Biochimica 2

Biochimica 2: i lipidi

Introduzione ai lipidi biologici

I lipidi biologici costituiscono un gruppo di composti diversi con la caratteristica comune di essere insolubili in acqua.

Funzioni

• Riserva energetica (grassi e oli)
• Elementi strutturali delle membrane (fosfolipidi)
• Alcuni sono cofattori enzimatici, trasportatori di elettroni, pigmenti che assorbono la luce

Lipidi di riserva e acidi grassi (FAs)

I grassi e gli oli sono composti derivati degli acidi grassi. A loro volta gli acidi grassi sono derivati degli idrocarburi. Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con una catena idrocarburica contenente da 4 a 36 atomi di carbonio (da C₄ a C₃₆). In alcuni acidi grassi la catena è completamente satura (no doppi legami) e non è ramificata; in altri sono presenti uno o più doppi legami. I doppi legami sono solitamente nella configurazione cis.

Nomenclatura

Per gli acidi grassi non ramificati la nomenclatura specifica la lunghezza della catena e il numero dei doppi legami separati da due punti.

Es: acido palmitico, acido grasso saturo con 16C = 16:0
Acido oleico, 18C e 1 doppio legame = 18:1. La posizione dei doppi legami viene specificata con un esponente che segue Δ.

Es: acido grasso con 2 doppi legami tra C₉-C₁₀ e tra C₁₂-C₁₃ con 20C = 20:2 (Δ^9,12).

Triacilgliceroli o trigliceridi o grassi neutri (TG)

I lipidi più semplici costruiti a partire dagli acidi grassi sono i trigliceridi. Sono composti da 3 acidi grassi legati con un legame estere ai gruppi ossidrilici di una molecola di glicerolo. Quelli che contengono lo stesso tipo di acido grasso in tutte e tre le porzioni sono detti trigliceridi semplici e prendono il nome dell'acido che contengono. Ma la maggior parte dei grassi di origine naturale sono trigliceridi misti che contengono due o più acidi grassi diversi. Poiché i gruppi ossidrilici polari del glicerolo e i gruppi carbossilici polari degli acidi grassi sono uniti con legame estere, i trigliceridi sono molecole non polari, idrofobiche ed essenzialmente insolubili in acqua.

Trigliceridi: riserva energetica e isolamento termico

Nei vertebrati alcune cellule specializzate chiamate adipociti o cellule grasse conservano grandi quantità di trigliceridi sotto forma di gocce di grasso che riempiono quasi completamente la cellula. Gli adipociti contengono lipasi, enzimi che catalizzano l'idrolisi dei trigliceridi conservati, rilasciando acidi grassi che sono poi esportati ai siti dove vi è bisogno di energia.

Vantaggi dell'utilizzo dei trigliceridi

• Gli atomi di carbonio degli acidi grassi sono più ridotti di quelli degli zuccheri e l'ossidazione dei trigliceridi rende una quantità di energia doppia rispetto a quella liberata da una pari quantità di carboidrati
• Poiché i trigliceridi sono idrofobici e quindi non idratati, gli organismi che conservano energia sotto forma di grassi non devono trasportare un peso extra di acqua, quella necessaria per l'idratazione che invece è sempre associata ai polisaccaridi di deposito (2g per ogni grammo di polisaccaride)
• La quantità di glucosio (sotto forma di glicogeno) conservata dal corpo umano è necessaria a rifornirlo per meno di un giorno ma il vantaggio è l'immediatezza del suo utilizzo energetico

Idrogenazione parziale degli oli vegetali

L'idrogenazione parziale degli oli vegetali che si effettua nell'industria alimentare converte alcuni doppi legami cis nella configurazione trans. Gli acidi grassi trans sono un importante fattore di rischio di malattie coronariche. Gli acidi grassi trans aumentano il livello plasmatico dei trigliceridi e del colesterolo delle LDL ("cattivo") e abbassano il livello delle HDL ("buono") aumentando il rischio di malattie.

Cis e trans

Cis: immaginando di far passare una retta tra il doppio legame si valuta la disposizione dei due gruppi più pesanti, in questo caso stanno dalla stessa parte.

