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Biochimica dei lipidi

I lipidi (o grassi) sono molecole molto eterogenee, in quanto fra loro hanno una struttura chimica molto differente; le caratteristiche comuni: contengono sempre almeno 1 acido grasso, sono insolubili in acqua e solubili in solventi organici.

Funzioni dei lipidi

I vari tipi di lipidi ricoprono numerose funzioni:

• Riserva energetica. Sono dei costituenti importanti della dieta, dato il loro alto valore energetico, e vengono immagazzinati sotto forma di tessuto adiposo, per essere utilizzati nel momento di necessità.
• Permettono al nostro corpo di assorbire le vitamine liposolubili e gli acidi grassi cosiddetti “essenziali” (tra cui gli omega-3), che non essendo sintetizzati dal nostro organismo devono essere introdotti con la dieta.
• Strutturale. I lipidi sono costituenti strutturali degli organismi viventi, fanno quindi parte delle membrane cellulari (fosfolipidi, sfingolipidi, ecc.).
• Regolatoria. I lipidi vengono utilizzati per produrre vitamine, ormoni ed altri importanti composti per il nostro organismo.

Classificazione funzionale dei lipidi

• Lipidi di riserva o deposito: trigliceridi.
• Lipidi di struttura: quelli presenti nelle membrane cellulari.
• Lipidi con funzione regolatoria.

Classificazione chimica dei lipidi

• Lipidi semplici:
  • Gliceridi o trigliceridi, sono esteri del glicerolo.
  • Cere, sono esteri di alcoli monovalenti a catena lunga.
  • Steridi, sono esteri degli steroli.
• Complessi:
  • Fosfolipidi, che possono essere glicerofosfolipidi o sfingofosfolipidi.
  • Glicolipidi.

Acidi grassi

Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con un numero di atomi di carbonio maggiore o uguale a 4. Sono classificabili in base alla lunghezza della loro catena:

• Acidi grassi a catena corta: fino a 6 atomi di carbonio.
• Acidi grassi a catena media: da 8 a 14 atomi di carbonio.
• Acidi grassi a catena lunga: da 16 fino a 36 atomi di carbonio.

Ma anche in base alla presenza o meno di doppi legami lungo la catena carboniosa:

• Acidi grassi saturi. Lungo la catena carboniosa legata a -COOH, non sono presenti doppi legami fra carbonio-carbonio.
• Acidi grassi insaturi. Sono presenti doppi legami lungo la catena carboniosa legata a -COOH. Distinguiamo:
  • Acidi grassi monoinsaturi, se presentano un solo doppio legame.
  • Acidi grassi polinsaturi, se presentano almeno 2 doppi legami.

Acidi grassi saturi e insaturi comuni

Fra gli acidi grassi saturi più comuni:

• Acidi grassi a catena corta: acido butirrico (4 atomi di carbonio) presente nel latte e nei suoi derivati, acido esanoico (6 atomi di carbonio).
• Acidi grassi a catena media
• Acidi grassi a catena lunga: acido palmitico (16 atomi di carbonio), acido stearico (18 atomi di carbonio); sono presenti sia nei grassi animali che vegetali.

Fra gli acidi grassi insaturi più comuni:

• Acido oleico (C18). Contiene 1 sola insaturazione.
• Acido linoleico (C18). Contiene 2 insaturazioni.
• Acido linolenico (C18). Contiene 3 insaturazioni.

L'acido linoleico e l'acido linolenico sono acidi grassi essenziali, e quindi da introdurre con la dieta, poiché l'organismo umano non è in grado di sintetizzarli, per mantenere l'organismo stesso in buone condizioni di salute.

La presenza di doppi legami nella catena carboniosa legata al gruppo COOH, e la sua lunghezza, influenzano la temperatura di fusione degli acidi grassi:

• Maggiore lunghezza della catena, maggiore punto di fusione.
• Maggiore numero di doppi legami presenti, minore punto di fusione.

Possiamo dire, quindi, che la temperatura di fusione è direttamente proporzionale alla lunghezza della catena, e inversamente proporzionale al numero di doppi legami presenti nella catena.

Tipi di lipidi

Distinguiamo 2 tipi di lipidi:

• Grassi. Vengono definiti così tutti quei lipidi che sono ricchi di acidi grassi saturi. Questi sono solidi a temperatura ambiente.
• Oli. Vengono definiti così tutti quei lipidi che sono ricchi di acidi grassi insaturi o polinsaturi. Questi sono liquidi a temperatura ambiente.

Lipidi semplici di interesse biologico

• Trigliceridi. Costituiscono una riserva energetica. Si formano per reazione (saponificazione) tra un alcol trivalente (glicerolo) e 3 acidi grassi; gli acidi grassi sono legati ai 3 gruppi ossidrili dell’alcol tramite legami estere; a seconda del tipo di trigliceride, gli acidi grassi possono essere uguali o diversi fra loro.

