classe eterogenea di composti presenti nei tessuti animali e vegetali che hanno in comune l’insolubilità in acqua Concetti importanti 1) La viscosità di una membrana lipidica dipende in gran parte dal fatto che le catene aciliche legate ai glicerofosfolipidi siano raggruppate in uno stato rigido oppure esistano in uno stato relativamente disordinato, fluido. 2) Gli acidi grassi a catena lunga saturi massimizzano le forze di van der Waals e aumentano la viscosità della membrana. 3) Fluidità: facilità di movimento (inverso della viscosità) I lipidi si caratterizzano per una grandissima quantità di funzioni biologiche: sono le principali forme di riserva di energia dell’organismo, liberata poi attraverso le reazioni di ossidazione. Un’altra funzione dei lipidi è quella strutturale, su cui ritorneremo frequentemente, imparando come l’organismo si sia strutturato ed organizzato in maniera efficiente proprio delimitando porzioni di spazio in cui strutture idrofobiche e idrofile regolano il passaggio di sostanze da una parte all’altra delle membrane. Queste tra tante altre funzioni: funzione di trasduzione del segnale come messaggeri intracellulari (ormoni, mediatori dell’infiammazione), coinvolgimento nei processi digestivi (sali biliari e lipoproteine), cofattori enzimatici, vitamine, ecc… L’unica struttura che possiamo riconoscere comune a molti di questi lipidi sono proprio gli acidi grassi, di cui parleremo in maniera prevalente: si tratta di acidi carbossilici (gruppo carbossilico in cima alla catena) costituiti da un numero di atomi di carbonio superiore a 4. Perché? I lipidi sarebbero per definizione insolubili in acqua e solubili in solventi organici. Acidi grassi a corta catena sono solubili in acqua a causa della loro ridotta catena carboniosa, e vengono per questo generalmente catalogati come semplici acidi carbossilici. Questo perché il gruppo carbossilico di per sé è un gruppo polare che può dissociarsi in acqua, come sostanza acida. Solubilizzandosi, riuscirà a portare in soluzione con sé anche una porzione di atomi di carbonio della catena: fintanto che la molecola è piccola, il gruppo carbossilico riuscirà a rendere solubile quella molecola. Esempio: nell’ acido acetico o acetato (uso del suffisso “ato” per sottintendere che la molecola si è dissociata), il gruppo metilico CH3 è di per sé idrofobico, ma la solubilità del gruppo carbossilico è tale da rendere la molecola solubile. Se la catena si allunga abbiamo l’acido propionico, anche questo solubile. Dall’acido butirrico in poi la solubilità diventa minima, e tanto più si allunga la catena, tanto più la molecola acquisisce caratteristiche idrofobiche e risulta insolubile in acqua. All’aumentare della lunghezza della catena idrocarboniosa, diminuisce il contributo relativo del gruppo funzionale alle proprietà fisiche della molecola e minore è la solubilità in acqua del composto. Proporzionalmente aumenta il loro punto di fusione. ----------LA SOLUBILITA’ E’ INFLEUNZATA DAL NUMERO E DAL TIPO DI GRUPPI FUNZIONALI ALL’INTERNO DELLA CATENA IDROCARBURICA. Ce lo insegna la natura che è possibile cambiare le caratteristiche di una molecola semplicemente aggiungendo dei gruppi polari all’interno della molecola: ad esempio il fegato (centrale energetica del nostro metabolismo e regolatore dell’omeostasi di glucidi, lipidi, …) svolge una funzione di detossicazione grazie alla sua capacità di rendere più solubili le sostanze per poterle poi eliminare con le urine. (Nell’ultimissimo periodo il nostro fegato si sta anche confrontando con sostanze esogene come i farmaci e gli inquinanti ambientali, e certe volte nel tentativo di rendere più solubili queste molecole le rende anche più reattive, inserendo dei gruppi ossidrilici che solubilizzano sì la molecola, ma la rendono talvolta tossica per l’organismo. Tanti farmaci agiscono così: non sono attivi finché non passano dal fegato. In questo modo funzionano anche alcuni cancerogeni.) Consideriamo quindi sempre questo aspetto di modificare la solubilità della molecola in acqua, perché sostanze idrofiliche possano interagire tra di loro in soluzione. Come è possibile riconoscere in questa figura, gli acidi grassi in genere si riconoscono e si distinguono l’uno dall’altro perché hanno una lunghezza della catena che aumenta di volta in volta di 2 atomi di carbonio. Ovviamente