Appunti di biochimica

Lipidi

I lipidi sono molecole che hanno in comune una caratteristica, l'idrofobicità, cioè la solubilità in solventi organici e l'insolubilità in acqua. Si dividono in 5 classi: acidi grassi, omolipidi, eterolipidi, lipidi associati e terpeni. Gli omolipidi si dividono a loro volta in gliceridi, cere e steroli o steroidi. Invece, gli eterolipidi si dividono a loro volta in fosfolipidi e sfingolipidi. Infine, i lipidi associati sono le lipoproteine e i lipopolisaccaridi.

Acidi grassi

Sono acidi carbossilici con catena idrocarburica composta da 4 a 36 atomi di carbonio. La maggior parte contiene un numero pari di atomi di carbonio. Si dividono in saturi se non contengono doppi legami e insaturi se contengono doppi legami che sono praticamente sempre cis e raramente coniugati. La loro nomenclatura può essere o (omega) a seconda di dove si decide di partire: i doppi legami tra gli atomi di carbonio numerati a partire dal carbonio carbossilico sono Δ, mentre quelli numerati a partire dal carbonio metilico sono ω.

Come gli alcani, quelli saturi hanno un punto di fusione proporzionale alla lunghezza della catena carboniosa. Quindi nei saturi all'aumentare della lunghezza della catena diminuisce la solubilità in acqua e aumenta il punto di fusione. Invece, l'insaturazione causa un abbassamento del punto di fusione. Questo è causato dal fatto che gli acidi grassi insaturi hanno un maggior numero di legami deboli (dipoli temporanei di Van der Waals) che stabiliscono tra loro molecole non lineari, soprattutto nel caso di legami di tipo cis. Infatti, gli acidi grassi con legami cis presentano delle piegature nella molecola. Quindi, negli insaturi all'aumentare del numero di doppi legami diminuisce il punto di fusione.

Inoltre, la lunghezza e la tipologia della catena degli acidi grassi influenza la consistenza dei lipidi presenti negli alimenti. Quindi una prevalenza di acidi grassi insaturi dà all'alimento una consistenza liquida (come nell'olio di oliva), mentre all'aumentare della quantità di acidi grassi saturi aumenterà anche la solidità. In particolare, se prevalgono gli acidi grassi saturi con 16-18 atomi di carbonio il solido risulterà più consistente (grasso di bue), mentre se prevalgono gli acidi grassi saturi con 4-14 atomi di carbonio il solido risulterà più morbido (burro).

Tra i più importanti acidi grassi nel nostro corpo ricordiamo tra i saturi l'acido miristico (14 atomi di carbonio) e l'acido palmitico (16 atomi di carbonio) e tra gli insaturi l'acido palmitoleico (16 atomi di carbonio con 1 doppio legame). Alcuni acidi grassi sono essenziali, quindi il nostro organismo non è in grado di sintetizzarli e vanno introdotti con la dieta: tra questi l'acido linoleico (18 atomi di carbonio con 2 doppi legami) e l'acido α-linolenico (18 atomi di carbonio con 3 doppi legami). La maggior parte, invece, vengono sintetizzati dal nostro organismo. Alcuni di questi (ω-3) possono essere prodotti dal nostro organismo a partire da altri acidi grassi ma vengono comunque assunti con la dieta che aiuta a soddisfarne il fabbisogno giornaliero.

Sono molecole energetiche, costituiscono i fosfolipidi quindi le membrane cellulari, sono in grado di modificare covalentemente le proteine (come l'acido miristico) oppure possono anche fare da molecole segnale quindi sono dei ligandi che, quando si legano a dei recettori, causano il loro cambiamento di conformazione.

Nelle membrane cellulari gli acidi grassi saturi, che presentano una catena lineare, si impacchettano con una disposizione quasi cristallina stabilizzata da molte interazioni idrofobiche. Invece, gli acidi grassi insaturi con doppi legami cis presentano delle piegature nella molecola che destabilizzano la disposizione, producendo aggregati meno stabili. Quindi, quando prevalgono nella membrana gli acidi grassi insaturi, aumenterà la sua fluidità.

Siccome l'unica parte idrofilica degli acidi grassi risulta essere la testa idrofilica (il gruppo carbossilico), una volta disposti in acqua tendono a formare una micella in cui i gruppi idrofobici sono lontani dal contatto con l'acqua. In questa disposizione non vi sono strati di molecole di acqua ordinate quindi l'entropia aumenta e la struttura risulta altamente stabile. Infatti, nelle membrane cellulari questi si dispongono con la testa idrofilica verso l'esterno cioè verso l'acqua, mentre la coda idrofobica verso l'interno formando così un core lipidico. La formazione delle micelle è favorita quando l'area della testa polare è più grande dell'area della catena alifatica, quindi le singole unità avranno una forma a cuneo.

