Propedeutica biochimica

I lipidi

La parola “lipide” deriva dal greco “lipos”, ovvero grasso. I lipidi costituiscono un gruppo eterogeneo di composti, che hanno in comune la caratteristica di essere insolubili in acqua e dunque solubili in sostanze polari, in quanto largamente o totalmente non polari. Queste molecole svolgono funzioni differenziate:

• Grassi ed oli sono le principali forme di riserva di energia;
• Fosfolipidi, glicolipidi e steroli sono gli elementi strutturali principali delle membrane;
• Altri lipidi svolgono ruoli cruciali come colatori enzimatici, ormoni, agenti emulsionanti…

L’eterogeneità di queste molecole rende necessaria la loro classificazione. Il criterio di classificazione che consente distinguere i lipidi fa riferimento alla capacità di queste molecole a dare saponi o meno:

Lipidi saponificabili e non saponificabili

Lipidi saponificabili (trigliceridi, sfingolipidi e fosfolipidi) sono esteri di acidi carbossilici ed alcol. Questi lipidi sono idrolizzati da basi e formano sali di acidi carbossilici (sapone) ed un alcol.

Lipidi non saponificabili (steroidi, prostaglandine) non sono esteri e dunque posseggono solo il gruppo alcolico.

Gli acidi grassi (R-COOH)

Gli acidi grassi sono gli acidi carbossilici presenti nei lipidi. Questi sono infatti acidi carbossilici con una catena idrocarburica formata da un numero pari di atomi di C (compreso tra 10 e 24) e con struttura lineare. Questi possono essere saturi, se presentano solo legami semplici C-C, o insaturi se presentano legami multipli (in base al numero di legami multipli presenti: monoinsaturi e polinsaturi).

Nomenclatura degli acidi grassi

Per quanto riguarda la loro nomenclatura, gli acidi grassi possono avere:

• Nome sistematico secondo la nomenclatura IUPAC, che si forma dal nome dell’idrocarburo da cui deriva sostituendo l’ultima vocale con la desinenza -OICO e premettendo il termine ACIDO;
• Nome comune che ad esempio deriva dalla molecola in cui essi sono stati trovati per la prima volta oppure dalla molecola in cui sono molto abbondanti.

Gli acidi grassi sono numerati a partire dal carbonio carbossilico (COOH). Per indicare la struttura degli acidi grassi esiste un sistema di abbreviazione:

Nomenclatura acidi grassi saturi

Nomenclatura acidi grassi insaturi

Gli eicosanoidi

Gli eicosanoidi sono i precursori di alcuni ormoni locali. Il loro precursore è l’acido arachidonico (20:4), dal quale si formano le prostaglandine, i leucotrieni, i trombossani e le prostacicline. Essi intervengono nella riparazione dei tessuti, nell’infiammazione, nella regolazione della trasmissione nervosa…

Le proprietà degli acidi grassi

Gli acidi grassi sono molecole costituite da una catena di atomi di C con un solo gruppo carbossilico (COOH) ad una estremità. La catena idrocarburica che li costituisce è tendenzialmente lineare e la sua lunghezza è estremamente importante poiché influenza le caratteristiche fisico-chimiche dell’acido grasso. Dal momento che ogni acido grasso è formato da una catena carboniosa idrofoba (coda apolare) che termina con un gruppo carbossilico idrofilo (testa polare che presenta una forte tendenza ad interagire con l’acqua formando legami a idrogeno), sono considerati molecole anfipatiche.

pKa

Il pKa indica la forza di un acido: minore è il PKa, più forte è l’acido in quanto tende a cedere un protone ad un pH più acido. Il pKa è uguale al valore cambiato di segno del logaritmo della Ka (costante di dissociazione acida; misura il grado di dissociazione di un acido in soluzione). Il pKa del gruppo carbossilico è compreso tra 4 e 5, dunque essi sono relativamente forti. Esiste una correlazione tra PKa e Ph della soluzione:

• pKa = pH → [COOH] = [COO-] quindi l’acido sarà per metà dissociato e per metà indissociato
• pKa > pH l’acido sarà in forma indissociata
• pKa < pH l’acido sarà in forma dissociata

Proprietà degli acidi grassi

Le proprietà degli acidi grassi e dei composti che li contengono, sono fortemente influenzati dalla lunghezza e dal grado di instaurazione della catena. Ad esempio, a temperatura ambiente (25ºC), gli acidi grassi hanno una consistenza cerosa, mentre gli acidi grassi insaturi della stessa lunghezza sono liquidi oleosi. Questa differenza nei punti di fusione è dovuta ad un diverso impacchettamento delle molecole di questi acidi.

