Unter der Bezeichnung Lipide wird eine Gruppe biochemisch wichtiger, jedoch chemisch verschiedener Stoffe zusammengefasst. Betrachten wir zuerst einmal eine Übersicht über die Zusammensetzung des Körpers eines gesunden Erwachsenen.

Man erkennt, dass Wasser der Hauptbestandteil ist. Die uns hier interessierenden Lipide sind mengenmäßig der drittwichtigste Körperbestandteil. Wichtigste Komponente ist Wasser. Der Proteinanteil beträgt etwa 17%.

Proteine sind damit nach dem Wasser der zweitwichtigste Bestandteil. An dritter Stelle stehen mit etwa 14% Anteil die Lipide. Das Skelettsystem, hier als Hauptteil der Mineralstoffe aufgetragen, macht mengenmäßig weniger aus als die Lipide.

Lipide haben einige wichtige Funktionen, die in einer Tabelle aufgeführt sind, die sie auch noch im Beimaterial finden.

Die Gruppe der Lipide ist durch eine gemeinsame physikalische Eigenschaft gekennzeichnet. Man definiert Lipide als Stoffe, die in Lipidlösungsmitteln löslich sind. Was sind nun typische Lipidlösemittel?

Benzol, Hexan oder andere Kohlenwasserstoffe erweisen sich als vorzügliche Lipidlösemittel. Mit anderen Worten, unpolare Lösungsmittel lösen Lipide gut. Diese müssen aber selbst auch unpolaren Bau haben.

Bei unseren Modellbauteilen signalisieren Röhrchen für CC-Bindungen oder CH-Bindungen unpolare Abschnitte im Molekül. Moleküle, durch solche schwarz-weißen Bauteile symbolisiert, sind unpolar. Moleküle mit vielen Hydroxyl- oder Carboxyl- oder Aminogruppen,

dargestellt durch farbige Bauteile, sind dagegen polar. Sie sind keine Lipide. Polare Stoffe sind in polaren Lösungsmitteln wie Wasser gut löslich. In ihnen sind Lipide dann so gut wie unlöslich.

Zwei wichtige Gruppen der Lipide sind Esterlipide und Steroide. Beschäftigen wir uns zuerst mit den Esterlipiden. Bei ihnen kennt man drei Untergruppen, nämlich Neutralfette,

Glycerinphosphatide und Swingolipide. Alle diese Esterlipide sind aus Komponenten mit einer Säurefunktion und anderen mit Alkoholfunktionen entstanden.

Bevor wir die Ester selbst besprechen, wollen wir zuerst in den nächsten Spots einige Ausgangskomponenten der Esterbildungsreaktion besprechen, nämlich Fettsäuren und Alkohole, die Lipide bilden.

Zwei gesättigte Fettsäuren spielen eine gewisse Rolle in der Biochemie. Es handelt sich bei ihnen um Palmitinsäure und Sterinsäure.

Palmitinsäure ist eine Fettsäure mit 16 Kohlenstoffatomen, die alle in einer einzigen Kette angeordnet sind. Wir zeigen hier die Zickzackkonformation dieser Kette. Diese Konformation ist die energieärmste und daher stabilste Molekülform.

Man sieht, dass dieses Fettsäuremolekül eine beachtliche Länge von etwa 22 Angstströmen hat. Verlängert man die Kette um zwei CH2-Gruppen, dann erhält man die zweite biochemisch bedeutende gesättigte Fettsäure, die Sterinsäure.

Sie zeigt natürlich gleichfalls in der Zickzackkonformation den energieärmsten Zustand. Wird die Carboxylgruppe durch Abgabe des Protons ionisiert, dann erhält man ein Molekül mit einem großen unpolaren Rest oder Schwanz und einem polaren Ende oder Kopf.

Solche Moleküle sind amphifil. Amphifile Komponenten sind gute Netzmittel und Emulgatoren. Die Salze der Sterinsäure und der Palmitinsäure sind die altbekannten Seifen, deren Wirkung eben auf dem langen, unpolaren Schwanz und regionalen Carboxylatgruppe beruht.

