Biologia animale, istologia e anatomia umana

Biologia istologia anatomia lipidi

I lipidi sono una classe molto eterogenea di composti organici che hanno in comune la caratteristica di essere insolubili o pochissimo solubili in acqua in quanto presentano uno scheletro carbonioso caratterizzato da legami apolari. All'interno della cellula svolgono numerose funzioni:

• Funzione di deposito: dalla loro scissione viene prodotto ATP;
• Funzione strutturale: sono componenti delle membrane cellulari e alcuni di essi vengono depositati all'interno del tessuto adiposo, il quale a sua volta forma dei cuscinetti protettivi attorno agli organi interni;
• Funzione regolatrice: alcuni di essi sono ormoni (ormoni sessuali maschili e femminili, ormoni corticosurrenali), altri funzionano come messaggeri intracellulari e quindi sono coinvolti in vie di segnalazione all'interno della cellula (vie di segnalazione che vengono attivate in seguito al legame tra molecole segnale e specifici recettori presenti sulla membrana cellulare).

Divisione chimica dei lipidi

Dal punto di vista chimico i lipidi si dividono in tre gruppi:

• Lipidi semplici o neutri
• Lipidi complessi o polari
• Steroidi

Acidi grassi

Gli acidi grassi entrano nella composizione dei lipidi semplici e di quelli complessi, sono acidi carbossilici a catena relativamente lunga fino a 20 atomi di carbonio (catena con un numero pari di atomi di carbonio non ramificata). Possono essere saturi se presentano legami singoli carbonio o insaturi se presentano uno o più doppi legami carbonio-carbonio. La presenza di doppi legami influenza lo stato fisico dei diversi lipidi. L’acido stearico, che è saturo a 18 atomi di carbonio, presenta una catena alifatica che ha una conformazione lineare quindi se si mettono assieme più molecole di acido stearico le catene riescono ad allinearsi disponendosi parallelamente le une alle altre e possono formare numerose interazioni di van der Waals. Come risultato i grassi ricchi in acidi grassi saturi sono solidi o semiliquidi. L’acido oleico, che è un acido insaturo a 18 atomi di carbonio, presenta un doppio legame e a livello del doppio legame si forma una curvatura che impedisce uno stretto allineamento tra le catene alifatiche, di conseguenza diminuiscono le interazioni di van der Waals tra le molecole e in tal modo i grassi ricchi in acidi grassi insaturi presentano uno stato fisico liquido.

Lipidi semplici o neutri

I lipidi semplici o lipidi neutri o gliceridi sono formati dall’unione tra glicerolo e gli acidi grassi, acidi grassi che in questo caso presentano una catena di atomi di carbonio da 16 a 18 atomi. Il glicerolo è un alcol a tre atomi di carbonio: ciascun atomo presenta un gruppo ossidrilico e questo gruppo ossidrilico può reagire con il gruppo carbossilico dell’acido grasso: viene persa una molecola di acqua e si forma un legame stereo.

• Se il glicerolo reagisce con una sola molecola di acido grasso si forma un monogliceride o monoacilglicerolo;
• Se reagisce con due molecole di acido grasso si forma un digliceride o diacilglicerolo;
• Se le molecole di acido grasso sono tre, si forma un trigliceride o triacilglicerolo.

I trigliceridi sono i principali lipidi di deposito sia negli animali che nei vegetali e rappresentano la forma più concentrata di energia dal momento che sono molto insolubili in acqua e si depositano all’interno della cellula sotto forma di goccioline.

Lipidi complessi o polari

I lipidi complessi o lipidi polari si dividono in due categorie:

• Glicerofosfatidi (fosfogliceridi)
• Sfingolipidi

I glicerofosfatidi (fosfogliceridi) si formano dall’unione tra acido fosfatidico e una piccola molecola polare. L'acido fosfatidico è formato dal glicerolo: due ossidrili del glicerolo vengono esterificati da due molecole di acido grasso (di solito una molecola è satura e l’altra insatura) mentre il terzo ossidrile del glicerolo è esterificato con acido fosforico. All’acido fosforico si lega la piccola molecola polare che può essere colina, etanolammina, serina oppure inositolo. In tal modo si forma il fosfogliceride (ad esempio dall’unione tra l’acido fosfatidico e la colina si forma la fosfatidilcolina).