Saponi

I saponi sono sali di sodio o potassio di un acido grasso a lunga catena. Vengono preparati per saponificazione, ossia per idrolisi alcalina di lipidi di origine animale o vegetale. Sono quindi dei tensioattivi costituiti da una testa idrofila ionizzata negativamente e una coda idrofobica: per questo sono in grado di solubilizzare sia le sostanze idrofiliche sia quelle grasse e vengono utilizzati nei processi di pulizia.

Omolipidi: gliceridi

Trigliceridi o triacilgliceroli sono costituiti da un glicerolo con 3 acidi grassi (spesso a 16-18 atomi di carbonio) che si legano ai 3 gruppi OH liberi del glicerolo. I trigliceridi più semplici sono quelli in cui i 3 acidi grassi sono dello stesso tipo, mentre quelli più complessi (o misti) hanno acidi grassi diversi con diversa saturazione o insaturazione. I più comuni presentano in posizione 1 un acido grasso saturo, in posizione 2 uno insaturo e in posizione 3 indifferentemente uno saturo o insaturo.

Omolipidi: steroli o steroidi

Hanno un nucleo comune, che è il ciclopentanoperidrofenantrene costituito da unità ripetute di terpeni. Non si trovano nei batteri che non sono in grado di sintetizzare il nucleo.

Il colesterolo è una molecola idrofobica e lipofilica molto stabile caratteristica degli animali (nei vegetali ci sono i fitosteroli che sono composti analoghi). È stato scoperto nel 1964 da Block, mentre nel 1985 Goldstein e Brown scoprirono come avviene il meccanismo di regolazione del colesterolo nel nostro organismo.

Viene assunto con carne, burro, uova o crostacei e negli adulti il livello ematico di colesterolo è tra 130 e 200mg/dl di cui 1/3 si trova in forma libera e 2/3 sono esterificati con un acido grasso sul gruppo ossidrile in posizione 3. Siccome è una molecola molto stabile, può essere eliminato solo in seguito a trasformazione in acidi biliari che vengono conservati nella cistifellea. Questa trasformazione avviene grazie all'enzima colesterolo 7α-idrossilasi che si trova nel reticolo endoplasmatico degli epatociti ed è costituito da un'estremità N-terminale idrofobica per l'ancoraggio alla membrana, una cisteina che è sito di legame per l'eme e un dominio che è il sito di legame per il colesterolo. Gli acidi biliari si dividono in primari (sintetizzati dagli epatociti e trasformati in aminoacidi per essere resi ancora più idrofilici oppure trasportati nell'intestino) o secondari (acidi biliari primari convertiti nell'intestino dalla flora batterica). Nell'intestino favoriscono il riassorbimento di grassi, poi vengono riassorbiti attraverso la vena porta e mandati al fegato dove inibiscono il colesterolo 7α-idrossilasi per evitare la sintesi di altri acidi biliari (meccanismo a feedback negativo).

Il colesterolo si trova in gran percentuale nella guaina mielinica, a cui dà proprietà di isolamento elettrico. Si trova anche in sospensione satura nella bile dove, nella sua forma esterificata, forma i calcoli. È anche un componente delle membrane cellulari a cui conferisce stabilità e diminuisce la fluidità limitando i movimenti dei fosfolipidi. È anche in grado di modificare covalentemente delle proteine di segnale embrionali quindi alterazioni nella sintesi di colesterolo hanno effetto sullo sviluppo. Modifica per esempio le proteine Hh (hedgehog) che sono molecole di secrezione essenziali nello sviluppo embrionale e che durante la biosintesi vanno incontro ad autoprotolisi con l'aggiunta di una molecola di colesterolo al dominio N-terminale. Inoltre, il colesterolo è anche il precursore di ormoni stereoidei (progesterone, estradiolo e testosterone), della vitamina D₃, di acidi biliari e di ormoni mineralcorticoidi (coinvolti nella ritenzione di sodio). La vitamina D₃ (o colecalciferolo) promuove l'assorbimento intestinale di calcio favorendone il deposito in ossa e denti. Se è carente causa rachitismo che è un ritardo nella crescita delle ossa. Invece, il principale mineralcorticoide è l'aldosterone che promuove il riassorbimento attivo di sodio e passivo di acqua nei reni, la secrezione attiva di potassio nella corticale del surrene e la secrezione di protoni nei tubuli provocando un aumento della pressione sanguigna e del volume ematico.

Eterolipidi: fosfolipidi

I fosfogliceridi o glicerofosfolipidi hanno un modello base che è l'acido fosfatidico costituito da un glicerolo, 2 acidi grassi e un gruppo fosfato. Dunque sono molto simili ai trigliceridi ma presentano un gruppo fosfato al posto del terzo acido grasso. Il gruppo fosfato può anche essere sostituito da un gruppo X.

Hanno una distribuzione tessuto-, cellula- e organismo- specifica e contribuiscono a determinare alcune proprietà delle membrane cellulari. Infatti, le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato di fosfolipidi e possono presentare anche delle microvescicole formate come per gemmazione, costituite da alcuni fosfogliceridi, dal colesterolo e da altri lipidi e che possono poi essere rilasciate per svolgere alcune funzioni biologiche.

Una loro sospensione può dare luogo a liposomi che sono vescicole sferiche chiuse, autosigillanti e riempite di solvente a doppio strato. Quindi sono costruiti su modello delle membrane cellulari. Con la formazione dei liposomi il doppio strato perde i bordi idrofobici esposti e acquista maggiore stabilità in ambiente acquoso. Questi vengono utilizzati nelle creme con altre sostanze per esempio antiossidanti, antirughe o antietà.

Il fosfatidilglicerolo ha come sostituente X la cardiolipina ed è presente soprattutto nei mitocondri. La cardiolipina è presente nel fluido amniotico e viene utilizzato come indicatore della maturità polmonare del feto nel terzo trimestre della gravidanza.

Invece, la fosfatidilserina ha come sostituente X la serina ed è presente all'interno dei globuli rossi. Quando questi invecchiano o quando sono presenti stimoli patologici come lo stress ossidativo, viene attivata la scramblasi che è un enzima che trasporta la serina dall'interno verso l'esterno della membrana. I macrofagi hanno recettori per la serina quindi internalizzano e degradano queste cellule che la espongono sulla membrana. La serina è essenziale per il normale funzionamento delle membrane cellulari neuronali e attiva una protein chinasi coinvolta nel meccanismo della memoria.

La fosfatidilcolina ha come sostituente X la colina ed è presente soprattutto nel RER. La colina è coinvolta nel processo di signalling membrana-mediato. La dipalmitoilfosfatidilcolina è un altro tipo di fosfogliceride costituito da acidi grassi saturi e che riveste gli alveoli polmonari formando un muro compatto che impedisce durante l'espirazione il collasso dell'alveolo. I pazienti che sono affetti dalla sindrome da distress respiratorio (spesso nei neonati prematuri) non hanno sufficiente dipalmitoilfosfatidilcolina e presentano collasso alveolare.

Il fosfatidilinositolo ha come sostituente X il mio-inositolo ed è presente soprattutto nella membrana interna. L'inositolo è coinvolto nel processo di signalling intracellulare e la sua idrolisi genera secondi messaggeri. In particolare, quando un ormone si lega a un recettore specifico questo permette l'attivazione della fosfolipasi C che scinde il fosfatidilinositolo 4,5-bifosfato in inositolo trifosfato (IP₃) e diacilglicerolo. L'IP₃ permette, legando a un recettore, il rilascio di calcio dal reticolo endoplasmatico. Il calcio poi, assieme al diacilglicerolo, attiva la proteina chinasi C che catalizza la fosforilazione di alcune proteine.

Eterolipidi: sfingolipidi

L'elemento base è la sfingosina (o sfingolo), un aminoalcol insaturo a lunga catena che è simile al glicerolo ma con: un doppio legame trans, una corta catena acidica (12 atomi di carbonio + 1 gruppo metilico finale), un acido grasso in posizione 2 e un gruppo X. In alcuni casi il doppio legame della sfingosina è saturato quindi si trasforma in sfinganina.

Per esempio, nelle ceramidi il sostituente X sono acidi grassi.

Le sfingomieline (o sfingofosfolipidi) sono formate da una testa polare, che può essere colina o etanolamina, e code di sfingosina e un acido grasso spesso a lunga catena. Costituiscono le membrane delle cellule animali e sono presenti anche nel tessuto nervoso dove costituiscono le guaine mieliniche delle fibre nervose permettendo l'impulso saltatorio.

Le patologie correlate agli sfingolipidi sono malattie ereditarie dovute a deficienza di enzimi deputati alla loro degradazione. Sono caratterizzate quindi dall'accumulo abnorme di sfingolipidi nel tessuto nervoso o in altri organi che è attualmente incurabile quindi conduce alla morte. Recentemente, per la malattia di Gaucher, caratterizzata dall'accumulo di glucocerebrosidi (sfingolipidi + carboidrati), sono stati utilizzati nuovi enzimi (glucocerebrosidasi) che hanno portato risultati promettenti.