Nei composti completamente saturi, la rotazione libera intorno a ogni legame C-C conferisce alla catena idrocarburica grande flessibilità; la conformazione più stabile è quella completamente estesa in cui vengono minimizzate le interferenze steriche tra gli atomi vicini. Queste molecole si possono impacchettare così strettamente da costituire strutture quasi cristalline, i cui atomi stabiliscono legami di Van Der Waals con quelli delle catene adiacenti. In questo modo si determina un punto di fusione relativamente alto.

La temperatura di fusione è inoltre influenzata dalla lunghezza della catena carboniosa: più lunga è la catena, più forze di Van Der Waals si formeranno. In questo modo cresce la stabilità della molecola e anche la temperatura di fusione. Negli acidi grassi insaturi il doppio legame cis produce un ripiegamento nella catena idrocarburica. Gli acidi grassi con uno o più ripiegamenti non possono impacchettarsi così saldamente come accade agli acidi grassi saturi, per cui le loro interazioni con le altre molecole sono più deboli. Dato che per disorganizzare una disposizione poco ordinata è necessaria una quantità di energia minore, i loro punti di fusione saranno più bassi di quelli saturi con catena di lunghezza analoga.

A temperatura ambiente, il grasso di manzo si presenta come un solido “duro” in quanto presenta una percentuale maggiore di acidi grassi saturi rispetto al burro, che si presenta infatti come un solido “morbido” e ancora maggiore dell’olio di oliva. In quest’ultimo la percentuale di acidi grassi insaturi prevale nettamente sulla percentuale di acidi grassi saturi e dunque a temperatura ambiente è liquido.

Proprio per la presenza di legami multipli, gli acidi grassi danno luogo a tipiche reazioni di addizione, che hanno lo scopo di rompere i legami π per la formazione di legami σ che stabilizzano la molecola. Sono reazioni di addizione:

• Idratazione con formazione di un idrossiacido
• Idrogenazione (o processo di indurimento) che permette di trasformare gli oli vegetali in grassi vegetali in quanto si forma un acido grasso saturo
• Alogenazione (test dello iodio)
• Ossidazione. Quando cibi ricchi di lipidi vengono lasciati troppo a lungo esposti all’aria si alterano e diventano rancidi. L’odore e il sapore disgustosi derivano dalla rottura ossidativa dei doppi legami degli acidi grassi insaturi che produce aldeidi e acidi grassi a catena corta, quindi molto volatili.

Processo di indurimento. Processo che permette di trasformare gli oli vegetali, altamente insaturi, in grassi vegetali solidi per idrogenazione catalitica di alcuni o di tutti i doppi legami. Ad esempio la margarina è ottenuta per idrogenazione dell’olio di cotone, di soia e di arachidi.

Test dello iodio. Test che permette di esaminare il grado di insaturazione di un campione di acilglicerolo. Questo è possibile in quanto lo iodio (ICl) si lega facilmente ai doppi legami C=C. Il numero di iodio di un grasso o di un olio è definito come numero di grammi di iodio richiesti per reagire con tutti i doppi legami C=C in 100g di campione. Dunque un alto numero di iodio indica un alto grado di insaturazione. Ad esempio il lardo ha numero di iodio 65-70 mentre il mais ha 125-130 in quanto presenta un maggior numero di doppi legami.

Lipidi di riserva: i trigliceridi

I lipidi più semplici costruiti a partire dagli acidi grassi sono i trigliceridi. Questi sono composti da 3 acidi grassi legati da legami estere ai gruppi ossidrilici (-OH) di una molecola di glicerolo (alcol trivalente=con tre gruppi -OH). Poiché i gruppi ossidrili polari del glicerolo e i gruppi carbossilici polari degli acidi grassi sono uniti con 3 legami esteri, i trigliceridi sono apolari. Nella maggior parte delle cellule eucaristiche i trigliceridi costituiscono una fase separata sotto forma di microscopiche gocce oleose, presenti nel citosol, che servono a depositi di sostanze energetiche. Nei vertebrati i trigliceridi si accumulano in cellule specializzate: adipociti o cellule grasse sotto forma di gocce di grasso che riempiono quasi completamente la cellula. Nell’uomo il tessuto grasso (composto in gran parte da adipociti) è localizzato sotto la pelle, nella cavità addominale e nelle ghiandole mammarie.

