Biochimica 2 (Seconda Parte)

Lipidi

I lipidi sono molecole organiche che si differenziano in diversi gruppi e hanno in comune la caratteristica di essere insolubili in acqua. Svolgono diverse funzioni biologiche:

• Riserva
• Strutturale (proteggono importanti organi da traumi e svolgono funzione connettivale)
• Termoregolazione
• Trasportatori di elettroni
• Pigmento (in grado di assorbire la luce)
• Ormonale

Possono essere suddivisi in lipidi semplici (costituiti da carbonio C, ossigeno O, idrogeno H) e lipidi complessi (formati da carbonio, ossigeno, idrogeno e acidi grassi).

Lipidi con funzione di riserva

I grassi e gli oli, usati come fonte di riserva energetica, sono composti derivati dagli acidi grassi. Questi derivano dagli idrocarburi (composti organici costituiti da atomi di carbonio e di idrogeno) e hanno lo stesso basso stato di ossidazione (quasi completamente ridotti). L’ossidazione completa degli acidi grassi in CO₂ e H₂O, comporta una grande produzione di energia (processo altamente esoergonico). L’energia in eccesso derivante dai nutrienti della dieta viene immagazzinata sotto forma di trigliceridi nel tessuto adiposo.

Acidi grassi

Gli acidi grassi sono formati da acidi carbossilici, cioè da una lunga catena idrocarburica idrofobica (insolubile in acqua). A un’estremità della catena è presente il gruppo carbossilico (OHC=O), caratteristico degli acidi grassi in quanto è l’unico gruppo polare (molecola con una parziale parte positiva e una negativa). La lunghezza della catena può variare dai 4 ai 36 atomi di carbonio, quelli che ne hanno tra i 14 e i 20 sono i più frequenti in natura.

In base alla loro lunghezza distinguiamo:

• Acidi grassi a catena corta: presentano una catena inferiore a quella dell’acido palmitico (acido grasso saturo più comune negli animali e nelle piante, deriva dall’olio di palma) costituito da 16 atomi di carbonio. Questi acidi hanno la caratteristica di avere maggiore libertà di movimento proprio perché sono molecole più piccole. Hanno un livello di idrofobicità minore rispetto agli acidi grassi a catena lunga, tale caratteristica gli consente di attraversare le membrane senza l’intervento di un apposito trasportatore e gli permette di circolare nel plasma sanguigno senza legarsi a specifiche proteine trasportatrici;
• Acidi grassi a catena lunga: presentano una catena più lunga rispetto a quella dell’acido palmitico. Sono più idrofobici rispetto a quelli a catena corta, perciò hanno maggiori difficoltà nell’attraversamento delle membrane biologiche e nel trasporto nel flusso sanguigno. Hanno quindi bisogno di strutture predisposte per il loro metabolismo, cioè hanno bisogno di un determinato trasportatore.

Gli acidi grassi, a seconda che presentino un doppio legame tra gli atomi di carbonio, sono classificati in:

• Acidi grassi saturi: privi di doppi legami tra atomi di carbonio, presentano una catena non ramificata. La caratteristica è quella di avere una certa linearità e di conseguenza, le catene di acidi grassi, sono disposte una di fianco all’altra, stabilizzate dalla presenza di legami intermolecolari (forza di Van der Walls). Questo tipo di configurazione determina la proprietà degli acidi grassi saturi di essere presenti a temperatura ambiente allo stato solido (burro). Vengono definiti acidi grassi non essenziali poiché il nostro organismo ha la capacità di sintetizzarli autonomamente.
• Acidi grassi insaturi: presentano doppi legami tra atomi di carbonio, può essere presente un solo doppio legame, monoinsaturi, oppure possono essere definiti polinsaturi se c’è più di un doppio legame. Alcuni di questi grassi sono molto importanti per il corretto funzionamento del metabolismo, ed è necessario introdurli attraverso l’alimentazione, per tale motivo vengono definiti acidi grassi essenziali. La posizione dei doppi legami mostra una certa regolarità, infatti nella maggior parte degli acidi grassi monoinsaturi, il doppio legame si trova tra gli atomi C9 - C10, mentre negli acidi grassi polinsaturi i doppi legami si trovano solitamente tra C12 - C13 e C15 - C16. In tutti i principali acidi grassi insaturi presenti negli esseri viventi, il doppio legame si trova in posizione cis, con gli atomi di idrogeno legati al carbonio disposti dalla stessa parte rispetto al doppio legame. L’assimilazione attraverso la dieta di acidi grassi insaturi determina un minor rischio di malattie cardiovascolari.