Lipidi associati: glicolipidi

Vengono usati per determinare i gruppi sanguigni perché si trovano sulla parete dei globuli rossi.

Alcuni tipi di glicolipidi sono i glicosfingolipidi che si dividono in cerebrosidi, gangliosidi e globosidi (che hanno come sostituenti di, tri oppure tetrasaccaridi).

I cerebrosidi sono i glicolipidi prevalenti nel tessuto nervoso. Sono costituiti da una ceramide unita a un monosaccaride con un legame β-glicosidico. Un tipo di cerebrosidi sono i glucocerebrosidi.

Anche i gangliosidi sono dei glicolipidi formati da una ceramide unita a un oligosaccaride sialidato con un legame β-glicosidico. La porzione saccaridica va da 1 a 15 residui per molecola, solitamente galattosio, lattosio e glucosio. Invece, la porzione sialidasica va da 1 a 7 residui di acido sialico, solitamente acido N-acetilneuraminico. Si definiscono con sigle costituite dalla lettera G (ganglioside) seguito da M/D/T/Q (mono/di/ter/tetra sialidato). La presenza dell'acido sialico aumenta l'idrofilicità e gli permette quindi di aggregarsi spontaneamente a formare delle micelle. Sono i costituenti di siti recettoriali a cui si legano dei ligandi specifici per evocare risposte cellulari.

I lipopolisaccaridi sono i principali componenti della membrana esterna nei batteri Gram-negativi come l'Escherichia coli. Sono tossici per l'uomo perché provocano abbassamento pressorio dovuto a shock tossico quindi sono i bersagli primari degli anticorpi prodotti dal sistema immunitario in risposta a infezioni batteriche.

Lipidi associati: lipoproteine

Sono aggregati molecolari di specifici lipidi e proteine con funzione di trasportare attraverso il torrente circolatorio i nutrienti idrofobici fino al loro sito di assorbimento, deposito o sintesi nei tessuti periferici che li richiedono per scopi anabolici o energetici.

Sono costituite all'esterno dalle proteine, mentre all'interno troviamo la parte lipidica (fosfolipidi con colesterolo libero o acidi grassi esterificati con colesterolo).

La lipoproteina più grossa è quella che si genera subito dopo l'assorbimento del cibo e viene chiamata chilomicrone. Poi abbiamo le VLDL che hanno una densità molto bassa, le IDL che hanno densità intermedia, le LDL con densità bassa e le HDL che hanno densità molto alta. Tutte le lipoproteine non HDL sono "cattive" quindi bisognerebbe mantenere alto il livello di HDL e basso il livello delle altre lipoproteine.

Terpeni

Sono unità isopreniche che si trovano in oli essenziali, resine, gomme, alcune vitamine, coenzima Q, squalene (precursore del colesterolo) e carotene (precursore della vitamina A). Sono dei dolicoli o dolicoli fosfati quindi poliprenoidi di 16-20 unità in cui l'ultima è satura con un gruppo alcolico. Sono necessari per il trasporto delle unità oligosaccaridiche che servono nel RER alla formazione delle glicoproteine.

Carboidrati o zuccheri o saccaridi

Composti con formula bruta C_nH_2nO_n oppure C_n(H₂O)_n dove n varia tra 3 e 9. Hanno struttura monomerica o polimerica e si dividono in 4 classi: monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi. I nomi generici si distinguono in base al numero di atomi di carbonio: 3 sono i triosi; 4 sono i tetrosi; 5 sono i pentosi; 6 sono gli esosi; 7 sono gli eptosi; 9 sono i nonosi. Possono avere un gruppo aldeidico (C=O all'estremità della molecola) o un gruppo chetonico (C=O all'interno della molecola). Quelli con gruppo aldeidico sono gli aldosi, quelli con un gruppo chetonico sono i chetoni.

Possono diventare ciclici formando un carbonio anomerico che contiene un gruppo ossidrilico reattivo. Se questo gruppo non si unisce ad altre molecole lo zucchero è riducente, altrimenti se si lega covalentemente ad altre molecole può formare un legame N-glicosidico con un gruppo -NH₂ o un legame O-glicosidico con un gruppo -OH. Possono essere utilizzati come fonte energetica (glucosio e amido), materiali strutturali (cellulosa e lignina) o per il riconoscimento proteina-proteina.