Gli sfingolipidi presentano come molecola di base chiamata cerammide, formata dalla sfingosina e da un acido grasso. La sfingosina può essere definita un amminoalcol a lunga catena in quanto presenta due gruppi ossidrilici, un gruppo amminico e una lunga catena alifatica. Al gruppo amminico della sfingosina si lega ulteriormente un'altra molecola di acido grasso e in tal modo si forma la cerammide. La cerammide può legare una molecola di acido fosforico e la colina, formando la sfingomielina, oppure può legare un monosaccaride o un oligosaccaride portando alla formazione di un glicosfingolipide. Sia la sfingomielina che il glicosfingolipide appartengono alla categoria degli sfingolipidi.

I lipidi complessi sono molecole anfipatiche o anfifiliche in quanto presentano due estremità:

• Una piccola estremità idrofila/polare;
• Una più vasta estremità idrofobica/non polare.

Quando lipidi complessi vengono messi in ambiente acquoso si aggregano in modo che le estremità polari vengano rivolte verso l’ambiente acquoso mentre le code apolari racchiuse all’interno, formando in tal modo:

• Micelle
• Film monomolecolari
• Membrane a doppio strato molecolare

I lipidi complessi sono i principali costituenti della membrana cellulare.

Steroidi

Gli steroidi presentano una struttura rigida data dalla fusione di quattro anelli. Lo steroide maggiormente rappresentato è il colesterolo: il colesterolo è costituente delle membrane e all’interno delle membrane va a regolare la fluidità e viene utilizzato dalla cellula anche come precursore degli ormoni steroidei, come per esempio gli ormoni sessuali maschili e femminili (testosterone e progesterone).

Membrane

Le membrane sono delle strutture molto sottili dalla grandezza di qualche nanometro di spessore che costituiscono il confine fisico della cellula. Controllano la composizione chimica del citoplasma grazie a caratteristiche di permeabilità selettiva, captano e trasmettono all’interno della cellula segnali provenienti dall’ambiente esterno grazie alla presenza di proteine recettoriali, stabiliscono delle interconnessioni tra il citoplasma e l’ambiente cellulare o tra una cellula e l’altra.

Tutte queste funzioni derivano dalla struttura della membrana biologica che è una struttura a mosaico fluido costituita da un foglietto a doppio strato di lipidi nei quali sono inseriti e sono libere di muoversi numerose proteine. Le due categorie di molecole, lipidi e proteine, sono tenute insieme da legami non covalenti e all’interno della membrana ciascuna tipologia di molecole svolge una funzione differente. I lipidi sono responsabili del fatto che le membrane sono permeabili a sostanze apolari e parzialmente permeabili a quelle polari (i lipidi danno l’effetto barriera). Altre funzioni svolte nelle membrane dalle proteine sono:

• Funzioni di trasporto;
• Funzioni recettoriali.

Le membrane sono caratterizzate dall’essere strutture dinamiche e fluide, infatti all’interno di esse sia lipidi che proteine possono muoversi e possono spostarsi e sono strutture asimmetriche, ovvero la composizione dello strato esterno della membrana (quello rivolto verso l’ambiente extracellulare) è diversa rispetto alla composizione dello strato interno (verso l’ambiente che si affaccia sul citosol).

Composizione lipidica

La componente lipidica delle membrane è costituita da lipidi complessi:

• Glicerofosfatidi
• Sfingolipidi
• Glicosildiacilgliceroli
• Colesterolo

Con il termine di fosfolipidi si intendono sia i glicerofosfatidi che gli sfingolipidi con i gruppi fosfato, mentre con il termine glicolipidi si intendono i lipidi che contengono carboidrati, quindi glicosfingolipidi e glicosildiacilgliceroli.

Glicerofosfatidi

I glicerofosfatidi hanno come molecola di base l’acido fosfatidico formato da una molecola di glicerolo (un alcol a tre atomi di carbonio), di cui due ossidrili sono esterificati con due molecole di acido grasso a lunga catena (la catena può essere lunga o 16 o 18 o 20 atomi di carbonio). Di queste due molecole di acido grasso, una è satura e l’altra è insatura. Il terzo gruppo ossidrilico è esterificato con acido fosforico. A Ph fisiologico il gruppo fosfato degli acidi fosfatidici è dissociato, quindi essi contengono una netta carica negativa che è presente anche dopo che il fosfato ha formato un legame con una piccola molecola polare per portare alla formazione dei glicerofosfatidi. Le piccole molecole polari possono essere degli amminoalcoli (come la colina o la etanolammina), possono essere degli idrossiamminoacidi (come la serina) oppure dei polialcoli ciclici (come l’inositolo). In tal modo si ottengono la fosfatidilserina, la fosfatidiletanolammina, la fostatidilcolina o il fosfatidilinositolo.

