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 pochissima solubili in acqua in quanto presentano uno scheletro carbonioso

caratterizzato da legami apolari.

All’interno della cellula svolgono numerose funzioni:

- hanno 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 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).

Dal punto di vista chimico si dividono in tre gruppi:

- LIPIDI SEMPLICI O NEUTRI

- LIPIDI COMPLESSI O POLARI

- STEROIDI

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 cellulari.

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 diverso 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 trasmembrana 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, c’è 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.

PROTEINE ANCORATE AI LIPIDI

Le proteine ancorate ai