Dall’acido grasso l’OH si allontana come OH⁺, lasciando una carica positiva sul carbonio a cui era legato; l’H del gruppo OH nel glicerolo si allontana come H^-, lasciando il doppietto elettronico sull’ossigeno, che può essere utilizzato per formare un legame (estere) con il carbonio dell’acido grasso; in totale se ne formeranno quindi 3, dato il numero di acidi grassi. Le 3 molecole di acqua si formeranno dal legame fra ognuno degli OH⁺ persi dall’acido grasso, con ogni H^- perso dal glicerolo.

In realtà, nel nostro organismo, sono presenti 2 riserve energetiche: trigliceridi (accumulati nel tessuto adiposo), e glicogeno (riserva energetica di glucosio, che si trova nel fegato e nei muscoli); quest’ultima è una riserva immediatamente impiegata, nel momento in cui l’organismo necessita di glucosio, quindi di pronto utilizzo. I trigliceridi, invece, rimangono accumulati nel tessuto adiposo come deposito energetico; la selezione evolutiva ha preferito questa situazione per 2 motivi principali:

• I trigliceridi sono molecole più ridotte rispetto al glicogeno, ovvero che, ossidando una pari quantità di trigliceridi e di glucosio contenuto nel glicogeno, si ottiene molta più energia dal primo citato (1 g lipidi produce 9 Kcal, 1 g di glucosio 4 Kcal). Dato il loro alto contenuto energetico, i trigliceridi sono quindi preferiti come deposito energetico.
• I trigliceridi, essendo molecole idrofobiche, possono accumularsi in quantità maggiori rispetto al glicogeno (formato da glucosio, che è una molecola polare), poiché non è presente acqua nel punto in cui si accumulano. In particolare, vengono accumulati in forma anidra, pertanto nel tessuto adiposo è possibile conservare molti più trigliceridi di quanto glicogeno si potrebbe conservare nel fegato e nei muscoli, in quanto essendo polare, sarebbe circondato da molecole di acqua.

Lipidi complessi

Hanno funzione strutturale, poiché sono i principali costituenti delle membrane cellulari; nelle cellule, la concentrazione di questo tipo di lipidi rimane costante, indipendentemente da quanti se ne assumono con la dieta. Possono essere suddivisi in:

Fosfolipidi

• Tra cui abbiamo i glicerofosfolipidi, che si formano a partire da una molecola di glicerolo; e gli sfingolipidi, che si formano a partire da una molecola di sfingosina. Tutti i fosfolipidi sono accomunati dall’avere una testa polare (gruppo fosfato + alcol), e una coda idrofobica (2 acidi grassi); pertanto vengono definite molecole anfipatiche, ovvero che hanno una doppia caratteristica. Queste molecole, data la loro conformazione, si dispongono spontaneamente a formare doppi strati: le teste idrofiliche sono rivolte verso l’ambiente extra o intracellulare, mentre le code idrofobiche, nello strato interno, affacciate sulle code del secondo strato.

Glicolipidi e colesterolo

Il colesterolo ha la seguente struttura, in cui possiamo distinguere un gruppo ossidrile (testa polare), una coda idrocarburica (idrofobica) e un nucleo steroideo (idrofobico). Non è solubile in acqua, poiché la porzione idrofobica della coda idrocarburica e del nucleo steroideo è preponderante rispetto a quella idrofila del gruppo ossidrile. Chimicamente, il colesterolo è un alcol, in quanto contiene un gruppo ossidrile, ma la maggior parte del colesterolo presente nel nostro organismo è sotto forma di estere del colesterolo: 1 molecola di acido grasso si lega al gruppo ossidrile tramite un legame esterico.

L’estere del colesterolo è un lipide, contenendo 1 acido grasso. Il colesterolo viene trasportato nel circolo ematico (sanguigno), non in forma libera (in quanto non è solubile in acqua), ma trasportato da lipoproteine plasmatiche. La sua concentrazione ematica è 150-200 mg/dL. La maggior parte del colesterolo nel sangue (circa ⅔) è esterificato con acidi grassi, prevalentemente con acido oleico e linoleico.

Il colesterolo è in parte prodotto dall’organismo (origine endogena), soprattutto dal fegato, ma anche nell’intestino e nella corteccia surrenale; e in parte introdotto con la dieta (origine esogena, quello presente nel sangue). Un accumulo di colesterolo a livello delle arterie (> 220 mg/dL) facilita la formazione di placche aterosclerotiche, che potrebbero occludere le arterie e aumentano la probabilità di infarto del miocardio e di eventi ischemici cerebrali.

