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Lipide

Abstract

Die Lipide sind neben den Kohlenhydraten, den Proteinen und den Nucleotiden eine der vier Stoffklassen, die die Bausteine lebender Organismen darstellen.

Während die anderen drei Stoffklassen über ihre chemischen Eigenschaften definiert sind und daher strukturelle Ähnlichkeiten aufweisen, werden die Lipide über eine physikalische Eigenschaft, nämlich über ihre Löslichkeit definiert. Sie sind deshalb, was die chemische Struktur betrifft, eine große und sehr heterogene Gruppe von Molekülen, deren gemeinsames Merkmal ihre schlechte Wasserlöslichkeit ist (sie sind also hydrophob oder apolar). Verantwortlich dafür sind die langen Kohlenwasserstoffketten, die zumeist das Grundgerüst der Moleküle bilden, die zu den Lipiden gezählt werden. Manche Lipide haben zusätzlich zu den apolaren Kohlenwasserstoffketten noch eine polare Kopfgruppe. Diese Moleküle bezeichnet man als amphiphil.

Nach ihrer chemischen Struktur werden die Lipide in Untergruppen eingeteilt: Fettsäuren, Triacylglycerine, Phospholipide, Sphingolipide und Isoprenlipide. Die Fettsäuren und die Triacylglycerine sind wichtige Energieträger des Organismus. Sie werden im Fettgewebe gespeichert und können von dort bei Bedarf mobilisiert werden. Die amphiphilen Phospho- und Sphingolipide sind in der Lage, mit ihren polaren Kopfgruppen eine Grenzstruktur zum Wasser zu bilden. Die dabei entstehende Lipiddoppelschicht ist von herausragender Bedeutung für lebende Organismen, denn sie bildet die Grundform biologischer Membranen, die jede Zelle umgibt. Auch das Isoprenlipid Cholesterin ist ein wichtiger Bestandteil von Membranen und dient des Weiteren als Synthesevorstufe für die Steroidhormone und die Gallensäuren.

Überblick

Die Lipide sind eine große und heterogene Gruppe, deren gemeinsames Charakteristikum ist, dass sie schlecht in Wasser löslich sind (= hydrophob). Bei den meisten Lipiden sind für diese schlechte Wasserlöslichkeit (man spricht auch von „Apolarität“) lange Kohlenstoffseitenketten verantwortlich. Es gibt jedoch auch Lipide, die zusätzlich zu den apolaren Ketten hydrophile Molekülstrukturen aufweisen. Diese Lipide bezeichnet man als amphiphil, da sie sowohl fett- als auch partiell wasserlöslich sind.

Einteilung der Lipide

Verhalten von amphiphilen Lipiden in wässriger Lösung

In wässriger Lösung lagern sich amphiphile Lipide so zusammen, dass die polaren Strukturen eine Grenzfläche zum Wasser bilden und die apolaren Strukturen keinen Kontakt zum Wasser haben.

  • Micelle: Kugelförmiges Assoziat amphiphiler Lipide; die polaren Köpfchen werden nach außen gestreckt und grenzen an das wässrige Medium an, die apolaren Schwänze ragen nach innen und bilden eine eigene Phase
  • Liposom: Bläschen, das von einer Lipiddoppelschicht umhüllt wird und eine wässrige Phase einschließt
  • Lipiddoppelschicht

Verdauung und Resorption der Lipide

Die mit der Nahrung aufgenommenen Lipide (insb. TAGs, Phospholipide und Cholesterinester) können aufgrund ihrer Apolarität (bzw. Amphiphilität) und ihrer Molekülgröße nicht ohne weiteres von den Enterozyten resorbiert werden. Während des Verdauungsprozesses werden sie daher von Lipasen im Magen- und Darmlumen aufgespalten und anschließend in wasserlöslichen Strukturen, den Micellen, verpackt. Diese Micellen können dann mit den Membranen der Enterozyten reagieren und die Substanzen zur Resorption freigeben.