Ungesättigte Fettsäuren spielen eine wesentliche biochemische Rolle. Viele der interessanten ungesättigten Fettsäuren leiten sich formal von der Sterinsäure,

also der C18-Säure, ab. Wir sehen hier das Modell der L-Aidinsäure, einer einfachen ungesättigten Fettsäure in der Zickzackkonformation.

Die Ähnlichkeit zur Sterinsäure ist auffallend. Analog sind die Schmelzpunkte auch ziemlich ähnlich, mit etwa 70 Grad bei der gesättigten und 52 Grad bei der ungesättigten Fettsäure.

An der L-Aidinsäure soll auch noch die Bezifferung der Doppelbindung gezeigt werden. Man geht nach den Nomenklaturregeln von dem Carboxylende des Moleküls aus und beziffert das Kohlenstoffatom, von dem die Doppelbindung ausgeht. Das ist Kohlenstoffatom 9 im Fall der hier vorliegenden Verbindung.

L-Aidinsäure ist damit die Transform einer einfach ungesättigten C18-Säure, also eine Trans-Octa-D10-Säure. In der Natur werden im Allgemeinen die stabileren Transformen bevorzugt. In der Biochemie der physiologischen ungesättigten Fettsäuren fällt allerdings auf,

dass fast stets die energiereichere, also die Cis-Form, physiologisch ist. Das gilt auch für die Octa-D10-Säure. Natürlich vorkommend und verwertbar ist nur die Cis-Form.

Man sieht, dass das Molekül, die Substanz heißt Ölsäure, einen viel sperrigeren Bau hat als die Transform. Folglich ist auch der Schmelzpunkt sehr viel niedriger. Ölsäure ist Grundbestandteil der Öle, die im Vergleich zu anderen Fetten flüssig sind wegen des Ölsäureanteils.

Diese Tatsache ist für den Menschen von großer physiologischer Bedeutung. Sein Körperfett darf nicht fest sein, sondern muss eine halbfeste Konsistenz haben, um Polsterungsfunktionen zu erfüllen.

Neben der Ölsäure gibt es ungesättigte Fettsäuren mit mehreren Doppelbindungen, so die zwei Doppelbindungen enthaltenen Linolsäure und die Linoleensäure.

Wir zeigen die Modelle hier ohne die Stäbchen für die Wasserstoffatome, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen. Beide Substanzen sind als Cis-konfiguriert.

Die Schmelzpunkte der recht bizarr gebauten Substanzen sind ziemlich niedrig.

Beachten Sie auch noch die Möglichkeit des Auftretens verschiedener Konformationen. Auffällig ist ferner, dass sich keine Doppelbindungen in der Hälfte des Moleküls finden, die in Nachbarschaft zur Carboxylgruppe steht.

Der Rhythmus ist auf der ungesättigten Hälfte meist Doppelbindung, CH2-Gruppe, Doppelbindung. Es liegen damit keine konjugierten Doppelbindungen vor.

Man hat diesen mehrfach ungesättigten Fettsäuren, abgekürzt MUF, Vitamincharakter zugesprochen. Fehlen Sie in der Nahrung, dann treten Mangelerscheinungen auf. Auch spricht man mehrfach ungesättigten Fettsäuren eine Rolle bei der Atherosklerosevorsorge zu.

Beachten Sie hier auch noch die verschiedenen Konformationsmöglichkeiten, gezeigt am Beispiel der Linoleensäure.

Ein Abkömmling der Fettsäure mit 20 C-Atomen, also der Icosansäure, ist die vierfach ungesättigte Icosatetraensäure, die Arachidonsäure genannt wird.

Wir sehen das Modell dieser für die Synthese einer Hormongruppe wichtigen Substanz hier vor uns. Der Schmelzpunkt eines derartig stark bizarren Moleküls muss natürlich sehr niedrig sein. Die Doppelbindungen der Arachidonsäure gehen von den C-Atomen 5, 8, 11 und 14 aus.