Trigliceridi

Sono i lipidi più semplici dei lipidi complessi e si formano grazie a un legame estere (legame chimico tra un acido e un alcol, in cui vi è l’eliminazione di una molecola d’acqua) tra una molecola di glicerolo, un polialcol con tre atomi di carbonio, e tre acidi grassi. I gruppi ossidrilici del glicerolo vanno a legarsi ai gruppi carbossilici degli acidi grassi liberando così tre molecole di acqua. I trigliceridi sono apolari, idrofobici e insolubili in acqua.

I trigliceridi possono essere classificati in:

• Semplici: lo stesso acido grasso è presente in tutte e tre le posizioni;
• Misti: contengono due o più acidi grassi diversi.

I trigliceridi svolgono una funzione di riserva energetica e una strutturale. Nei vertebrati sono presenti alcune cellule, chiamate adipociti, specializzate nella conservazione di grandi quantità di trigliceridi sotto forma di gocce di grasso. Tali depositi assolvono una funzione energetica.

• Sono più ridotti: gli atomi di carbonio che costituiscono la catena di acidi grassi sono più ridotti rispetto a quelli che costituiscono la catena degli zuccheri, di conseguenza l’ossidazione dei trigliceridi rende una quantità doppia rispetto a quella liberata da una pari quantità di carboidrati (un grammo di zuccheri produce 4 Kcal, mentre un grammo di acido grasso produce 9,3 Kcal). Il motivo per cui un grammo di lipidi rende il doppio di un grammo di carboidrati è che nei carboidrati una percentuale del peso è occupata da acqua, mentre nei lipidi non è presente acqua;
• Sono idrofobici: i trigliceridi, essendo idrofobici e quindi non idratati, quando vengono immagazzinati non portano con sé il peso extra dell’acqua (quella necessaria per l’idratazione) che invece è sempre associata ai polisaccaridi. Risultano così le molecole più efficienti per l’immagazzinamento di energia.

• Circolazione: essendo apolari si muovono con difficoltà in un ambiente polare (flusso sanguigno). La presenza di elevate concentrazioni di lipidi nel torrente circolatorio promuove l’aggregazione tra loro costituendo delle placche arterosclerotiche che occludono il vaso.

Dov’è localizzato il tessuto grasso?

Il tessuto grasso è composto in gran parte da adipociti ed è localizzato sotto la pelle (nella cavità addominale e nelle ghiandole mammarie). Gli acidi grassi sono immagazzinati nella forma anidra, cioè privi di acqua. In alcuni animali, i trigliceridi assolvono funzione di isolante contro le basse temperature oltre che come riserva energetica.

Funzione strutturale

I lipidi sono situati nella membrana biologica delle varie cellule, agendo come una barriera selettiva nei confronti di molecole polari o ioni. La caratteristica di questi lipidi di membrana è quella di essere anfipatici, cioè di contenere sia un gruppo idrofilo che un gruppo idrofobo. Possiamo classificare i lipidi con funzione strutturale in due classi:

• Fosfolipidi: suddivisi a loro volta in glicerofosfolipidi (costituiti da una molecola di glicerolo legata attraverso legame estere a due catene di acidi grassi che costituiscono la porzione idrofobica, mentre il terzo carbonio è legato a un gruppo fosfato costituendo la porzione idrofila) e in sfingolipidi (caratterizzati dalla presenza della sfingosina, che sostituisce il glicerolo, alla quale si lega un acido grasso e un gruppo fosfato più la colina).
• Glicolipidi: suddivisi in sfingolipidi e galattolipidi.

Considerazioni energetiche

Nella condizione di riposo, i lipidi soddisfano l’80-90% del nostro fabbisogno energetico. In una prima parte dell’esercizio, l’energia deriva dall’utilizzo prevalente di carboidrati e meno di lipidi. Ciò è dovuto al fatto che i carboidrati rappresentano una fonte di energia di facile utilizzo, ma tendono ad esaurirsi precocemente. Per quanto riguarda i lipidi, l’energia sarà ricavata attraverso meccanismi più complessi che richiedono un tempo di attivazione maggiore rispetto a quello dei carboidrati, impedendo di utilizzarli come substrato energetico nella prima parte dell’esercizio. Proseguendo con l’attività, tale condizione tende ad invertirsi in quanto i carboidrati immagazzinati tendono ad esaurirsi mentre i meccanismi di produzione di energia a partire dai lipidi iniziano ad attivarsi.

