Lipidi I lipidi hanno una comune proprietà fisica: essi sono insolubili in acqua e solubili in solventi organici. Da un punto di vista chimico, i lipidi sono composti da un gruppo estremamente diverso di molecole. Due delle maggiori funzioni dei lipidi sono di servire come: 1. La maggiore forma di deposito di energia nel corpo 2. La base strutturale unita delle membrane cellulari. Molte molecole lipidiche sono molecole anfipatiche: essi contengono un gruppo di testa polare ed una coda apolare. Questa schizofrenia interna determina le caratteristiche biologiche dei lipidi LIPIDI • SEMPLICI (ACIDI GRASSI E ACILGLICEROLI) (Trigliceridi sono lipidi neutri di riserva) FOSFOLIPIDI • COMPOSTI fosfogliceridi SFINGOMIELINA SFINGOLIPIDI Lipidi di membrana polari e anfipatici GLICOLIPIDI Cerebrosidi gangliosidi DERIVATI LIPOIDI : STEROIDI ES COLESTEROLO (LIPIDI NON SAPONIFICABILI ) (perché non hanno cooH e quindi idrolizzati in presenza di basi non possono dare saponi ) Schema importante da sapere! Acidi grassi • I più semplici lipidi, che mostrano le proprietà descritte su, sono gli acidi grassi - acidi carbossilici con una lunga catena idrocarburica • Gli acidi grassi di solito racchiudono un numero pari di atomi di carbonio e se sono presenti doppi legami (insaturazione), essi sono di solito cis. • Il pKa degli acidi grassi è circa 4.5 e a pH fisiologico essi sono presenti cone ioni carbossilici. In questa forma essi possono formare monostrati se a contatto con aria - acqua e micelle se sciolti in acqua. (SOLO però SE RAGGIUNGONO LA Concentrazione micellare critica o CMC! ) nome IUPAC N. atomi C nome corrente ac. metanoico 1 ac. etanoico 2 ac. propanoico 3 ac. butanoico 4 ac. pentanoico 5 ac. esanoico 6 ac. ottanoico 8 ac. decanoico 10 ac. tetradecanoico14 ac. esadecanoico 16 ac. ottadecanoico18 ac. formico ac. acetico ac. propionico ac. butirrico ac. ac. capronico valerianico ac. caprilico ac.caprinico ac. miristico ac. palmitico ac. stearico Lipidi semplici( acidi grassi) catene di [da 14 a 24] atomi di carbonio (C) legati tra loro con un legame singolo (saturi) doppio o triplo (insaturi) valenze libere: legate a atomi di idrogeno (H) primo C = gruppo carbossilico (COOH). Fluidità = f(n,m)= f(lunghezza, grado di saturazione) formula di struttura di un lipide insaturo Acido Grasso Forma ionizzata Un acido grasso è composto da una catena idrocarburica idrofobica a cui è attaccata un gruppo carbossilico idrofilico. Acidi grassi più comuni: Acido palmitico o Palmitato (n=16, m=0) Acido oleico o Oleato (n=18, m=1) Acidi differenti hanno differenti catene modello Space-filling Formula strutturale modello Ball-and-stick Acidi grassi saturi O CH3(CH2)nC OH ac. miristico ac. palmitico ac. stearico ac. arachico ac. beenico ac. lignocerico (n=12) (n=14) (n=16) (n=18) (n=20) (n=22) testa idrofilica HO coda idrofobica H H H HH HH H H H H HH H H H C H O H H H H H HH H H H H H H H H H H H 10 9 12 14 16 18 11 13 15 7 acido oleico 17 carbonio w 5 8 3 6 4 COOH 2 acido oleico 18:1 (w-9) Gli acidi grassi insaturi naturali hanno configurazione cis del doppio legame Nei lipidi gli acidi grassi sono legati al glicerolo (con legame estereo) o alla sfingosina (con legame ammidico) Gliceridi CH2OH C H CH OH 2 HO I gliceridi sono prodotti di esterificazione del glicerolo con acidi grassi CH2OH H C CH2OH HO glicerolo CH2OCOR H C CH2OH HO monogliceride CH2OCOR H C CH2 OCOR HO digliceride CH2OCOR H C RCOO CH2 OCOR trigliceride Trigliceridi • I trigliceridi rappresentano i composti sotto cui è maggiormente immagazzinata