non esistono solo acidi grassi a numero pari di atomi di carbonio, anzi studieremo un processo metabolico che è in grado di utilizzare quegli acidi grassi, in genere di origine vegetale, a numero dispari di atomo di carbonio. In generale nel nostro organismo sono presenti più comunemente acidi grassi a catena non ramificata con numero pari di atomi di carbonio: questa caratteristica deriva dal sistema di sintesi degli acidi grassi, che comporta la condensazione successiva di unità a due di atomi di carbonio. La lunghezza della catena e il grado di insaturazione influenzano moltissimo sulle caratteristiche fisicochimiche dell’acido grasso. ------IMPORTANZA DEI DOPPI LEGAMI negli acidi grassi: GLI ACIDI GRASSI SONO CLASSIFICATI IN BASE ALLA STRUTTURA DELLA CATENA IDROCARBURICA SATURI - senza doppi legami catena satura in H, completamente ridotta MONOINSATURI - un doppio legame POLINSATURI - almeno due doppi legami I doppi legami sono in genere nella forma stereoisomera cis (I doppi legami tra due atomi di carbonio di una molecola organica sono formati da un legame σ e un legame π, ai quali sono associate energie di legame differenti, per cui l'apertura del doppio legame avviene sempre rompendo il legame meno forte, che è il legame π.) Possiamo innanzitutto fare una prima distinzione a riguardo della posizione dei doppi legami, a seconda del tipo di legame che c’è tra di essi e la distanza che li separa: cumulati: se legano atomi di carbonio tra loro contigui coniugati: se sono intervallati da un legame singolo (nube elettronica delocalizzata, ibridi sp2) isolati: se non rientrano nei casi precedenti A causa dell’impossibilità di rotazione intorno al doppio legame gli acidi grassi insaturi presentano anche isomeria cis-trans: 1) di tipo cis sempre nelle sostanze naturali. Il doppio legame ha due caratteristiche fondamentali: atomi di carbonio ibridi, non può ruotare sull’asse in quel punto la catena idrocarburica rimarrà necessariamente forzata a quella disposizione spaziale. La catena forma una sorta di flessione di 30 gradi. 2) di tipo trans, disposizione rigida ma lineare La presenza di più doppi legami comporta necessariamente una distanza di tre atomi di carbonio tra un doppio legame e l’altro. Consideriamo che la presenza di doppi legami trans può essere un’importante indicazione di “artefazione” dell’alimento, ovvero indice di conservazione sintetica e non naturale. - Il doppio legame interferisce anche sulla temperatura di fusione: Gli acidi grassi saturi presentano un punto di fusione proporzionale alla lunghezza della catena carboniosa che li caratterizza. Tanto più rimangono lunghe e distese, tanto più le catene degli acidi grassi riusciranno ad impacchettarsi. L'insaturazione causa un abbassamento del punto di fusione e il motivo del differente punto di fusione può essere ricercato nel minor numero di legami deboli (dipoli temporanei del tipo Van der Waals) che sono in grado di stabilire tra loro molecole non lineari. Il doppio legame, soprattutto se di tipo CIS, inserisce un ripiegamento nella struttura della molecola che ne compromette la e impedisce ai grassi insaturi di impacchettarsi strettamente come i grassi saturi, e ciò li rende liquidi a temperatura ambiente. --------- Il punto di fusione degli acidi grassi diminuisce all’aumentare del numero di insaturazioni. • Le sostanze lipidiche ricche di acidi grassi saturi sono solide a temperatura ambiente → “grassi” • Le sostanze lipidiche ricche di acidi grassi insaturi o polinsaturi sono liquide a temperatura ambiente → “oli” Infatti i lipidi di origine animale (contenuti abbondantemente in burro, strutto e sego e costituiti principalmente da acidi grassi saturi) sono solidi a temperatura ambiente. I grassi vegetali, invece, contengono acidi grassi insaturi e sono liquidi a temperatura ambiente, e sono detti oli. Gli acidi grassi non si trovano liberi ma in forma legata al glicerolo mediante legame estere Negli alimenti gli acidi grassi sono presenti come TRIACILGLICEROLI (detti anche TRIGLICERIDI): sono composti neutri, completamente apolari, insolubili in acqua. Nomenclatura Gli acidi carbossilici la cui catena carboniosa sia costituita da almeno 4 carboni prendono il nome comune di acidi grassi. Esistono diversi termini per gli acidi grassi che permettono la loro classificazione in gruppi in base ad alcune