Lipidi - membrane biologiche- trasporto trasmembrana

I lipidi

I lipidi sono una classe di composti organici ternari (C, H e O) molto eterogenei dal punto di vista chimico, ma tutti caratterizzati da dimensioni molecolari relativamente modeste rispetto a quelle di polisaccaridi, acidi nucleici o proteine e dalla loro più o meno spiccata insolubilità nei solventi acquosi o comunque polari. Proprio questa peculiarità li rende problematici, in quanto gli organismi viventi sono fondamentalmente costituiti da acqua. Essi sono tuttavia necessari, in quanto svolgono alcuni ruoli fondamentali per i viventi come quello energetico, di riserva, ma anche plastico. Costituiscono inoltre alcuni ormoni e le vitamine liposolubili.

Funzioni dei lipidi

Le funzioni biologiche dei lipidi sono varie, così come varie sono le loro proprietà chimiche.

• I grassi e gli oli sono le principali forme di riserva di energia in molti organismi.
• I fosfolipidi e gli steroli sono gli elementi strutturali principali delle membrane biologiche.
• Altri lipidi, anche se presenti in quantità relativamente piccole, svolgono ruoli cruciali come cofattori enzimatici, trasportatori di elettroni, pigmenti che assorbono la luce, ancore idrofobiche per le proteine, agenti emulsionanti del tratto intestinale, ormoni messaggeri intracellulari.

Gli acidi grassi

Gli acidi grassi sono i componenti base della maggior parte dei lipidi. Sono acidi organici a lunga catena, e in particolare:

• Presentano un numero pari di C, da 4 a 24;
• Hanno un solo gruppo carbossilico (-COOH, la testa dell'acido)
• Sono formati da una coda idrocarburica non polare, che conferisce alla maggior parte dei lipidi la natura oleosa o grassa e l’insolubilità in acqua.

Gli acidi grassi più abbondanti in natura hanno da 16 a 18 atomi di carbonio. La lunga coda idrocarburica può essere:

• Satura, cioè contenere solo legami singoli
• Insatura, ovvero contenere uno o più doppi legami

I legami singoli della catena satura permettono un impaccamento compatto tra le molecole; un doppio legame genera invece una flessione della catena insatura creando zone a bassa densità e rigidità. In generale, gli acidi grassi insaturi sono più abbondanti sia nei lipidi animali che in quelli vegetali. Nella maggior parte degli acidi grassi insaturi il doppio legame si trova tra il carbonio-9 e carbonio-10. Se vi sono ulteriori doppi legami, questi si trovano dopo il doppio legame corrispondente al carbonio-9 (solitamente nelle posizioni C-12 o C-15) e se vi sono doppi legami coniugati questi sono separati da un gruppo metilenico ( ). I doppi legami di quasi tutti gli acidi grassi insaturi sono presenti nella configurazione geometrica cis. Sono stati isolati molti tipi di acidi grassi che differiscono l'uno dall'altro per la lunghezza della catena idrocarburica e per la presenza, il numero e la posizione dei doppi legami.

Gli acidi grassi non si trovano quasi mai liberi o in forma non combinata nelle cellule e nei tessuti, ma sono presenti in forma aggregata in diverse classi di lipidi, dai quali possono essere rilasciati mediante idrolisi chimica o enzimatica. Gli acidi grassi possono essere inoltre bio-sintetizzati: la biosintesi prevede l'aggiunta di unità bicarboniose (aventi due atomi di C).

Nomenclatura degli acidi grassi

La nomenclatura standard (IUPAC) assegna il numero 1 al carbonio carbossilico e la lettera α al carbonio successivo. Il doppio legame va identificato nella molecola indicando il numero dell’atomo di C che lo presenta. Ad esempio l’acido palmitoleico, che presenta una catena da 16 atomi di C e un solo doppio legame sul C numero 9, assume la denominazione acido-9-esadecenoico.

Una nomenclatura semplificata, notazione Δ abbreviata, specifica la lunghezza della catena e il numero di doppi legami, separati da due punti. La posizione dei doppi legami viene indicata con la lettera greca Δ (delta) seguita da un apice che indica il carbonio a numerazione più bassa del doppio legame. Così vediamo per esempio che l’acido palmitico, un acido grasso saturo formato da 16 atomi di carbonio, viene indicato come 16:0, in quanto non vi sono doppi legami. Invece l'acido oleico, con 18 atomi di carbonio, viene indicato come 18:1(Δ⁹), poiché presenta un doppio legame e quest’ultimo è in corrispondenza del carbonio-9.