l'energia. Sono esteri formati da glicerolo e acidi grassi • Grassi animali e gli oli vegetali sono trigliceridi che differiscono nel loro contenuto di acidi grassi insaturi. • Per idrolisi con NaOH o KOH formano i saponi o Sali sodici o potassici degli acidi grassi che si organizzano secondo una struttura di micelle. • Il nucleo idrofobo della micella di sapone può solubilizzare il sudiciume grasso. • Le cere sono esteri di acidi grassi e lunghe catene alcoliche. Principali lipidi di membrana: fosfolipidi, glicolipidi e colesterolo I più abbondanti sono i fosfolipidi Esempio di fosfolipide: la fosfatidilcolina Ciascun doppio legame forma un ginocchio nella coda. Lipidi di membrana • Tutte le membrane biologiche racchiudono i lipidi come i maggiori costituenti. • I lipidi predominanti nelle membrane, glicerofosfolipidi, sfingolipidi e glicosfingolipidi, racchiudono un gruppo polare e due catene idrocarburiche • Glicerofosfolipdi sono acidi grassi derivanti dal glicerolo-3- fosfato, prodotto del ciclo della glicolisi, o acido fosfatidico • Il gruppo fosfato è esterificato da un' altra funzione alcoolica della colina, etanolammina, ecc. a produrre i differenti fosfolipidi FOSFOLIPIDI 4 sono i principali fosfolipidi della membrana cellulare di molti mammiferi: fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilcolina, and sfingomielina. Solo la testa della fosfotidilserina ha una carica negativa netta, le altre sono neutre a pH fisiologico I 4 fosfolipidi costituiscono più della metà della massa di lipidi della maggior parte delle membrane (tabella) Altri fosfolipidi presenti in basse quantità sonomolto importanti funzionalmente (es: inositol fosfolipide: ha un ruolo cruciale nella trasmissione del segnale) SFINGOLIPIDI CH2OH CH2OH H C NH H C OH H C C ceramide O C H H C NH2 H C OH C H H C (CH2)12 CH3 C18-sfingosina sfingosina Acido grasso Nei lipidi gli acidi grassi sono legati al glicerolo (con legame estereo) o alla sfingosina (con legame ammidico) SFINGOLIPIDI Entrambi i sfingolipidi e i glicosfingolipidi sono derivati acilici degli acidi grassi con sfingosine a catena lunga chiamate ceramidi Nella sfingolmielina uno sfingolipide la ceramide è esterificata con la fosforilcolina. Nei glicosfingolipidi la ceramide è unita ad uno o più zucheri. Sfingolipidi CH2OH CH2OH H C NH H C OH H C C O C H H C NH2 H C OH C H H C (CH2)12 CH3 C18-sfingosina sfingosina + Acido grasso = ceramide Sfingosina-1-fosfato OH O P O O CH2 H C NH2 H C OH H sfingosina C C H CH3 H3C + N O H2 C H2 C O CH3 P O O phosphocholine H2C sphingosine Sphingomyelin OH H C CH NH CH O C fatty acid R HC (CH2 )12 CH3 L’unico fosfolipide dei sfingolipidi è la Sfingomielina I glicolipidi Nei glicolipidi la molecola “portante” è la ceramide (= sfingosina + acido grasso), ma la testa polare è data da un singolo monosaccaride nei cerebrosidi o da una catena ramificata di zuccheri nei gangliosidi colesterolo Il colesterolo un altro lipide della membrana rassomiglia molto poco ai lipidi descritti sopra, essendo infatti solo una molecola anfipatica. Comunque il colesterolo è un importante costituente della membrana poiché ne modula le proprietà del doppio strato formato da lipidi a doppia coda descritti prima E’ il ciclopentano peridrofenantrene con 27 atomi di c e un OH in pos 3) Il colesterolo Il doppio strato lipidico di molte membrane cellulari è composto anche di colesterolo e glicolipidi Le membrane cellulari degli eucarioti contengno un’elevata quantità di colesterolo (fino ad una molecola per fosfolipide) formula