Verdauung

Exokrine Pankreasinsuffizienz
Eine Pankreasinsuffizienz geht u.a. mit einer verminderten Sekretion der Verdauungsenzyme einher und kann zum Maldigestionssyndrom führen. Dies macht sich durch eine mangelnde Versorgung mit Nährstoffen und sogenannte Fettstühle (Steatorrhö) bemerkbar. Als Ursachen für eine Pankreasinsuffizienz kommen beispielsweise eine Pankreatitis, die Mukoviszidose oder ein Verschluss des Pankreasganges durch einen Tumor infrage.

Resorption

Die Spaltprodukte der Fettverdauung bilden gemeinsam mit den Gallensäuren gemischte Micellen.

Transport der Lipide

In den Körperflüssigkeiten werden die Lipide an Proteine gebunden transportiert, z.B. liegen Triacylglycerine und Cholesterin in Form von Lipoproteinen im Blut vor. Dies gewährleistet zum einen, dass sie an ihrem definierten Zielort ankommen und zum anderen, dass sie nicht im Blut als Fetttröpfchen ausfallen. Die Lipoproteine bestehen aus einem Kern von hydrophoben Lipiden, der von einer Hülle aus stärker hydrophilen Lipiden und Proteinen (den sog. Apolipoproteinen) umgeben ist. Die Lipoproteine lassen sich in fünf Hauptklassen einteilen, die sich in ihrer Lipid- und Apolipoprotein-Zusammensetzung – und damit in ihrer Dichte – unterscheiden.

Allgemeiner Aufbau der Lipoproteine

  • Kern: Hydrophobe Lipide
  • Hülle: Hydrophilere Lipidanteile und hydrophile Proteine, sog. Apolipoproteine
    • Funktion: Halten die hydrophoben Lipide in Lösung und enthalten Signale, die den Transport zu bestimmten Zellen regulieren

Übersicht der Lipoproteine

Lipoproteinklasse

Durchmesser (nm)

Enthaltene Apolipoproteine Zusammensetzung (in %)
TAG Freies Cholesterin Cholesterinester Phospholipid Apolipoprotein
Chylomikrone
  • 75–1200
  • B-48, C, E
  • 86
  • 1
  • 4
  • 7
  • 2
VLDL (Very Low Density Lipoproteins)
  • 30–80
  • B-100, C, E
  • 55
  • 5
  • 15
  • 20
  • 5
IDL (Intermediate Density Lipoproteins)
  • 15–35
  • B-100, E
  • 30
  • 10
  • 30
  • 20
  • 10
LDL (Low Density Lipoproteins)
  • 18–25
  • B-100
  • 10
  • 10
  • 40
  • 20
  • 20
HDL (High Density Lipoproteins)
  • 7,5–20
  • A-I
  • 5
  • 5
  • 20
  • 30
  • 40

Das Lipid-Protein-Verhältnis ist in Chylomikronen am höchsten!

Der TAG-Gehalt der Lipoproteine steigt in der Reihenfolge HDL < LDL < IDL < VLDL < Chylomikronen!

Die Fettsäuren werden im Blut nicht in Form von Lipoproteinen, sondern an Albumin gebunden transportiert!

Funktion, Biogenese und Abbau der Lipoproteine

Chylomikronen

Chylomikronen sind sehr TAG-reiche Lipoproteine, die in den Mucosazellen des Darms synthetisiert und größtenteils von den membranständigen Lipoproteinlipasen der Endothelzellen aller Körpergewebe abgebaut werden.

ApoC-II ist Cofaktor der Lipoproteinlipase!

VLDL (Very Low Density Lipoprotein)

VLDLs sind ebenfalls sehr TAG-reiche Lipoproteine. Sie werden in der Leber synthetisiert und genau wie die Chylomikronen von den Lipoproteinlipasen abgebaut.

LDL (Low Density Lipoprotein)

LDLs sind die cholesterinreichsten Lipoproteine. Sie enthalten Apolipoprotein B-100 als charakteristisches Protein, d.h. dessen Anteil ist im Verhältnis wesentlich höher als bei VLDL und IDL. Für die klinische Bedeutung siehe auch: Parameter des Fettstoffwechsels.

HDL (High Density Lipoprotein)

HDLs, die Lipoproteine mit der höchsten Dichte, kommen in mindestens drei Unterformen vor. Für die klinische Bedeutung siehe auch: Parameter des Fettstoffwechsels.