Funzioni del colesterolo

Nonostante i possibili danni che potrebbe causare, se presente in quantità eccessive, il colesterolo svolge importanti funzioni nel nostro organismo:

• È un costituente delle membrane plasmatiche, che conferisce loro una certa rigidità; nelle guaine mieliniche, che circondano le fibre nervose, svolge una funzione isolante, facilitando la trasmissione dell’impulso nervoso. Nelle membrane, è disposto con la testa polare (gruppo OH) rivolta verso l’ambiente extra o intracellulare, e la porzione idrofobica interagisce con le code idrofobiche dei lipidi di membrana.
• Svolge la funzione di precursore di molecole che hanno un’importanza vitale, come:
  • Acidi biliari: si formano nel fegato, vengono sintetizzati a partire dal colesterolo; hanno un ruolo fondamentale nella digestione e assorbimento dei lipidi: solubilizzano i trigliceridi (molecole idrofobiche) rendendoli accessibili all’azione degli enzimi digestivi.
  • Vitamina D: è una vitamina liposolubile, che facilita l’assorbimento del calcio a livello intestinale. Questa vitamina può essere assunta con la dieta, ma anche essere sintetizzata nel nostro organismo a partire dal colesterolo, attraverso una serie di reazioni che avvengono nella pelle, nell’intestino e nel rene. La prima reazione di sintesi avviene nella pelle, ed è scatenata dall’azione dei raggi UV. Una carenza di questa vitamina provoca rachitismo nei bambini e osteomalacia negli adulti.
  • Ormoni della corteccia surrenale: glucocorticoidi (ad esempio cortisolo) e mineralcorticoidi (ad esempio aldosterone); ormoni sessuali: testosterone ed estrogeni, prodotti nelle ghiandole sessuali.

Carboidrati

(Anche detti glucidi o zuccheri) sono composti ternari formati da C, H e O. Vengono chiamati “carboidrati”, in quanto contengono atomi di H e O, nelle proporzioni dell’acqua, come è possibile osservare nella loro formula minima (CH₂O)_n. Vengono anche definiti composti polifunzionali, poiché contengono sia una funzione carbonilica (-C=O), sia una pluralità di funzioni alcoliche (-OH).

Funzioni dei carboidrati nell’organismo

Le funzioni dei carboidrati nell’organismo:

• Energetica: nutrienti utilizzati per produrre energia. Da 1 g di carboidrati si ottengono 4 Kcal di energia. Possono essere:
  • Fonte di energia immediata (glucosio).
  • Accumulati per brevi periodi a costituire un'energia di riserva, sotto forma di glicogeno.
• Strutturale. Glicolipidi e glicoproteine presenti nelle membrane cellulari.

Classificazione dei carboidrati

I carboidrati possono essere classificati in:

• Monosaccaridi: costituiti da una sola unità poliossidrilica (contengono più gruppi OH) e contengono anche un gruppo carbonilico, o sotto forma di aldeide o di chetone.
• Oligosaccaridi: sono brevi catene di unità monosaccaridiche, unite fra loro tramite un legame glicosidico.
• Polisaccaridi: polimeri ad alto peso molecolare (costituiti, quindi di molte unità monosaccaridiche: 10 o più, legate fra loro tramite legami glicosidici), e possono avere una struttura lineare o ramificata.
  • Omopolisaccaridi: se sono polimeri costituiti dallo stesso tipo di monosaccaridi (ad es. glicogeno, costituito da molte unità di glucosio legate tra loro).
  • Eteropolisaccaridi: se sono polimeri costituiti da diversi tipi di monosaccaridi.

Monosaccaridi

Quelli di importanza biologica, possono avere un numero di atomi di carbonio che può variare da 3 a 7; 1 atomo di carbonio contiene una funzione aldeidica o chetonica (e quindi un gruppo carbonilico C=O), mentre gli altri atomi di carbonio contengono altri gruppi OH (funzioni alcoliche), che possono essere primarie (quando gruppo OH legato ad un atomo di carbonio, che a sua volta è legato ad un solo atomo di carbonio) o secondarie (quando il gruppo OH è legato ad un atomo di carbonio, che a sua volta è legato a 2 atomi di carbonio).

Tutti i monosaccaridi con:

• 3 atomi di carbonio sono triosi
• 4 atomi di carbonio sono tetrosi
• 5 atomi di carbonio sono pentosi
• 6 atomi di carbonio sono esosi

Alcuni monosaccaridi che contengono funzione aldeidica:

In questi, il carbonio in posizione 1 è sempre impegnato in un gruppo aldeidico.