disegno schematico modello space-filling Le molecole di colesterolo si orientano con i gruppi idrossili vicini alle teste polari dei fosfolipidi. Il loro anello steroide rigido interagisce con le teste immobilizzandole parzialmente Il colesterolo rende il doppio strato meno deformabile diminuendone la permeabilità a piccole molecole solubili Se da una parte il colesterolo rende il doppio-strato meno fluido, dall’altra (ad alte concentrazioni) impedisce l’impaccamento e quindi la cristallizzazione Il COLESTEROLO serve a mantenere fluide le membrane (anche a basse T): - impedisce il “congelamento” delle membrane; - aumenta la flessibilità e la stabilità meccanica La struttura e la funzione di tutte le membrane cellulari dipende fondamentalmente dai fosfolipidi e da derivati degli steroidi. Le specifiche funzioni di ciascuna membrana dipendono soprattutto dal tipo di proteine presenti su quella specifica membrana Molecole idrofobiche in acqua le molecole d’acqua si organizzano in gabbie che circondano la molecola idrofobica le “gabbie” sono strutture più ordinate dell’acqua circostante la loro formazione aumenta l’energia libera il costo di energia libera è minimizzato se le molecole idrofobiche “clusterizzano” in modo da coinvolgere il numero minimo di molecole d’acqua nella formazione della gabbia Molecole anfipatiche Le molecole Polari o idrofile sono solubili in acqua poichè formano legami ad idrogeno con essa oppure interazioni di tipo ionico. Le molecole Idrofobe o apolari non avendo gruppi ionici non possono formare legami ad idrogeno. Inoltre la presenza di una molecola apolare in acqua causa le molecole d'acqua stesse ad organizzarsi attoreno alla molecola apolare per formare una struttura chiamata CLATRATO. Questa struttura causa un aumento di ordine nell'organizzazione delle molecole d'acqua intorno ad essa con una corrispondente diminuzione di entropia che termodinamicamente non favorisce il processo. La combinazione di mancanza di favorevoli legami ad Idrogeno tra le molecole apolari e l'acqua e una variazione sfavorevole di Entropia spiegano perchè queste molecole apolari hanno una bassissima solubilità in acqua. Si definiscono molecole anfipatiche quelle molecole che hanno una testa polare ed una coda idrofoba non polare Tali molecole hanno una "crisi di identità" nel senso che con la coda apolare non interagiscono favorevolemnete con l'acqua, mentre lo fanno con la testa polare, crisi che viene risolta con la formazione di monostrati, di micelle o di doppi strati. Le molecole anfipatiche con una sola coda apolare ( sali di acidi grassi, detersivi) di solito formano le micelle, mentre molecole con due code polari (fosfolipidi) formano i doppi strati che a loro volta formano strutture chiuse dette vescicole. Le molecole anfipatiche a doppia coda apolare sono alla base della struttura delle membrane cellulari Interazioni dei fosfolipidi con l’acqua 1 2 LIPIDI in biochimica I lipidi più importanti in biochimica umana sono: ACIDI GRASSI TRIGLICERIDI LIPIDI DI MEMBRANA: FOSFOLIPIDI, GLICOLIPIDI e COLESTEROLO ACIDI GRASSI = acidi carbossilici a lunga catena (C16-C18) saturi o insaturi (senza o con doppi legami tra i carboni) Gli acidi grassi sono il principale deposito di energia del nostro organismo (125000 kcal contro le 1800 del glicogeno e le 25000 delle proteine “consumabili”) e sono presenti soprattutto sotto forma di trigliceridi, cioè esterificati al glicerolo. Noi umani non siamo in grado di sintetizzare acidi grassi con doppi legami vicini al metile terminale (w 