caratteristiche di rilievo. Tra gli acidi grassi, il più piccolo, l’acido butirrico deriva dalla sua principale localizzazione: il burro. Come questo, molti degli acidi grassi, oltre ad avere dei nomi secondo il Sistema Internazionale, hanno anche dei nomi più comuni: acido palmitico, acido caproico, acido arachidico. L’acido palmitico è un rappresentante degli acidi grassi saturi. Queste molecole possono essere riconosciute in base al numero di atomi di carbonio della doppia catena, al numero di insaturazioni e ramificazioni. Per indicare il numero dei carboni che compongono la catena dell'acido grasso e il numero di doppi legami si usa l'espressione C numero di carboni: numero doppi legami. La posizione dei doppi legami può essere indicata come distanza del primo legame dal carbonio carbossilico (nomenclatura DELTA Δ) o dell'ultimo legame dal fondo della catena (nomenclatura OMEGA ω). Nel caso in cui sono presenti più doppi legami la nomenclatura non varia, perché la posizione di uno indica implicitamente anche quella degli altri. Ad esempio l'acido linolenico, C18:2, può essere indicato come Δ9 oppure ω3. ACIDO STEARICO= 18:0, 18 atomi di Carbonio, 0 insaturazioni ACIDO OLEICO= 18:1, Δ9 (unico doppio legame in posizione 9) ACIDO LINOLEICO=18:2 ω 6 (collocazione del doppio legame partendo dall’ultimo atomo della catena) ACIDO LINOLENICO=18:3, ω3 negli organismi superiori esistono degli enzimi che riescono ad inserire dei doppi legami: il più comune e attivo è la Δ9DESATURASI (lo spazio presente tra il doppio legame e il gruppo carbossilico è di 9 atomi di carbonio). Acidi grassi essenziali----- il nostro organismo non può sintetizzarli( non può inserire doppi legami oltre la posizione 9 nella catena) : il corpo umano può produrre tutti gli acidi grassi dei quali ha bisogno tranne 2, l'acido linoleico (LA) e l'α-linolenico (LNA), che sono perciò considerati essenziali, cioè da assumere con la dieta. Sono le loro caratteristiche di fluidità peculiari a contraddistinguerli: il numero elevato di ripiegamenti, che rende la struttura del complesso molecolare più fluida, si traduce nella capacità di intervenire attivamente nelle membrane (funzione strutturale), garantendo una possibilità di movimento della cellula stessa. Esistono anche dei meccanismi che regolano la composizione degli acidi grassi dei fosfolipidi di membrana La cellula continuamente scambia gli acidi grassi all’interno del doppio strato lipidico a seconda della situazione metabolica e della funzione che deve svolgere in quel momento. Una importante funzionalità da garantire è che le proteine possano muoversi all’interno della membrana stessa - si parla di MESOFASE LIQUIDO-CRISTALLINA perché alla temperatura corporea le due superfici interna ed esterna della membrana, là dove ci sono le interazioni idrofiliche sono di tipo cristallino, ma all’interno Il cuore morbido della membrana è caratterizzato dai lipidi. Il giusto grado di fluidità viene raggiunto da un’attenta regolazione della composizione degli acidi grassi in termini di posizione e presenza di doppi legami e eventualmente dalla presenza del colesterolo. COLESTEROLO: riesce ad inserirsi all’interno del doppio strato fosfolipidico come una struttura rigida e compatta, negli spazi lasciati dai ripiegamenti dei doppi legami. Grazie alla sua peculiare posizione all’interno delle membrane cellulari, il colesterolo permette una maggiore fluidità delle membrane a basse temperature (quando le code apolari degli acidi grassi tenderebbero ad addossarsi strettamente tra loro) e garantisce invece una fluidità limitata delle membrane alle alte temperature. Esempio: Se andiamo a misurare e analizzare il contenuto di acidi grassi insaturi nelle zampe delle renne, ne troveremo un numero molto alto. Questa caratteristica è funzionale al mantenere lo stesso livello di fluidità nella membrana, anche a delle basse temperature come quelle a cui sono sottoposte le cellule delle zampe di questi animali. Questo ci dice anche che in base al tipo di funzione che deve svolgere, è la cellula stessa in grado di trovare un livello di fluidità ottimale, difatti esistono tanti meccanismi e processi in grado di controllare e mantenere nella membrana un grado di fluidità adeguato. Reattività DEI GRUPPI FUNZIONALI presenti negli acidi grassi - Gruppo carbossilico: considerando la sua