Trans: i due gruppi stanno nelle parti opposte.

Colesterolo e lipoproteine

Il colesterolo ha diversi destini metabolici

Nei vertebrati la maggior parte del colesterolo viene prodotto nel fegato. Una piccola quota viene incorporata nelle membrane degli epatociti, mentre la quota maggiore viene esportata sotto una delle 3 forme possibili:

• Colesterolo biliare
• Acidi biliari
• Esteri del colesterolo

Gli acidi biliari e i loro sali sono derivati del colesterolo relativamente idrofilici, sintetizzati nel fegato per favorire la digestione dei lipidi. Gli esteri del colesterolo si formano nel fegato mediante l'azione dell'acil-CoA-colesterolo aciltrasferasi (ACAT). Questo enzima catalizza il trasferimento di un acido grasso dal coenzima A al gruppo ossidrilico del colesterolo convertendolo in una forma ancora più idrofobica. Gli esteri del colesterolo sono conservati nel fegato o trasportati insieme ad altri lipidi, sotto forma di lipoproteine secrete dal fegato a quei tessuti che utilizzano il colesterolo.

Utilizzo del colesterolo

Sintesi membrane, precursore ormoni steroidei, precursore vitamina D. Esterificazione: aggiunta acido grasso al colesterolo.

Abbiamo 5 classi di lipoproteine

La lipoproteina è l'intera particella, che trasporta i lipidi in un ambiente polare (torrente circolatorio). All'interno troviamo trigliceridi, fosfolipidi e apolipoproteine (parte proteica delle lipoproteine, sono proteine che si legano ai lipidi). Il colesterolo e gli esteri del colesterolo, come i trigliceridi e i fosfolipidi, sono essenzialmente insolubili in acqua. Questi lipidi devono però essere trasportati dai tessuti dove sono prodotti a quelli in cui sono conservati o utilizzati. Essi sono trasportati attraverso il plasma sanguigno da un tessuto all'altro sotto forma di lipoproteine plasmatiche, aggregati macromolecolari costituiti da specifiche proteine trasportatrici, chiamate apolipoproteine, a cui si associano in proporzioni diverse fosfolipidi, colesterolo, esteri del colesterolo e trigliceridi.

Le apolipoproteine

"Apo" sta ad indicare la proteina nella forma priva di lipidi. Le apolipoproteine si associano ai lipidi formando diverse classi di particelle lipoproteiche, strutture sferiche contenenti all'interno un nucleo idrofobico di lipidi e all'esterno le catene laterali degli amminoacidi idrofilici delle apolipoproteine. Le diverse combinazioni di lipidi e di proteine generano particelle con densità che vanno da quella più bassa dei chilomicroni alla più alta delle HDL. Ogni classe di lipoproteine ha la sua specifica funzione, determinata dal sito in cui è stata sintetizzata, dalla sua composizione in lipidi e dalle apolipoproteine contenute. Nel plasma umano abbiamo 9 tipi di apolipoproteine che si distribuiscono nelle varie classi di lipoproteine. Le componenti proteiche agiscono come segnali che indirizzano le lipoproteine verso tessuti specifici oppure che attivano enzimi che poi agiscono sulle stesse lipoproteine.

I chilomicroni

(Trasportano le molecole lipidiche assorbite a livello intestinale) Sono le lipoproteine più grandi e le meno dense in quanto contengono un'elevata proporzione di trigliceridi. Sono sintetizzati nel reticolo endoplasmatico liscio delle cellule epiteliali che rivestono l'intestino tenue, si spostano mediante il sistema linfatico ed entrano nel flusso sanguigno attraverso la vena succlavia sinistra. Trasportano gli acidi grassi ingeriti con la dieta ai tessuti in cui questi composti sono poi degradati per produrre energia o per essere depositati come combustibili. Le "rimanenze" dei chilomicroni (particelle ormai prive di trigliceridi ma contenenti ancora colesterolo) arrivano attraverso il flusso sanguigno al fegato dove rilasciando il colesterolo e vengono degradate nei lisosomi.