3): questi acidi grassi insaturi sono detti “essenziali” (linoleico e linolenico) e vanno assunti con la dieta. ACIDI GRASSI… I saponi sono acidi grassi a lunga catena salificati con Na+. I saponi in acqua formano strutture sopramolecolari dette “micelle”: le code apolari degli acidi grassi, che fuggono l’acqua, sono rivolte verso il centro della micella mentre la testa polare (il gruppo carbossilico dissociato –COO-) è rivolto verso l’acqua (interagisce con gli H parzialmente positivi dell’acqua). Il centro della micella è apolare. Sostanza lipofile tenderanno a “sciogliersi” dentro la micella (il sapone “scioglie” la macchie d’unto!). Interazione proteine lipidi nella membrana Porzione esterna (glicosilata) con ponti disolfuro Alfa elica destrogira Dominio citoplasmatico BIOMOLECOLE… TRIGLICERIDI = esteri del glicerolo con 3 acidi grassi I trigliceridi sono i grassi di deposito del nostro organismo, accumulati nel tessuto adiposo, dentro gli adipociti. Il tessuto adiposo è localizzato nel sottocute e intorno agli organi interni. L’idrolisi dei trigliceridi ad acidi grassi e glicerolo (catalizzata dagli enzimi lipasi) e la successiva ossidazione degli acidi grassi nei mitocondri sono la fonte della maggior parte dell’energia prodotta ogni giorno dal nostro metabolismo. L’ossidazione degli acidi grassi nel ciclo di Krebs richiede però la presenza di OAA (dal glucoso)! I trigliceridi non si sciolgono in acqua (non hanno alcuna parte polare nella molecola), ma viaggiano nel sangue ricoperti da una guscio proteico, sotto forma di chilomicroni e di particelle lipoproteiche (VLDV, LDL, HDL). BIOMOLECOLE… LIPIDI DI MEMBRANA I lipidi di membrana comprendono: FOSFOLIPIDI (fosfogliceridi e sfingomieline) GLICOLIPIDI (cerebrosidi e gangliosidi) COLESTEROLO Formano strutture sopramolecolari chiamate doppi strati. FOSFOGLICERIDI Esteri del glicerolo con 2 acidi grassi e una “testa polare” contenente fosfato (da cui il nome fosfogliceridi) che può essere: fosfoetanolammina, fosfo-serina, fosfo-inositolo o fosfo-colina. FOSFOGLICERIDI… FOSFOGLICERIDI… L’inositolo può essere fosforilato in C4 e C5: l’idrolisi della testa polare da parte dell’enzima fosfolipasi C (PLC) genera inositolo 1,4,5-triP (un mobilizzatore di calcio intracellulare) e diacil glicerolo (DAG) che attiva la cinasi PKC: DAG e IP3 sono secondi messaggeri intracellulari! SFINGOMIELINE Nelle sfingomieline, la molecola “portante” è la sfingosina (un amminoalcol), cui sono legati un acido grasso e la testa polare (sempre fosfocolina). sfingosina GLICOLIPIDI Nei glicolipidi la molecola “portante” è di nuovo il ceramide (= sfingosina + acido grasso), come nelle sfingomieline, ma la testa polare è rappresentata da un singolo monosaccaride nei cerebrosidi o da una catena ramificata di zuccheri nei gangliosidi. NON c’è il fosfato! La “testa polare” è formata dallo zucchero o dalla catena di zuccheri. BIOMOLECOLE… COLESTEROLO = struttura a 4 anelli carbociclici condensati. Il colesterolo è un componente importante delle membrane cellulari e dal colesterolo il fegato produce i sali biliari (digestione e assorbimento dei grassi alimentari). L’unica parte polare della molecola è l’OH: nelle membrane l’ossidrile si orienta verso la fase acquosa (intra- o extra-cellulare) e il resto della molecola (che è planare) si infila in mezzo alle code degli acidi grassi. Il colesterolo impedisce l’impaccamento delle code degli acidi grassi e assicura fluidità alle membrane. Nel plasma il colesterolo viaggia all’interno delle lipoproteine (HDL e LDL).