La fosfatidilserina è l’unico glicerolfosfatide che presenta una carica netta in quanto la fosfatidilserina presenta una carica positiva e una carica negativa, una volta che si lega con l’acido fosfatidico abbiamo due cariche negative e una carica positiva: è l’unica molecola che presenta una carica netta negativa ma non è l’unica particolarità perché normalmente in una cellula sana, la fosfatidilserina è localizzata nel lato citosolico della membrana e viene trasferita sul lato esterno solamente nelle cellule che sono in apoptosi (cellula che ha messo in moto un meccanismo di morte programmata), quindi la presenza anomala della fosfatidilserina posta sul lato esterno della membrana plasmatica è un indice che la cellula sta andando in apoptosi.

Sfingolipidi

Negli sfingolipidi al posto di avere acido fosfatidico come molecola di base abbiamo la cerammide, ammide tra un amminoalcol a lunga catena che si chiama sfingosina e un acido grasso a lunga catena di atomi di carbonio che può essere satura o insatura. La cerammide può legarsi a due opzioni di legame e possiamo avere due tipologie di sfingolipidi: nella prima opzione il gruppo alcolico libero della cerammide viene esterificato con acido fosforico che a sua volta va a formare un secondo estere con la colina oppure con l’etanolammina, e in questo caso si forma una sfingomielina; nella seconda opzione la cerammide forma un legame glicosidico con un mono o un oligosaccaride e in questo caso abbiamo la formazione di un glicosfingolipide. Con il termine di oligosaccaride si intende una catena formata da più zuccheri semplici presenti in un numero abbastanza limitato, di solito non si va oltre i 10/15 residui di zucchero. A loro volta i glicosfingolipidi vengono divisi in due categorie a seconda delle caratteristiche della porzione zuccherina:

• Se la catena zuccherina è formata da zuccheri neutri abbiamo i cerebrosidi;
• Se la catena zuccherina è formata da zuccheri che presentano una carica negativa abbiamo i gangliosidi. Nei gangliosidi abbiamo numerosi residui di acido sialico che sia nella forma lineare che in quella chiusa presenta delle cariche negative.

Glicosildiacilgliceroli

In questo caso abbiamo sempre il glicerolo (alcol a tre atomi di carbonio). Due ossidrili vengono esterificati da due acidi grassi di cui uno è saturo e l’altro è insaturo, mentre il terzo ossidrile forma un legame ossidrilico con una porzione zuccherina che può essere costituita da un mono o da un oligosaccaride. In generale il glicosildiacilglicerolo ma anche i glicosfingolipidi hanno una localizzazione particolare nella membrana, ovvero sono localizzati nello strato della membrana non citosolico. Abbiamo delle porzioni glucidiche di glicolipidi che si affacciano sulla membrana. I glicolipidi svolgono delle importanti funzioni nel riconoscimento cellulare: le porzioni glucidiche insieme a proteine di membrana a cui sono legati, formano i determinanti che mi vanno a stabilire i gruppi sanguigni AB0. Alcuni glicolipidi rappresentano i siti di legame per sostanze che le cellule introducono dall’ambiente esterno.

Colesterolo

È una molecola che può essere suddivisa in tre porzioni, ovvero una piccola testa polare e due porzioni apolari:

• La piccola testa polare è costituita dal gruppo ossidrile OH;
• Una prima porzione apolare è costituita da un sistema di 4 anelli (tutti legami carbonio-carbonio) e questa porzione è rigida;
• La seconda porzione apolare è costituita da una catena alifatica di legami carbonio-carbonio, ma questa porzione non è rigida perché abbiamo legami singoli e possibilità di rotazione della catena.

All’interno del doppio strato fosfolipidico le molecole di colesterolo vanno a inserirsi con le teste polari che si orientano verso le teste polari dei fosfolipidi, mentre il resto della molecola è incastrata tra le code di acido grasso dei fosfolipidi. L’effetto del colesterolo è duplice: il colesterolo va a diminuire la libertà di movimento delle code di acido grasso e soprattutto questa diminuzione di movimento si ha nella parte in cui è incastrata la parte rigida della molecola di colesterolo (la struttura formata da 4 anelli). La parte relativa alla catena alifatica è più fluida perché l’ingombro sterico è minore e ostacola meno il movimento delle code di acido grasso dei fosfolipidi. Il colesterolo oltre a modificare la flessibilità della membrana, ne modifica anche la fluidità.