Talvolta per gli acidi grassi polinsaturi viene usata anche la notazione “omega”, dove il carbonio del gruppo metilico più lontano dal gruppo carbossile viene chiamato omega e gli si assegna il numero 1. Le posizioni dei doppi legami vengono indicati relativamente al carbonio-omega, e abbiamo quindi acidi grassi omega-3 con doppio legame tra il carbonio-3 e il carbonio-4, e omega-6 con doppio legame tra il carbonio-6 e il carbonio-7. L'uomo non ha la capacità di sintetizzare omega-3 e omega-6, deve quindi ottenerli con la dieta. Omega-3 e omega-6 sono perciò considerati acidi grassi essenziali e uno squilibrio nella dieta aumenta il rischio di malattie cardiovascolari. Sono abbondanti soprattutto nel pesce e nella verdura. Gli acidi grassi polinsaturi vengono chiamati anche PUFA (Polyunsaturated Fatty Acid).

Proprietà fisiche degli acidi grassi

Le proprietà fisiche degli acidi grassi sono influenzate dalla lunghezza della catena idrocarburica e dal numero di doppi legami presenti nella molecola. Quanto più lunga la catena acilica e quanto più limitato il numero di doppi legami, tanto più bassa è la solubilità in acqua. Perciò i primi termini degli acidi grassi sono solubili in acqua. Ma, man mano che la catena idrocarburica cresce in numero di atomi di carbonio, la solubilità diminuisce rapidamente. Ciò è dovuto al prevalere della parte idrocarburica apolare e quindi idrofoba (coda) sulla parte polare costituita dal gruppo carbossilico che è idrofilo (testa).

Queste caratteristiche influenzano anche il punto di fusione, responsabile dello stato fisico (solido, liquido e aeriforme) del composto. Negli acidi grassi saturi la rotazione libera intorno a ogni legame carbonio-carbonio conferisce alla catena idrocarburica una grande flessibilità. Le molecole si possono impacchettare così strettamente da costituire strutture quasi cristalline i cui atomi stabiliscono legami di Van der Waals con quelli delle catene vicine. Negli acidi grassi insaturi il doppio legame produce un ripiegamento nella catena idrocarburica e quindi risulta difficile per questi composti assumere un impacchettamento ordinato, le interazioni con le altre molecole sono quindi più deboli. Di conseguenza, a parità di numero di atomi di carbonio, gli acidi grassi insaturi presentano punti di fusione inferiori: a temperatura ambiente (25° C), gli acidi grassi saturi da 12 a 24 atomi di carbonio hanno una consistenza cerosa, mentre gli acidi grassi insaturi con la stessa lunghezza sono liquidi oleosi.

Per rendere più chiaro questo concetto è possibile valutarlo dal punto di vista energetico: è necessaria meno energia per disorganizzare la disposizione poco ordinata degli acidi grassi insaturi e, di conseguenza, questi composti hanno punti di fusione più bassi di quelli degli acidi grassi saturi di lunghezza analoga.

I saponi

Gli acidi grassi comuni sono insolubili in acqua, ciò è dovuto ad una totale immiscibilità tra l'acqua (polare) e la coda idrofoba apolare dell’acido grasso. Tuttavia, in presenza di soda (NaOH) o di potassa (KOH), gli acidi grassi possono essere convertiti in saponi e andare a formare micelle. I saponi sono detergenti costituiti da sali di sodio, o di potassio, degli acidi grassi. I saponi possiedono una struttura anfipatica ovvero contengono sia una testa polare (il gruppo carbossilico ionizzato), sia una coda non-polare (la catena idrocarburica).

L'azione detergente dei saponi è dovuta a questa particolare organizzazione: le molecole di sapone si orientano in modo tale che le loro code idrofobe (e quindi lipofile) siano "immerse" nella particella di grasso, mentre le teste idrofile siano orientata verso l'acqua. In questo modo i saponi di sodio e potassio sono in grado di emulsionare sostanze oleose o grasse insolubili in acqua, creando un rivestimento idrofilico intorno alle goccioline di grasso (micella) che permette poi l'allontanamento dell'unto per sfregamento e successivo risciacquo.

Un esempio di acido grasso: l’acido arachidonico

Uno degli acidi grassi polinsaturi più significativi è l'acido arachidonico (un acido grasso omega-6). Dall'acido arachidonico si formano gli eicosanoidi, ormoni implicati nella funzione riproduttiva, nell'infiammazione, nella febbre, nel dolore associato a traumi e malattie, nella secrezione gastrica, nella regolazione della pressione. I tre principali eicosanoidi sono le prostaglandine, i trombossani e i leucotreni. La sintesi delle prostaglandine e dei trombossani, a partire dall'acido arachidonico, è mediata dall'enzima ciclossigenasi. Questo è l’enzima contro cui agiscono i farmaci infiammatori come aspirina e ibuprofene che, inibendolo, bloccano la formazione delle prostaglandine e dei trombossani e quindi la trasmissione del dolore.