Pathogenese der Atherosklerose
Der Scavenger-Rezeptor sitzt hauptsächlich auf Hepatozyten, kommt aber auch auf Makrophagen vor. Er hat die größte Affinität zu cholesterinreichem HDL (HDL3), kann jedoch auch oxidativ verändertes LDL aufnehmen. Dies spielt eine besondere Rolle bei der Entstehung der Atherosklerose: Durch Schäden in der Gefäßwand treten Plasmabestandteile in die Gefäßwand ein. LDL kann dabei durch Interaktion mit Gefäßzellen, glatten Muskelzellen und Makrophagen oxidiert werden. Dieses oxidierte LDL wird nun über den Scavenger-Rezeptor der Makrophagen aufgenommen. Da der Scavenger-Rezeptor-Weg im Unterschied zum LDL-Rezeptor-Weg keiner Regulation unterliegt, gelangt oxidiertes LDL unkontrolliert in die Makrophagen. Der steigende Cholesteringehalt des Makrophagen macht sich durch die Ablagerung von Cholesteroltröpfchen bemerkbar, die sich im Mikroskop „schaumig“ darstellen. Die Makrophagen werden daher auch „Schaumzellen“ (engl. „foam cells“) genannt. Diese Schaumzellen gehen dann bei weiter steigendem Cholesteringehalt apoptotisch zugrunde, ihr Inhalt entleert sich ins subendotheliale Gewebe und bildet die Grundlage für eine atherosklerotische Plaque.

Dyslipidämien
Normalerweise liegen die Lipoproteine im Blut in einem bestimmten Verhältnis zueinander vor. Verschiebt sich diese Zusammensetzung, so spricht man von einer Fettstoffwechselstörung (Dyslipidämie). Die Hypolipoproteinämie - also die Verminderung einer bestimmten Lipoproteinklasse - ist sehr selten und beruht meist auf einem genetischen Defekt. Viel häufiger ist die Hyperlipoproteinämie, bei der es zu einer Erhöhung der Konzentration bestimmter Lipoproteine (hauptsächlich LDL und VLDL) und damit zu einer relativen Senkung der Konzentration anderer Lipoproteine (hauptsächlich HDL) kommt. Die Hyperlipoproteinämie kann ebenfalls genetisch bedingt sein (primäre Hyperlipoproteinämie wie z.B die familiäre Hypercholesterinämie), viel häufiger ist jedoch die sekundäre Hyperlipoproteinämie als Folge einer Grunderkrankung (z.B. Diabetes mellitus, Alkoholismus) oder von Diätfehlern (Adipositas). Hyperlipoproteinämien erhöhen das Risiko für Gefäßerkrankungen (wie z.B. Atherosklerose, koronare Herzkrankheit sowie periphere arterielle Verschlusskrankheit) und stellen somit ein schweres Gesundheitsrisiko dar. Neben den Hyperlipoproteinämien gibt es noch die reine Erhöhung der TAGs (Hypertriglyzeridämie) und des Cholesterins (Hypercholesterinämie), die ähnliche gesundheitliche Konsequenzen haben.

Stoffwechsel der Lipide im Überblick

Genau wie die Struktur der einzelnen Lipidklassen, ist auch ihre Verstoffwechslung sehr unterschiedlich. Folgende Abschnitte geben einen Überblick über die wichtigsten Stoffwechselwege:

Stoffwechsel der Ketonkörper

Als Ketonkörper werden die drei Substanzen Acetacetat, Aceton und β-Hydroxybutyrat bezeichnet. In kataboler Stoffwechsellage dient vor allem β-Hydroxybutyrat dem Gehirn sowie der Skelett- und Herzmuskulatur als alternativer Energieträger.

Synthese der Ketonkörper

Ketonkörper werden gebildet, wenn Acetyl-CoA im Überfluss vorliegt, aber nicht im Citratzyklus weiterverarbeitet werden kann. Dies ist zum Beispiel bei Nahrungskarenz oder kohlenhydratarmer Ernährung der Fall.

Die Ketonkörpersynthese findet ausschließlich in den Mitochondrien der Hepatozyten statt! Anschließend werden die Ketonkörper an das Blut abgegeben und zu ihren Zielorganen (hauptsächlich Gehirn und Muskulatur) transportiert!