Metabolismo dei lipidi

Si può distinguere un metabolismo esogeno, cioè l’insieme di tutti quei passaggi che servono ad assimilare i lipidi attraverso la dieta, e un metabolismo endogeno, che riguarda quei passaggi di mobilizzazione, sintesi e stoccaggio dei lipidi sintetizzati dall’organismo.

Metabolismo esogeno

Insieme di quelle reazioni che caratterizzano i lipidi introdotti con la dieta, questo processo è influenzato da diversi fattori:

• Quantità di grassi introdotti con la dieta (se la quantità è elevata, il processo di assorbimento è meno efficiente);
• Età del soggetto;
• Presenza di agenti emulsionanti (emulsione: dispersione di un fluido sotto forma di "bollicine" in un altro fluido non miscibile. Risultato di due o più liquidi che "sbattuti" tra loro non si miscelano in maniera omogenea);
• Tipologia dell’acido grasso introdotto (quelli a catena lunga, hanno una minore digeribilità rispetto a quelli a catena corta);
• Tasso di saturazione dell’acido grasso (più l’acido grasso è saturo, minore sarà la sua digeribilità).

I lipidi introdotti con la dieta sono:

• Trigliceridi
• Fosfolipidi
• Esteri del colesterolo: il colesterolo presenta una struttura idrofobica con una porzione idrofila nel gruppo OH. Grazie a questo gruppo, il colesterolo è in grado di legarsi, tramite un legame estere (liberazione molecola H₂O), a un acido grasso, costituendo il colesterolo esterificato caratterizzato da una struttura apolare. La sintesi di esteri del colesterolo avviene nel fegato, una piccola parte del colesterolo viene conservata nelle membrane cellulari del fegato (epatociti), mentre la restante parte (la maggiore) viene utilizzata per costituire gli acidi biliari presenti nella bile o esteri del colesterolo, i quali andranno esportati insieme ad altri lipidi, sotto forma di lipoproteine per raggiungere tutti quei tessuti che necessitano di colesterolo. Il colesterolo è essenziale per l’uomo, ma non è richiesta la sua assunzione attraverso la dieta in quanto tutte le cellule possono sintetizzarlo a partire da precursori semplici.

Prima di essere assorbiti dalla parete intestinale, i grassi ingeriti vengono convertiti in particelle di grasso microscopiche in grado di poter attraversare la membrana delle cellule intestinali che costituiscono la parete intestinale stessa. La degradazione delle tre tipologie di lipidi (trigliceridi, fosfolipidi, esteri del colesterolo) introdotti con la dieta avviene in quanto essi sono sottoposti all’azione di diverse sostanze prodotte dalle varie ghiandole annesse al tubo digerente: la saliva, il succo gastrico, il succo enterico, il succo pancreatico e la bile. In particolar modo, abbiamo uno specifico enzima che si occupa di scindere i lipidi, la lipasi. A differenza di carboidrati e proteine, facilmente digeribili, i lipidi tendono ad unirsi creando grossi agglomerati e diventare insolubili (la lipasi non può intervenire); per questo i sali biliari contenuti nella bile trasformano i lipidi in aggregati solubili in acqua attraverso un processo di emulsionamento. Gli agenti emulsionanti sono composti anfipatici che legano la loro parte polare alla molecola d’acqua e la parte apolare ai grassi, ottenendo così micelle miste composte da sali biliari e trigliceridi. La formazione delle micelle aumenta enormemente la porzione di lipidi accessibile all’azione di lipasi. La lipasi agisce sui trigliceridi spezzando un solo legame di acido grasso alla volta, provocando ad ogni azione il rilascio di una molecola di acido grasso libero, così il trigliceride diventa diacilglicerolo, monoacilglicerolo e, successivamente, nella forma acido grasso + glicerolo. Tutto ciò avviene in maniera progressiva.

Degradazione parziale a livello di bocca e stomaco

Il processo di digestione ha già inizio a partire dalla bocca attraverso l’enzima lipasi linguale, contenuta nella saliva prodotta dalle ghiandole salivari. Successivamente, nello stomaco, troviamo l’enzima lipasi gastrica che permette una ulteriore lisi dei lipidi (comunemente, nella bocca e nello stomaco, avviene la rottura di un solo legame dell’acido grasso).