Negli animali la riserva di grassi serve per produrre energia (ATP) e produrre calore (grasso bruno). Le riserve di grasso nei mammiferi che ibernano o vivono in ambienti freddi, svolgono un ruolo molto importante in quanto non solo forniscono una riserva di energia durante l’ibernazione o il digiuno ma anche perché fungono da materiale isolante contro il freddo. Come depositi energetici, i trigliceridi hanno due significativi vantaggi rispetto ai polisaccaridi (come amido e glicogeno):

• Gli atomi di carbonio degli acidi grassi sono più ridotti (contengono poco ossigeno se non nella testa polare) rispetto agli zuccheri (vi sono molti gruppi -OH e dunque sono già parzialmente ossidati). Per recuperare energia da una molecola bisogna levare a questa una molecola di ossigeno dunque, in generale, meno ossigeno è presente in una molecola, maggiore è il suo contenuto in energia. Infatti la resa energetica da completa ossidazione dei trigliceridi (9 Kcal/g) è doppia rispetto a quella liberata da una pari quantità di carboidrati (4 Kcal/g).
• Sono idrofobici e quindi non idratati. Gli organismi che conservano energia sotto forma di grassi non devono trasportare peso extra di acqua: essendo i trigliceridi idrofobici, presentano poche possibilità di legami con l’acqua dunque 1g di lipidi è formato solo ed esclusivamente da lipidi mentre 1g di zuccheri è parzialmente formato anche da acqua poiché possiede molti gruppi -OH pronti a legare molecole d’acqua.

I trigliceridi si possono distinguere, in base al loro punto di fusione, in:

• Grassi che a temperatura ambiente sono solidi (burro, lardo) in quanto contengono solo acidi grassi saturi che possono impaccarsi in maniera abbastanza regolare come in un cristallo.
• Oli che a temperatura ambiente sono liquidi (olio di mais, olio di oliva) in quanto sono composti in gran parte da acidi grassi insaturi e quindi le catene non potranno allinearsi in un reticolo cristallino. Maggiore è il numero di doppi legami presente, più elevato è il disordine della struttura e dunque più basso è il punto di fusione.

Infine i trigliceridi possono essere distinti in semplici se formati dallo stesso tipo di acido grasso, o misti, se formati da una varietà di acidi grassi.

Lipidi di membrana

Le strutture portanti delle membrane biologiche sono costituite da un doppio strato lipidico che agisce come una barriera al passaggio di molecole polari e ioni. I lipidi di membrana sono anfipatici: un’estremità è idrofobica e l’altra è idrofilica. Le interazioni idrofobiche tra molecole lipidiche e quelle idrofiliche tra molecole lipidiche e acqua determinano la disposizione di queste strutture in foglietti, detti doppi strati di membrana.

I glicerofosfolipidi

I glicerofosfolipidi sono lipidi di membrana in cui due acidi grassi (che possono essere sia saturi che insaturi) sono legati con un legame estere al primo e al secondo atomo di carbonio del glicerolo, mentre un gruppo polare (costituito da un gruppo fosfato esterificato con un alcol) è legato tramite un legame fosfodiestere al terzo atomo di carbonio. Il precursore di questi composti è l’acido fosfatidico, in cui il gruppo alcolico è costituito da un solo atomo di H.

Gli sfingolipidi

Anche gli sfingolipidi hanno una testa polare e due code non polari, ma a differenza dei glicerofosfolipidi non contengono glicerolo. Gli sfingolipidi sono composti da una molecola di sfingosina, un amminoalcol a catena lunga, una molecola di acido grasso a catena lunga e da una testa polare. Gli atomi di carbonio C1, C2 e C3 della sfingosina sono strutturalmente analoghi ai tre atomi del glicerolo nei glicerofosfolipidi. L’unità di base degli sfingolipidi è il ceramide, in cui il gruppo sostituente -X corrisponde ad un atomo di H.