Der Rhythmus ist auch hier wieder Doppelbindung, CH2-Gruppe, Doppelbindung. Die Doppelbindungen sind alle Cis-konfiguriert.

Natürlich gibt es auch bei der Arachidonsäure eine Fülle von Konformationsmöglichkeiten.

Arachidonsäure ist die Ausgangssubstanz für die Biosynthese einer erst um längst entdeckten Gruppe von Hormonen, nämlich der Gruppe der sogenannten Prostaglandine.

Hormone sind Bio-Wirkstoffe, die in äußerst geringen Konzentrationen Stoffwechselwirkungen hervorrufen. Sie dienen der Steuerung von Lebensprozessen. Hormone werden vom Körper selbst hergestellt.

Sie unterscheiden sich dadurch von den Vitaminen, die gleichfalls in sehr geringer Konzentration Effekte hervorrufen. Vitamine sind jedoch essentiell. Das heißt, sie müssen von außen dem Körper zugeführt werden, weil er sie nicht selbst erzeugen kann.

Die Prostaglandin-Hormone wurden zuerst in der Prostata, später in ziemlich allen menschlichen und tierischen Geweben entdeckt. Prostaglandine führen zu einer Kontraktion der glatten Muskulatur, insbesondere der Uterusmuskulatur. Sie können andererseits aber auch zur Erschlaffung führen und so zum Beispiel gefäßerweiternd wirken.

Prostaglandine entstehen aus Arachidonsäure oder ähnlichen ungesättigten Fettsäuren. Man kennt heute eine Fülle von Prostaglandinen, wie es diese Formelsammlung zeigt, die Sie auch noch im Beimaterial finden.

Durch Ringschlussreaktionen und Addition von Wasser an bestimmte Doppelbindungen der Arachidonsäure entstehen die Prostaglandine. Unser Beispiel trägt in der einen Kette eine, wie üblich, CIS-konfigurierte Doppelbindung.

Die in der anderen Kette ist dagegen transkonfiguriert. Außerdem führt Prostaglandin E2 eine Säurefunktion, zwei alkoholische OH-Gruppen und eine Keto-Gruppierung.

Die Konfiguration am starren Ring lässt verschiedene Isomere zu. Fettsäuren reagieren im Stoffwechsel fast nie in der Form, wie sie unsere Modelle zeigen.

Sie werden viel mehr in aktivierter Form eingesetzt mit Hilfe bestimmter Enzyme. Die Bindung an die Enzyme erfolgt dabei stets über das gleiche Koenzym, nämlich Koenzym A.

Wir sehen hier die komplizierte Struktur des Koenzyms A, das zur Fettsäureaktivierung dient. Aus dem Filmbild lassen sich Einzelheiten, die vielleicht auch nicht so wichtig sind, schlecht entnehmen. Interessent müssen sich das Modell selbst bauen.

Wir erkennen hier den Zysterminanteil links im Bild. Angeknüpft ist die Pantotensäure mit Vitamincharakter, weil der menschliche Stoppwechsel ein Quartäres-C-Atom nicht synthetisieren kann.

Schließlich noch Ribose, den Purinabkömmling Adenin und drei Phosphorsäure-Reste. Wir zeigen noch einmal in der Pantotensäure das Quartäre-Kohlenstoffatom.

Die Tiolgruppe des Zysterminanteils des Koenzym A, kurz KoA genannt, ist der für die Fettsäurereaktionen wichtigste Ort.

An dieser Tiolgruppe kann, auch wieder unter Mithilfe von Enzymen, mit Karbonsäuren unter Abspaltung von Wasser eine sehr reaktionsfähige S-Azylbindung entstehen.

Bei ihrer hydrolytischen Spaltung werden etwa acht Kilokalorien pro Mohl frei.