VLDL

(Trasferiscono trigliceridi dal fegato ai tessuti muscolari e adiposo vengono assemblate nel fegato) Quando la dieta contiene più acidi grassi di quanto non sia immediatamente necessario, essi vengono convertiti in trigliceridi nel fegato e trasferiti a specifiche apolipoproteine formando le lipoproteine a densità molto bassa. Anche l'eccesso di carboidrati della dieta può essere trasformato in trigliceridi nel fegato ed esportato attraverso le VLDL. Oltre ai trigliceridi, le VLDL contengono colesterolo, esteri del colesterolo e apolipoproteine. Queste lipoproteine sono trasportate nel sangue dal fegato al muscolo e al tessuto adiposo, dove l'attivazione della lipoproteina lipasi (determinata da una delle apolipoproteine delle VLDL) determina il rilascio di acidi grassi liberi dai trigliceridi delle VLDL. Gli adipociti assumono queste molecole e risintetizzano trigliceridi, conservandoli sotto forma di gocce lipidiche intracellulari. I miociti ossidano, invece, gli acidi grassi per produrre energia. La maggior parte delle rimanenze di VLDL viene rimossa dal ciclo sanguigno dagli epatociti.

LDL: "colesterolo cattivo"

(Viaggiano nel circolo sanguigno rilasciando colesterolo alle cellule. Tutte le cellule ne hanno bisogno, membrane per esempio) La perdita di trigliceridi converte le VLDL in rimanenze di VLDL (dette anche lipoproteine a densità intermedia IDL) che mediante un ulteriore rimozione di trigliceridi sono convertite in lipoproteine a bassa densità (LDL). Sono molto ricche di colesterolo e di esteri del colesterolo e l'apoB-100 è la loro principale apolipoproteina. Esse trasportano il colesterolo ai tessuti periferici (extraepatici) che possiedono uno specifico recettore per riconoscere l'apoB-100, e quindi capace di intercettare le LDL che circolano nel sangue. Questi recettori mediano l'assunzione del colesterolo e degli esteri del colesterolo.

HDL: "colesterolo buono"

(Deputate alla rimozione del colesterolo in eccesso nel plasma) Funzione opposta alle LDL, inglobano il colesterolo in eccesso e lo veicolano al fegato che recupera o lo elimina attraverso la bile. Hanno la funzione di partecipare all'evoluzione di chilomicroni e VLDL e di rimuovere il colesterolo in eccesso dai tessuti periferici per portarlo al fegato, gonadi o ghiandole surrenali. Essendo in grado di rimuovere il colesterolo da un ateroma nelle arterie e portarlo al fegato viene detto "colesterolo buono". La lipoproteina ad alta densità ha origine nel fegato e nell'intestino tenue sotto forma di piccole particelle ricche di proteine e contenenti quantità limitate di colesterolo e nessun estere del colesterolo. Contengono oltre apolipoproteine anche l'enzima lecitina-colesterolo aciltrasferasi (LCAT), che catalizza la formazione di esteri del colesterolo utilizzando la lecitina e colesterolo. L'enzima LCAT è presente sulla superficie delle HDL e converte il colesterolo dei chilomicroni e le rimanenze delle VLDL in esteri del colesterolo che entrano all'interno delle HDL. Queste particelle subiscono una modificazione strutturale da disco piatto a sfera. La particella ricca di colesterolo torna al fegato dove viene scaricato il colesterolo. Una parte di questo lipide viene convertito in sali biliari. Le HDL possono essere captate dal fegato mediante endocitosi mediata da recettore ma almeno una parte del colesterolo contenuto nelle HDL viene rilasciata ad altri tessuti mediante un meccanismo diverso.