Synthese von Acetacetat und β-Hydroxybutyrat
Reaktion Substrat Enzym Produkt Besonderheiten

1. Verbindung zweier Moleküle Acetyl-CoA

  • Acetacetyl-CoA
2. Anfügen eines weiteren Moleküls Acetyl-CoA
3. Spaltung von HMG-CoA
4. Reduktion von Acetacetat
  • Acetacetat
  • β-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase
  • β-Hydroxybutyrat

Acetyl-CoA → Acetacetyl-CoAHMG-CoAAcetacetat → β-Hydroxybutyrat!

Aceton entsteht durch spontane Decarboxylierung aus Acetacetat. Der Organismus hat für Aceton keine Verwendung, sodass es mit der Atemluft ausgeschieden wird!
Diabetische Ketoazidose
Beim Diabetes mellitus (vorwiegend beim Typ 1) wird dem Organismus durch das fehlende Insulin eine Nahrungskarenz vorgespielt (weil die Glucose nicht in den Zellen ankommt, obwohl sie in ausreichender Menge im Blut vorliegt), auf die er unter anderem mit der übermäßigen Synthese von Ketonkörpern reagiert. Folge kann die gefürchtete diabetische Ketoazidose sein, bei der die „saurenKetonkörper im Organismus akkumulieren und durch das azidotische Milieu wesentliche Organfunktionen zunehmend beeinträchtigt werden, bis hin zum Koma. Ein Zeichen dafür ist ein süßlicher Geruch der Ausatemluft (riecht wie Nagellackentferner), der durch die hohe Konzentration von Aceton bedingt ist.

Verwertung der Ketonkörper

Die Leber kann die Ketonkörper selbst nicht verwerten und gibt sie deshalb in Form von β-Hydroxybutyrat an das Blut ab. Mit Ausnahme der Erythrozyten sind alle anderen Organe und Gewebe zur Ketonkörperverwertung fähig. Die Reaktionen des Ketonkörperabbaus finden in der mitochondrialen Matrix statt.

Reaktion Substrat Enzym Produkt Besonderheiten
Oxidation von β-Hydroxybutyrat
  • β-Hydroxybutyrat
  • β-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase
  • Acetacetat
Aktivierung von Acetacetat
  • Acetacetat
  • Succinyl-CoA
  • Acetacetyl-CoA
  • Succinat
  • Diese Reaktion kann auch ohne Succinyl-CoA erfolgen (direkte Kopplung von Acetyl-CoA an Acetacetat)
Thiolyse

Stoffwechsel der Phospholipide

Phospholipide sind eine große Gruppe amphiphiler Moleküle. Mit ihrer Fähigkeit zur Bildung von Lipiddoppelschichten sind sie die wichtigsten Membranbestandteile des Organismus. Außerdem sind sie Vorstufen wichtiger Signalmoleküle.

Chemische Struktur

Die Phospholipide haben gemeinsam, dass sie aufgrund eines polaren „Köpfchens“ und eines apolaren „Schwanzes“ amphiphile Eigenschaften haben.

Abbau und Resorption von Phospholipiden

Phospholipide können von in den Gastrointestinaltrakt sezernierten extrazellulären Phospholipasen abgebaut werden. Zusätzlich finden sich intrazelluläre Phospholipasen, die Membranbestandteile abbauen und z.T. an der Signaltransduktion beteiligt sind.

Synthese

Phospholipide können zum einen de novo aus Glycerin, Fettsäuren, Phosphat und dem jeweiligen Rest synthetisiert werden. Sie können aber auch recht unkompliziert ineinander überführt werden. Generell unterliegen sie einem raschen Umsatz, der die Dynamik der Zellmembranstrukturen widerspiegelt. Die Synthese erfolgt am glatten ER.

Phospholipide und Signalmoleküle

Phospholipide sind die wichtigsten Bestandteile biologischer Membranen. Sie erfüllen jedoch zusätzlich wichtige Funktionen im Bereich der Signaltransduktion (Umsetzung extrazellulärer Signale in intrazelluläre Stoffwechselprozesse). Die folgenden Signalmoleküle werden durch Phospholipasen aus membranösen Phospholipiden abgespalten.