capacità di dissociazione acida, a livello dell’ossidrile(-OH) con delle caratteristiche tali che ne permettono la dissociazione a PH NEUTRO. È coinvolto in reazioni acido-base. Gruppo carbonilico: puro in aldeidi e chetoni, nel caso degli acidi grassi mantiene la caratteristica di dipolo permanente, ma la sua reattività è condizionata dalla presenza dell’altro atomo di ossigeno nel gruppo OH. Legame tra il CARBONIO CARBOSSILICO e CARBONIO IN ALFA che descriveremo come reazioni di decarbossilazione Altre reazioni caratteristiche di minore impatto nel metabolismo cellulare, se non per quanto riguarda la loro azione sui carboni della catena idrocarburica. Iniziamo dalla reazione più complessa, quella del gruppo carbonilico: ibrido sp2, dipolo permanente il gruppo è in grado di sviluppare reazioni di somma nucleofila L’atomo di ossigeno, così come avviene nei processi di emiacetalizzazione, diverrebbe un gruppo ossidrilico. Nella struttura molecolare di un composto organico, non è condizione di stabilità nelle molecole la presenza di due gruppi ossidrilici contemporaneamente sullo stesso atomo di carbonio. La reazione di somma in realtà procede quindi immediatamente dopo con un’eliminazione del gruppo ossidrilico sotto forma di acqua. Dobbiamo considerare di sviluppare delle reazioni di somma nucleofila seguita da eliminazione di acqua: la reazione avviene come per sostituzione di un componente. Cosa avviene in pratica? Il deficit elettronico del carbonio carbonilico/carbossilico (dove c’è una frazione di carica positiva) può essere sanato da una specie nucleofila che metta a disposizione una propria coppia elettronica per formare con questo un nuovo legame. Si ha in questo caso una addizione. Se al gruppo carbonilico è legato un buon gruppo uscente, cioè un gruppo caratterizzato da una buona stabilità anche quando staccato dal gruppo carbonilico, all' addizione può seguire la eliminazione di questo, dando complessivamente una sostituzione. Il carbonio carbonilico, caratterizzato da una parziale carica positiva, è un buon punto di attacco per una sostanza nucleofila. L'ossidrilel ha le carte in regola per esserlo, grazie alle due coppie elettroniche di non legame che caratterizzano l'ossigeno. La compartecipazione di una delle due coppie di non legame carica l'ossigeno positivamente. Da tale ossigeno si può staccare il protone, ripristinando l'acido che aveva catalizzato l'attacco nucleofilo. L'emiacetale che si forma è dunque caratterizzato da un gruppo OH (originariamente =O carbonilico) e da un gruppo OR. Non si lega nel carbonio perché la molecola diverrebbe altamente instabile, anche se la naturale tendenza del protone sarebbe quella di legarsi all’ossianione. Qual è la differenza con la reazione di emiacetalizzazione? La presenza del gruppo carbossilico L'acido che aveva catalizzato la prima parte della reazione può catalizzare una seconda parte, se si lega al gruppo idrossilico. Tale legame è favorito dalla possibilità di questo gruppo di uscire come H2O. Il carbocatione che si forma è stabilizzato dall'attacco nucleofilo da parte di una seconda molecola di alcol. Tale alcol, dopo la formazione del legame, libera H+, ripristinando il catalizzatore. ---Il gruppo carbonilico è inalterato, X rimane al posto di OH. L’ossidrile del gruppo carbossilico è molto stabile grazie alla sua possibilità di risonanza: da un punto di vista termodinamico la reazione sarebbe ulteriormente sfavorita. MA i prodotti avranno un livello di energia più bassa dei reagenti, se non faccio reagire l’acido carbossilico come tale, ma sostituisco prima il gruppo ossidrile con un gruppo fosforico (composto che in forma libera ha numerosissime strutture di risonanza). LEGAME ANIDRIDICO Un’anidride in chimica organica è un composto formato dall’unione di due acidi, in questo caso acido carbossilico e acido fosforico con eliminazione di una molecola di acqua e unione tramite un atomo di ossigeno. L’energia con cui le cellule riescono a compiere il loro lavoro deriva in gran parte da reazioni esoergoniche come questa. In questo caso il protone è dissociato dal prodotto intermedio, questo si andrà a legare necessariamente con uno dei doppietti liberi degli ossigeni del fosfato. La stabilità di questo composto trascina la reazione fino alla formazione del prodotto finale dove X si è sostituito al fosfato.