Esistono 3 sottoclassi di sfingolipidi in base alle differenti teste polari:

• Sfingomieline, contengono fosfocolina o fosfoetanolammina come testa polare. Le sfingomieline sono presenti nella membrana plasmatica delle cellule animali e sono abbondanti nella mielina, una guaina che circonda e isola gli assoni di alcuni neuroni.
• Glicolipidi neutri contengono da 1 a 6 unità saccarifiche (glucosio, galattosio..) e sono presenti sulla superficie esterna della membrana plasmatica. Sono detti cerebrosidi i glicolipidi costituiti da un’unica unità saccaridica legata ad un ceramide.
• Gangliosidi sono gli sfingolipidi più complessi in quanto hanno teste polari formate da diverse unità saccaridiche. Essi costituiscono il 6% dei lipidi di membrana nella materia grigia del cervello. Essi inoltre partecipano, sulla superficie cellulare, a vari tipi di processi di riconoscimento. Un esempio di processo di riconoscimento, è dai gruppi sanguigni A, B e O. I residui oligosaccaridici di alcuni tipi di sfingolipidi sono determinati dei gruppi sanguigni umani, e permettono di stabilire quale tipo di sangue può essere trasfuso in un paziente.

Gli steroidi

Gli steroidi sono un gruppo di lipidi la cui caratteristica principale è la presenza di un nucleo steroideo (ciclopentano-peridrofenantrene) costituito da quattro anelli fusi, tre a 6 atomi di C e uno a 5. Essi possiedono una grande varietà di funzioni. Di solito i sostituenti metilici (gruppi metilici) sono legati al C10 e al C13 mentre la catena laterale al C17.

Il colesterolo, il principale steroide dei tessuti animali, è anfipatico, con una test polare (il gruppo ossidrilico sull’atomo C3) e un corpo idrocarburico non polare (il nucleo steroideo e la catena laterale sull’atomo C17). Esso è ricavato dalla dieta e viene sintetizzato principalmente nel fegato; il sistema circolatorio lo trasporta al resto del corpo. In totale ha 27 atomi di C.

Il colesterolo è il precursore di numerosi steroidi biologicamente rilevanti, come gli ormoni steroidei. Fra gli ormoni steroidei ricordiamo gli ormoni sessuali maschili e femminili, prodotti rispettivamente da testicoli e ovaie. Gli ormoni sessuali maschili sono chiamati androgeni (testosterone e androsterone); gli ormoni sessuali femminili sono invece gli estrogeni (estradiolo) e i progestinici (progesterone). L’unica differenza fra testosterone e progesterone consiste nella catena laterale.

Il progesterone prepara l’utero per l’impianto dell’ovulo fecondato; protegge la gravidanza e impedisce una ulteriore ovulazione durante quest’ultima. Si differenzia dal testosterone per la presenza del gruppo acetilino al posto di un -OH sul C17. Il colesterolo è inoltre il precursore degli ormoni adrenocorticoidi, che vengono secreti dalla corteccia surrenale.

Infine, il colesterolo è il precursore dei sali biliari, sostanze anfipatiche prodotte nel fegato e accumulate nella cistifellea, che costituiscono la bile. Durante la digestione, la bile viene riversata nell’intestino tenue attraverso il coledoco. Essi svolgono una funzione emulsionante: una volta che sono stati immessi nell’intestino tenue degradano i lipidi nelle loro componenti di partenza riducendoli in piccole goccioline, favorendone così la degradazione da parte di enzimi digestivi (come ad esempio la lipasi) e rendendone più facile l’assorbimento ad opera delle cellule dell’ume intestinale.

I composti anfipatici in soluzioni acquose

Le molecole anfipatiche quando vengono disperse in acqua, formano spontaneamente degli aggregati lipidici in una fase separata dall’ambiente acquoso circostante e raggruppano le parti idrofobiche tenendole a contatto le une con le altre; le teste polari idrofiliche invece si dispongono sulla superficie per interagire con il solvente acquoso. Il raggruppamento dei lipidi ha lo scopo di ridurre la quantità di superficie idrofobia esposta all’acqua. Quando in un ambiente acquoso sono dispersi lipidi anfipatici, si possono formare 3 tipi di aggregati:

• Micelle: Le micelle sono strutture sferiche che contengono da una decina a qualche centinaio di molecole. Queste molecole sono disposte con le regioni idrofobiche raggruppate all’interno della sfera e quindi non a contatto con l’acqua. La formazione delle micelle è favorita quando l’area della sezione trasversale della testa polare è maggiore a quella della catena idrocarburica, come in un acido grasso.
• Doppio strato: In questo secondo tipo...