L'HDL può legarsi ad un recettore proteico di membrana chiamato SR-B1 nel tessuto epatico e in tessuti come la ghiandola surrenale. Questo recettore media il trasferimento del colesterolo dall'HDL alle cellule. L'HDL così svuotata si dissocia dal recettore e passa di nuovo in circolo per estrarre altri lipidi dalle rimanenze chilomicroniche e di VLDL. Una volta svuotata l'HDL può prelevare il colesterolo conservato nei tessuti extraepatici e poi trasportato al fegato mediante le vie di trasporto inverso del colesterolo. Queste vie sono il processo con cui il colesterolo viene rimosso dai tessuti periferici, attraverso la sua incorporazione nelle HDL ed il successivo trasporto al fegato. Le cellule periferiche non sono in grado di degradare il colesterolo in eccesso, perciò questo meccanismo è fondamentale per il mantenimento dell'omeostasi cellulare.

Endocitosi mediata dal recettore per le LDL

Ogni particella di LDL che si trova in circolo contiene la proteina apoB-100, che viene riconosciuta da specifici recettori proteici, i recettori delle LDL, localizzati sulla superficie delle cellule che devono assumere colesterolo. Il legame delle LDL al recettore delle LDL innesca il processo della endocitosi, che trasferisce l'LDL e il suo recettore all'interno della cellula dentro un endosoma. L'endosoma si fonde poi con un lisosoma, che contiene gli enzimi che idrolizzano gli esteri del colesterolo, rilasciando il colesterolo e gli acidi grassi nel citosol.

Anche l'apoB-100 delle LDL viene degradata ad amminoacidi, che vengono rilasciati nel citosol, ma il recettore delle LDL non va incontro alla degradazione e ritorna sulla superficie cellulare per ricominciare il processo di assunzione delle LDL. L'apoB-100 è presente anche nelle VLDL ma il suo dominio di legame non è disponibile per il legame al recettore delle LDL. È la conversione delle VLDL in LDL che espone il dominio di legame per il recettore della apoB-100.

Il colesterolo che penetra nelle cellule attraverso questa via viene incorporato nelle membrane, o riesterificato per azione della ACAT, per essere immagazzinato sotto forme di piccole gocce. L'accumulo del colesterolo intracellulare in eccesso si può prevenire riducendo la velocità della sintesi del colesterolo, quando c'è sufficiente colesterolo nel sangue, disponibile nell'LDL. II recettore delle LDL si lega anche all'apoE e ha un ruolo fondamentale nel processo di assunzione da parte del fegato dei chilomicroni e delle rimanenze delle VLDL.

Catabolismo degli acidi grassi

In molti organismi e tessuti l'ossidazione degli acidi grassi a catena lunga ad acetil-CoA è una via essenziale per produrre energia. Per esempio nel cuore e nel fegato dei mammiferi l'apporto energetico di questa via rappresenta circa l'80% del fabbisogno in tutte le condizioni fisiologiche. Gli elettroni liberati durante l'ossidazione degli acidi grassi consentono la sintesi di ATP passando attraverso la catena respiratoria dei mitocondri; l'acetil-CoA prodotto viene ossidato completamente a CO₂ nel ciclo dell'acido citrico, determinando un'ulteriore conservazione di energia. La funzione biologica dell'ossidazione degli acidi grassi differisce da organismo ad organismo, mentre il meccanismo di base è essenzialmente lo stesso.

La β-ossidazione

È il processo composto da 4 tappe con cui gli acidi grassi sono convertiti in acetil-CoA. Le lunghe catene di acidi grassi presenti nelle molecole dei trigliceridi sono essenzialmente idrocarburi, strutture altamente ridotte con un'energia di ossidazione completa più di due volte superiore a quella dello stesso peso di carboidrati o di proteine. Un'ulteriore vantaggio è dato dalla loro idrofobicità e dalla estrema insolubilità in acqua. Le stesse proprietà che rendono i trigliceridi un'ottima riserva, al tempo stesso rappresentano un problema per la loro funzione di combustibile metabolico:

• A causa dell'insolubilità in acqua i trigliceridi ingeriti con la dieta devono essere emulsionati prima di poter essere digeriti nell'intestino da enzimi solubili in acqua e i trigliceridi assorbiti nell'intestino o mobilizzati dai tessuti di riserva devono essere trasportati nel sangue legati a proteine che ne neutralizzano l'insolubilità