Le membrane biologiche vanno incontro a un fenomeno chiamato transizione di fase: la transizione di fase consiste nel fatto che al di sotto di una data temperatura chiamata temperatura di fusione esse si trovano in uno stato congelato mentre al di sopra di questa temperatura di fusione, si trova allo stato fluido. Perché le membrane funzionino devono essere allo stato fluido. La transizione di fase dipende dalla temperatura ma è influenzata anche dalla composizione lipidica, viene influenzata:

• Dalla lunghezza e grado di saturazione degli acidi grassi, cioè maggiore sono le interazioni che gli acidi grassi possono avere, maggiore è il pericolo che la membrana passi da uno strato fluido a uno strato cristallino;
• Dal contenuto di colesterolo.

Il colesterolo incuneandosi all’interno tra un fosfolipide e l’altro allontana le catene di acido grasso tra loro (ne diminuisce l’interazione) e conseguentemente se c’è colesterolo, c’è poca interazione tra gli acidi grassi e quindi diminuisce la temperatura di fusione (aumentando il colesterolo c’è maggiore possibilità che la membrana rimanga fluida). All’interno del doppio strato le molecole lipidiche sono in grado di diffondere liberamente, possono effettuare:

• Movimenti di diffusione laterale;
• Movimenti di rotazione intorno all’asse maggiore;
• Possono flettere le code;
• Possono avere un movimento flip-flop in cui il fosfolipide passa da un mono-strato all’altro.

Proteine

Le proteine rappresentano il 50/70% dei componenti della membrana. Sono molecole con peso molecolare più elevato rispetto ai lipidi e il rapporto tra molecole è di una molecola di proteina ogni 50/75 molecole di lipidi. Di fatto però la quantità e il tipo di proteine dipendono dal tipo di membrana e dalle funzioni che quest’ultima svolge. Le membrane che vanno a costituire la guaina mielinica dei nervi che hanno una funzione isolante conterranno solamente 20% di proteine mentre 80% sarà data dalla componente lipidica. Al contrario, a livello della membrana mitocondriale interna dove c’è grande fabbisogno di proteine per sostenere le sue funzioni, come il trasporto di elettroni e la produzione di ATP, le proteine presentano il 75% della membrana mentre la quantità dei lipidi scende a 25%.

Alle proteine possono essere legate catene poli/oligosaccaridiche, catene molto lunghe di zuccheri semplici o più corte che sporgono verso l’ambiente extracellulare. Le proteine di membrana svolgono la maggior parte delle funzioni della stessa:

• Funzioni di trasporto: proteine transmembrana cioè proteine incuneate nello strato lipidico che trasportano i soluti da una parte all’altra della membrana;
• Attività enzimatica: proteine che vanno a catalizzare reazioni nella via metabolica e possono avere anche una funzione di riconoscimento tra le cellule. In questo caso entrano in gioco le catene zuccherine, come alcune glicoproteine, che possono agire da segnali che vengono identificate da altre cellule;
• Funzione recettoriale: una proteina di membrana può riconoscere un legame e legare una molecola dell’ambiente extracellulare, come un ormone, che cambiando la conformazione della proteina trasmette il messaggio all’interno della cellula;
• Funzione adesiva: funzione di adesione con cellule vicine oppure di adesione all’ambiente extracellulare.

Da un punto di vista della localizzazione le proteine di membrana vengono suddivise in tre tipologie:

• Proteine integrali (intrinseche)
• Proteine periferiche (estrinseche)
• Proteine ancorate ai lipidi

Proteine integrali (intrinseche)

Le proteine integrali sono immerse nel doppio strato lipidico e sporgono su una faccia o su entrambe le facce della membrana. Normalmente hanno una funzione di trasportatori e di recettori, ce ne possono essere di varie tipologie in quanto possono attraversare più e più volte la membrana plasmatica.

Proteine periferiche (estrinseche)

Le proteine periferiche hanno una superficie polare e sono legate in maniera non covalente ai gruppi polari esposti sulle superficie delle membrane. I legami non covalenti sono legami a idrogeno e interazioni elettrostatiche. Dal momento che i legami sono blandi queste proteine possono essere isolate e staccate dalla membrana con trattamenti blandi che non vanno a distruggere il doppio strato fosfolipidico. Possiamo utilizzare variazione di concentrazione o del Ph per isolare una proteina periferica.