (-COOH) an einem Ende. Die Carboxylgruppe der Fettsäure und die Hydroxylgruppe des Glycerins gehen mit der Freisetzung eines Wassermoleküls eine stabile Bindung ein. Das resultierende Molekül wird als Ester (–COOR) bezeichnet. Daher ist ein Triglycerid ein Triester aus Glycerin und drei Fettsäuren. Die drei Bestandteile der Fettsäuren können identisch oder unterschiedlich sein und sind in der Regel 12–18 Kohlenstoffatome lang. Sie sind entweder gesättigt oder ungesättigt, je nachdem, ob Doppelbindungen in den Kohlenwasserstoffketten vorhanden sind oder nicht.

Phospholipide sind ein integraler Bestandteil der Zellmembranen

Phospholipide sind für die Zelle von entscheidender Bedeutung, da sie die Hauptbestandteile der Zellmembranen bilden. Sie ähneln strukturell den Triglyceriden, enthalten aber nur zwei Fettsäuren – gesättigt oder ungesättigt –, die an einen Glycerinanteil gebunden sind. Die dritte Hydroxylgruppe von Glycerin ist an eine negativ geladene Phosphatgruppe gebunden.

Die Zugabe einer weiteren funktionellen Gruppe, wie z.B. kleinerer polarer Moleküle wie Cholin oder eines Serinrests, zur Phosphatgruppe führt zu vielfältigen chemischen Eigenschaften der Phospholipide.

Phospholipide sind amphipathische Moleküle, was bedeutet, dass sie Teile haben, die hydrophob sind, und andere, die hydrophil oder "wasserliebend" sind. Wenn Phospholipide zu Wasser hinzugefügt werden, bilden sie spontan eine Doppelschicht, einen dünnen Film, der zwei Phospholipidmoleküle dick ist. Diese Selbstorganisation findet statt, weil die Polköpfe vom Wasser angezogen werden, während die hydrophoben Fettsäuren in der Mitte der Schicht vergraben sind, um dem Kontakt mit Wasser zu entgehen. Diese Phospholipid-Doppelschicht bildet die Zellmembran in allen lebenden Organismen. Es unterteilt die Flüssigkeiten im Inneren und Äußeren der Zelle. In der Doppelschicht sind Proteine und Steroide eingebettet, eine weitere Klasse von Lipiden. Zusätzliche Phospholipid-Doppelschichten können das Innere der eukaryotischen Zelle, beispielsweise das Lysosom und das endoplasmatische Retikulum, weiter unterteilen.

Steroide bestehen aus einer Vier-Ring-Struktur

Steroide sind eine weitere biologisch wichtige Klasse von Lipiden, die aus vier Kohlenstoffringen bestehen. Sie variieren untereinander aufgrund der chemischen Gruppen, die an den Kohlenstoffringen befestigt sind. Obwohl sich Steroide strukturell von Triglyceriden und Phospholipiden unterscheiden, sind sie auch hydrophob und wasserunlöslich. Sie verändern die Fließfähigkeit der Zellmembran und fungieren auch als Signalmoleküle innerhalb der Zelle. Cholesterin ist das häufigste Steroid und wird in der Leber synthetisiert. Es kommt in der Zellmembran vor und dient bei Tieren als Vorläufer von Sexualhormonen.