• D-glucosio. È un monosaccaride a 6 atomi di carbonio; al primo atomo di carbonio è legato il gruppo carbonilico e 1 atomo di idrogeno, abbiamo quindi a che fare con un'aldeide (R-CHO). Dal C₂ al C₆ contengono tutti una funzione alcolica, che può essere primaria e secondaria (C_2,3,4,5 la funzione alcolica è secondaria, nel C₆ è primaria). È anche chiamato esoso, in quanto ha 6 atomi di carbonio.
• D-ribosio. È un monosaccaride a 5 atomi di carbonio; il primo atomo di carbonio è impegnato in gruppo aldeidico (R-CHO). Dal C₂ al C₅ contengono tutti una funzione alcolica, che può essere primaria e secondaria (C_2,3,4 la funzione alcolica è secondaria, nel C₅ è primaria). È anche chiamato pentoso, in quanto ha 5 atomi di carbonio.
• D-eritrosio. È un monosaccaride a 4 atomi di carbonio; il primo atomo di carbonio è impegnato in gruppo aldeidico (R-CHO). Dal C₂ al C₄ contengono tutti una funzione alcolica, che può essere primaria e secondaria (C_2,3 la funzione alcolica è secondaria, nel C₄ è primaria). È anche chiamato tetroso, in quanto ha 4 atomi di carbonio.

Questi monosaccaridi che abbiamo appena considerato, contenendo un gruppo aldeidico, vengono detti aldosi, e in base al numero di atomi di carbonio che contengono, si chiameranno: aldoesosi (6 atomi di carbonio), aldopentosi (5 atomi di carbonio), aldotetrosi (4 atomi di carbonio), aldotrioso (3 atomi di carbonio).

• D-gliceraldeide. È un monosaccaride a 3 atomi di carbonio; il primo atomo di carbonio è impegnato in gruppo aldeidico (R-CHO). Dal C₂ al C₃ contengono tutti una funzione alcolica, che può essere primaria e secondaria (C₂ la funzione alcolica è secondaria, nel C₃ è primaria). È anche chiamato trioso, in quanto ha 3 atomi di carbonio.

Alcuni monosaccaridi che contengono funzione chetonica:

In questi, il carbonio in posizione 2 è sempre impegnato in un gruppo chetonico.

• Diidrossiacetone. È un monosaccaride a 3 atomi di carbonio; il secondo atomo di carbonio è impegnato in una funzione chetonica (R-CO-R'). Il C₁ e il C₃ contengono una funzione alcolica primaria. È anche chiamato trioso, in quanto ha 3 atomi di carbonio.
• Ribulosio. È un monosaccaride a 5 atomi di carbonio; il secondo atomo di carbonio è impegnato in una funzione chetonica (R-CO-R'). Il C_1,3,4,5 contengono una funzione alcolica (C_1,5 primarie e il C_3,4 secondarie). È anche chiamato pentoso, in quanto ha 5 atomi di carbonio.
• Fruttosio. È un monosaccaride a 6 atomi di carbonio; il secondo atomo di carbonio è impegnato in una funzione chetonica (R-CO-R'). Il C_1,3,4,5,6 contengono una funzione alcolica (C_1,6 primarie e il C_3,4,5 secondarie). È anche chiamato esoso, in quanto ha 6 atomi di carbonio.

Questi monosaccaridi che abbiamo appena considerato, contenendo un gruppo chetonico, vengono detti chetosi, e in base al numero di atomi di carbonio che contengono, si chiameranno: chetoesosi (6 atomi di carbonio), chetopentosi (5 atomi di carbonio), chetotetrosi (4 atomi di carbonio), chetotriosi (3 atomi di carbonio).

La gliceraldeide e il diidrossiacetone sono isomeri: hanno uguale formula bruta, ma diversa formula di struttura; allo stesso modo glucosio-fruttosio e ribosio-ribulosio. I triosi, quindi la gliceraldeide (aldotrioso) e il diidrossiacetone (chetotrioso), sono capostipiti delle serie da cui derivano gli altri monosaccaridi: la prima è capostipite di tutti gli aldosi, e il secondo di tutti i chetosi.

Per costruire gli altri monosaccaridi basta introdurre dei gruppi -CHOH al di sotto del carbonio carbonilico (legato con doppio legame all’O). Nel caso degli aldosi, il gruppo è da aggiungere al di sotto del C₁, nei chetosi, al di sotto del C₂.

D- e L- gliceraldeide: Il C₁ è impegnato nel gruppo aldeidico. Il C₂ è legato ad una funzione alcolica secondaria, e a un H. Il C₃ è legato a 2 atomi di H e ad una funzione alcolica primaria. Il C centrale (in posizione 2) è legato a 4 gruppi diversi: al gruppo aldeidico CHO, a 1 atomo di H, ad una funzione alcolica OH e al gruppo CH₂OH. Questo C legato a 4 gruppi diversi viene chiamato Carbonio- o centro chirale.