I trigliceridi

La grande maggioranza dei lipidi è rappresentata dai trigliceridi. I trigliceridi sono "lipidi di deposito" con funzione di riserva energetica concentrata, isolamento termico (es. strato di grasso sottocutaneo) e protezione degli organi dagli urti (es. grasso che circonda i reni). I trigliceridi derivano dall’esterificazione del glicerolo (o glicerina, un alcol formato da 3 atomi di carbonio e 3 gruppi ossidrilici) con tre acidi grassi. I trigliceridi si differenziano per il tipo di acidi grassi cui il glicerolo è legato: possono essere saturi (prevalentemente nel mondo animale) oppure insaturi (prevalentemente nel mondo vegetale).

Inoltre i trigliceridi possono avere caratteristiche molto diverse a seconda dell’identità e della posizione degli acidi grassi da cui sono formati, possiamo avere:

• Trigliceridi semplici, esterificati con un unico acido grasso. Un esempio è il trigliceride tristearina formato da tre code di acido stearico.
• Trigliceridi misti, esterificati con acidi grassi diversi.

Proprietà fisiche dei trigliceridi

I trigliceridi sono i costituenti della maggior parte dei grassi naturali. Questi composti possono avere consistenza di tipo solido (grassi alimentari), semisolido (burri) o liquido (oli). A determinare lo stato fisico è la composizione degli acidi grassi presenti:

• I grassi alimentari (come il lardo e lo strutto) sono solidi, bianchi e grassosi a temperatura ambiente. Sono costituiti da una miscela di trigliceridi formati principalmente da acidi grassi saturi.
• Gli oli (come l’olio di oliva, di semi, di mais, ecc.) sono liquidi a temperatura ambiente. Sono costituiti da una miscela di trigliceridi che contengono circa un 80% di acidi grassi insaturi.
• Il burro, è solido a temperatura ambiente, ma inizia a sciogliersi a circa 30°C. È costituito da una miscela di trigliceridi tra cui alcuni formati da acidi grassi con catene relativamente corte. Gli acidi grassi a catena corta hanno punti di fusione più bassi e conferiscono al burro la sofficità a temperatura ambiente.

Queste differenze di consistenza derivano dal fatto che le lunghe e rigide catene carboniose degli acidi grassi saturi possono aggregarsi molto bene tra loro (consistenza solida), instaurando numerosi legami intermolecolari deboli, come quelli di Van der Waals. Gli acidi grassi polinsaturi invece, costituiti da catene ricurve, danno aggregazioni meno compatte (consistenza liquida).

Proprietà chimiche dei trigliceridi

Come gli altri lipidi, sono poco solubili in acqua, ma possono sciogliersi in solventi organici non polari come alcol, cloroformio, benzene o etere. I trigliceridi vengono idrolizzati quando bolliti con acidi o basi, oppure possono essere sottoposti all’azione enzimatica dell'enzima lipasi, secreto dal pancreas nell'intestino tenue, che ha la funzione di liberare gli acidi grassi dal glicerolo. L’idrolisi dei trigliceridi in presenza di potassio, oppure di sodio, porta alla liberazione degli acidi grassi mediante un processo chiamato saponificazione. Questa è la reazione chimica primaria per la produzione casalinga di saponi dai trigliceridi.

I trigliceridi formati da acidi grassi insaturi possono essere trasformati chimicamente in grassi solidi mediante idrogenazione dei loro doppi legami. Grandi quantità di oli vegetali, come l'olio di mais, sono convertiti in margarina da un processo di idrogenazione catalitica che provoca la conversione di alcuni dei doppi legami in legami singoli. Quando esposti all'aria, i trigliceridi che contengono acidi grassi molto insaturi tendono a subire un complesso processo chiamato autossidazione. L'ossigeno molecolare può attaccare gli acidi grassi aventi due o più doppi legami formando prodotti complessi, responsabili del sapore rancido. L’autossidazione dei grassi insaturi non avviene normalmente nelle cellule poiché è tenuta sotto controllo dell'azione inibitoria della vitamina E (una vitamina antiossidante), dalla vitamina C e da vari enzimi. Tuttavia essa può verificarsi in malattie che portano alla formazione in alcuni tessuti di depositi lipidici anormali.