Surfactant
Phosphatidylcholin ist wichtiger Bestandteil des Surfactants, einer Substanz, die die Oberflächenspannung der Lungenalveolarflüssigkeit herabsetzt. Ist nicht genug Phosphatidylcholin vorhanden, bspw. durch eine Störung im Syntheseweg, so kommt es zu einem Surfactant-Mangel, der die gleichmäßige Entfaltung der Lunge nach der Geburt verhindert. Diese Störung ist eine mögliche Ursache des infantilen Atemnotsyndrom des Neugeborenen und kann durch die Gabe von synthetisch gewonnenem Surfactant therapiert werden.

Stoffwechsel der Sphingolipide

Sphingolipide sind wichtige Zellmembranbestandteile. Sie haben einen Einfluss auf die Fluidität von Membranen und dienen als Synthesevorstufen für second messenger.

Chemische Struktur

Die Sphingolipide ähneln in ihrem Aufbau den Phospholipiden, jedoch ist bei ihnen das Glycerin durch den zweifachen Aminoalkohol Sphingosin ersetzt.

Die Grundstruktur aller Sphingolipide ist das Ceramid, in dem Sphingosin über eine Amidbindung mit einer Fettsäure verknüpft ist!

Abbau der Sphingolipide

Sphingolipide werden durch lysosomale Hydrolasen abgebaut.

Synthese der Sphingolipide

Sphingolipide werden am glatten ER und im Golgi-Apparat synthetisiert. Dabei wird zunächst das gemeinsame Zwischenprodukt Ceramid gebildet, welches der Ausgangspunkt für die Biosynthese aller weiteren Sphingolipide ist.

Wiederholungsfragen zum Kapitel Lipide

Verdauung und Resorption der Lipide

In welchen Zellen wird die hormonsensitive Lipase gebildet und welche Reaktion katalysiert sie?

Transport der Lipide

Nenne die Lipoproteine in der Reihenfolge ihres prozentualen TAG-Gehalts! Welches Lipoprotein hat den höchsten Cholesterin-Gehalt?

Welches Lipoprotein weist das höchste Lipid-Protein-Verhältnis auf?

Wie werden freie Fettsäuren im Blut transportiert?

Beschreibe die Funktion der Lipoproteinlipase! Durch welches Apolipoprotein wird sie typischerweise aktiviert?

Welches Apolipoprotein tragen LDLs charakteristischerweise und was ist seine Funktion?

Wie entstehen aus Very Low Density Lipoproteins (VLDLs) Intermediate Density Lipoproteins (IDLs)?

Welche Funktion hat die Lecithin-Cholesterol-Acyltransferase (LCAT) und wie wird sie aktiviert?

Stoffwechsel der Ketonkörper

Nenne die drei Ketonkörper, ihren Bildungsort und ihre gemeinsame Ausgangssubstanz!

Wann kommt es typischerweise zu einer erhöhten Synthese von Ketonkörpern? Welche Funktion haben sie?

Beschreibe die Reaktionsschritte der Synthese von Acetacetat und β-Hydroxybutyrat unter Nennung der mitwirkenden Enzyme!

Wie entsteht Aceton und was geschieht anschließend damit im Körper?

Welche Organe bzw. Gewebe können Ketonkörper verwerten? Welches Organ ist bei einem Glucosemangel sogar besonders stark auf Ketonkörper angewiesen?

Beschreibe, wie β-Hydroxybutyrat wieder in den Stoffwechsel eingeschleust werden kann!

Stoffwechsel der Phospholipide

Beschreibe das gemeinsame Grundgerüst aller Phospholipide sowie speziell den Aufbau von Lecithin!

Welche Funktion hat Cytidindiphosphat (CDP) in der De-Novo-Synthese von Phospholipiden?

Die verschiedenen Phospholipide können entweder de-novo synthetisiert oder auch ineinander überführt werden. Wie kann bspw. Phosphatidylserin in Phosphatidylethanolamin umgewandelt werden und welcher Cofaktor wird dafür benötigt?

Stoffwechsel der Sphingolipide

Beschreibe den gemeinsamen Grundaufbau der Sphingolipide! Wo werden sie synthetisiert?

Was sind Cerebroside, Sulfatide und Ganglioside?

Woraus bestehen Sphingomyeline?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.