Der Fettsäurerest ist damit aktiviert. Bei Übertragung auf eine andere Substanz wird die Bindung gespalten und Bindungsenergie frei.

Die Bildung einer Fettsäure-KoA-Verbindung verläuft in zwei Schritten. Zuerst wird eine Verbindung synthetisiert, in der Essigsäure als aktivierte Fettsäure an KoA gebunden ist. In einer zweiten Reaktion wird unter Mithilfe eines Enzyms die Essigsäure gegen eine andere langkettige Fettsäure ausgetauscht.

Sehen wir uns die Schritte im Einzelnen an. Die Synthese der Acetyl-KoA-Verbindung kann entweder aus Essigsäure und KoA direkt erfolgen,

wobei die nötige Energie aus ATP geliefert wird. Mit ihm bildet Essigsäure ein gemischtes Säureanhydrit, das dann ausreichend aktiviert ist, um auf KoA übertragen zu werden. Ein anderer Weg besteht darin, dass Brenz-Traubensäure dekarboxyliert wird.

Wir sehen hier das Modell dieser Säure, die von Elektronen geradezu strotzt. Durch Dekarboxylierung entsteht Acetaldehyd.

Er wird an das C-Atom II des Thiazolrings eines Vitamins, des Thiaminpyrophosphats, durch Aldoladdition angeknüpft.

Es entsteht so ein aktivierter Acetaldehyd. Wir zeigen hier nur einen kleinen Ausschnitt aus dem Molekül.

Der aktivierte Acetaldehyd reagiert mit Liponsäureamid, wobei deren Disulfitbrücke geöffnet wird. Wasserstoffdonator ist der aktivierte Acetaldehyd, der dabei zu einer an Liponsäure gebundenen Essigsäure oxidiert wird.

Sie ist durch eine energiereiche Tioesterbindung, also S-Azylbindung, fixiert.

Von der Liponsäure kann die aktivierte Essigsäure leicht auf das KoA übertragen werden.

Sehen wir uns diese für den Stoffwechsel so wichtige Reaktionskette noch einmal an, wobei zur Erläuterung der chemischen Prozesse die Modelle helfen sollen. Brenz-Traubensäure dekarboxiliert sehr leicht, weil das Molekül auf engstem Raum eine Fülle freier Elektronenpaare, also gleichsinniger Ladungsteilchen, aufweist.

Der entstehende Acetaldehyd reagiert dann mit dem Wasserstoffatom des Thiazolrings. Dieses Wasserstoffatom ist Acet wegen der Nachbarschaft der beiden elektronegativen Ringglieder,

die die bindenden Elektronen so zu sich saugen, dass auch das bindende Elektronenpaar zwischen Ceatom 2 und dem Wasserstoffatom beeinflusst wird. Das Stickstoffatom wirkt wegen seiner positiven Ladung besonders stark elektronenanziehend.

Nach der Aldoladdition tritt die Liponsäure auf. Ihr Disulfidheterocyclus weist ziemliche Ringspannung auf.

Dort ist offensichtlich eine leichte Ringsprengung möglich, wobei das Übertragungsprodukt entsteht. Es enthält die CH3-CO-Gruppe in Form einer S-Azylbindung gebunden, die sehr reaktionsfreudig ist.

Übertragung auf QA ist möglich. Natürlich sind alle Reaktionsstufen enzymatisch kontrolliert, da nur so die spezifische Reaktion mit den genannten Partnern erfolgen kann.

Acetyl-CoA geht eine Fülle von Stoffwechselreaktionen ein. Hier interessiert nur die Übertragung eines langkettigen Fettsäureazylrestes auf CoA.

Der Austausch gegen den Acetylrest erfolgt wieder unter Energiezufuhr aus ATP und mit Hilfe eines Enzyms der Tiokinase. Im Form der hier gezeigten Acyl-CoA-Verbindungen reagieren dann die aktivierten langkettigen Fettsäuren

bei vielen Stoffwechselreaktionen.