Funzioni dei trigliceridi

I trigliceridi funzionano principalmente come lipidi di riserva. Nel corpo umano, la maggior parte dei trigliceridi è contenuta all'interno del tessuto adiposo. Le cellule adipose si trovano soprattutto nel tessuto sottocutaneo, nella cavità addominale, nelle ghiandole mammarie. I trigliceridi sono utilizzati dall’organismo come riserva energetica: quando mangiamo il nostro corpo converte in trigliceridi tutte le calorie delle quali non necessita immediatamente, immagazzinandole nelle cellule adipose. Durante la giornata, tra un pasto e l’altro, gli ormoni regolano il rilascio dei trigliceridi per mantenere costanti i livelli di energia nell’organismo.

Se si consumano costantemente più calorie di quelle che si bruciano, però, i valori dei trigliceridi potrebbero innalzarsi pericolosamente, dando luogo ad una condizione chiamata ipertrigliceridemia. Queste molecole rappresentano la principale forma di conservazione di energia: mentre il glicogeno può soddisfare il fabbisogno energetico per un giorno, i trigliceridi possono fornire energia basale per alcuni mesi.

Inoltre, negli animali artici e antartici a sangue caldo come foche, trichechi e pinguini, i trigliceridi svolgono una importantissima funzione isolante contro le basse temperature.

Le cere

Le cere sono esteri di acidi grassi a catena lunga, aventi da 14 a più di 36 atomi di carbonio saturi ed insaturi. Le cere possono avere differenti origini e provenire da molteplici fonti del mondo animale o vegetale. Nei vertebrati le cere sono secrete delle ghiandole della pelle come rivestimento protettivo per tenere la pelle morbida, lubrificata e impermeabile. Per esempio, viene considerata una cera anche la sostanza oleosa secreta dall’orecchio umano detta cerume. Inoltre anche i capelli, la lana, la pelliccia sono rivestiti con secrezione cerosa.

Le cere sono formate e usate in grandi quantità anche nella vita marina, specialmente negli organismi del plancton, per i quali la cera costituisce la principale forma di riserva di combustibile calorico. Le cere sono quindi una importantissima riserva di cibo e di lipidi nelle catene alimentari oceaniche.

I glicerofosfolipidi

I glicerofosfolipidi (o fosfogliceridi) sono lipidi estremamente importanti in natura, sono infatti presenti in tutte le cellule animali e vegetali come principali costituenti delle membrane cellulari. I glicerofosfolipidi sono caratterizzati da una voluminosa porzione alifatica apolare detta coda e una più piccola estremità polare, la testa. La coda è costituita dalle catene alifatiche degli acidi grassi, mentre la testa è costituita dal glicerolo, dal fosfato (PO₄^3-) e dal composto alcolico a esso esterificato.

I glicerofosfolipidi sono sostanze anfipatiche, manifestano cioè proprietà idrofiliche e idrofobiche in due porzioni diverse della molecola. Le caratteristiche idrofobiche risultano tuttavia dominanti, rendendo i glicerofosfolipidi insolubili in acqua, ma solubili in solventi organici apolari come benzene, eteri, cloroformio, ecc. Questo fa sì che in un sistema acqua-lipidi, i fosfolipidi si dispongono sulla superficie delle micelle lipidiche, con le code inserite nella componente lipidica e con le teste immerse nella componente acquosa.

I glicerofosfolipidi sono importanti costituenti delle membrane cellulari, in quanto formano il doppio strato fosfolipidico, nel quale galleggiano le proteine. La loro base strutturale è costituita dall’acido L-fosfatidico, un estere del glicerolo con due acidi grassi in posizione C₁ e C₂, e contenente un residuo fosforico al C₃. L’acido fosfatidico si trova solo in piccole quantità in forma libera ma è un importante intermedio nella biosintesi dei fosfogliceridi.

L’acido ortofosforico, oltre alla esterificazione con il glicerolo, può presentare una seconda esterificazione con un amminoalcol, un aminoacido, un gruppo alcolico di un polialcol o uno zucchero. In tal caso, i fosfogliceridi vengono indicati con il prefisso fosfatidil-, cui segue il nome del composto esterificato con il gruppo fosfato, i più abbondanti sono:

• Fosfatidilinositolo, contenente l'alcol ciclico inositolo;
• Fosfatidiletanolamina, contenente l’alcol etanolammina;
• Fosfatidilcolina, contenente l’alcol colina;
• Fosfatidilserina, contenente l’aminoacido serina;
• Fosfatidilglicerolo, contenente un altro glicerolo;
• La cardiolipina, un caso particaolare poiché l’acido fosfatidico lega un