Degradazione completa a livello dell'intestino tenue

Il processo di digestione continua nell’intestino tenue dove sono presenti:

• Lipasi pancreatiche (rilasciate dal pancreas): completano la lisi del trigliceride ottenendo un acido grasso più glicerolo;
• Colesterolo esterasi: enzima presente nel succo pancreatico, riversato nell’intestino, agisce sul colesterolo esterificato spezzando il legame colesterolo acido grasso;
• Fosfolipasi A₂: presente all’interno del succo pancreatico, agisce sui fosfolipidi tagliando solo il legame tra il carbonio del glicerolo in posizione centrale (C₂) e l’acido grasso.

Assorbimento dei lipidi attraverso le pareti intestinali

Una volta avvenuta la completa degradazione dei lipidi, essi vengono assorbiti dalle cellule epiteliali costituenti la mucosa intestinale, ricca di villi e microvilli che aumentano la superficie assorbente. Le cellule utilizzano lipoproteine per far muovere i lipidi in un ambiente polare. Superata la barriera epiteliale, i prodotti della degradazione, avendo una scarsa mobilità in un ambiente acquoso in quanto idrofobici, vengono riconvertiti in trigliceridi e incorporati insieme a colesterolo e apolipoproteine (apo= proteina nella forma priva di lipidi. Sono proteine che si legano ai lipidi nel sangue e sono responsabili del trasporto dei trigliceridi, fosfolipidi, ed esteri del colesterolo) formando chilomicroni (trasportano i lipidi esogeni introdotti con la dieta, digeriti nell’intestino, verso i tessuti in cui verranno utilizzati per produrre energia o per essere immagazzinati) aggregati lipoproteici che permettono il movimento in un ambiente acquoso, come quello linfatico e sanguigno. Gli acidi grassi più piccoli, rilasciati dagli adipociti (lipidi endogeni) viaggiano nel torrente circolatorio interagendo con una proteina specifica, l’albumina.

Azione della lipoproteina lipasi

Nella porzione extracellulare dei capillari di questi tessuti (del tessuto adiposo, del cuore, del muscolo scheletrico e della ghiandola mammaria), attaccato alla superficie dell’endotelio, è presente l’enzima lipoproteina lipasi, che viene attivato grazie all’apoC-II di cui il chilomicrone è dotato. Tale enzima idrolizza i trigliceridi ad acidi grassi e glicerolo, che entreranno all’interno delle cellule del tessuto bersaglio e, nel muscolo, gli acidi grassi andranno ad essere ossidati per produrre energia, nel tessuto adiposo, invece, verranno riesterificati a trigliceridi per essere conservati. I chilomicroni svuotati, cioè dai quali sono stati rimossi quasi completamente i trigliceridi ma che contengono ancora colesterolo e apolipoproteine, vengono diretti al fegato nel quale andranno ad essere internalizzati per endocitosi, grazie a recettori specifici presenti sugli epatociti che riconoscono ed interagiscono con l’apoE (le altre proteine apo vengono perse) mettendo fine al ciclo esogeno. All’interno del fegato i chilomicroni rilasceranno colesterolo e andranno a essere degradati dai lisosomi (vescicola che rappresenta il sistema digerente delle cellule). Il fegato utilizzerà i vari precursori derivanti dalla degradazione di altri prodotti, per sintetizzare lipidi che andrà a rimettere in circolo.

Come gli acidi grassi entrano all'interno delle cellule dei tessuti periferici

Sulla membrana delle cellule muscolari, è presente una proteina trasportatrice, CD36, in grado di interagire con l’acido grasso trasportandolo nell’ambiente intracellulare (gli acidi grassi a catena corta non hanno bisogno di interagire con il CD36 in quanto le loro dimensioni gli consentono di solubilizzarsi con la membrana biologica e attraversarla). Una volta all’interno, visto che si ha un ambiente idrofilico, l’acido grasso andrà ad essere stabilizzato grazie all’interazione con una proteina FABP, la quale veicolerà l’acido grasso verso il mitocondrio, nel quale subirà delle modificazioni per penetrare all’interno (betaossidazione).

Destino del glicerolo

Circa il 95% dell’energia ricavabile dai trigliceridi deriva dagli acidi grassi, mentre il restante 5% dal glicerolo, il quale, una volta all’interno della cellula muscolare, subisce una serie di modificazioni che gli permetteranno di entrare direttamente all’interno della quinta reazione glicolitica. Prevalentemente però, il glicerolo liberato dai trigliceridi va al fegato. Le reazioni sono: