I lipidi

I LIPIDI

I lipidi biologici sono un gruppo eterogeneo di composti chimici diversi, la cui proprietà comune più rilevante è l'insolubilità nell'acqua. I grassi e gli oli sono le principali forme di conservazione dell'energie in molti tipi di organismi, mentre i fosfolipidi e gli steroli costituiscono più della metà della massa delle membrane biologiche. Altri lipidi, presenti in piccole quantità, svolgono funzioni importanti come cofattori, trasportatori di elettroni, punti di formazione di interazioni idrofobiche, ormoni e messaggeri intracellulari.

Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con una catena idrocarburica composta da 4 a 36 atomi di carbonio. Il alcuni acidi grassi questa catena è completamente satura e non è ramificata, in altri sono presenti uno o più doppi legami.

Una nomenclatura semplificata di questi composti specifica la lunghezza della catena ed il numero di doppi legami, separati da due punti: per esempio l'acido palmitico saturo a 16 atomi di carbonio si abbrevia a 16 : 0. le posizioni dei doppi legami vengono specificate con una soprascritta che segue il simbolo ∆. Il numero pari degli atomi di carbonio deriva dal sistema implicato nella sintesi di questi composti, che coinvolge la condensazione di unità di acetato. I doppi legami di quasi tutti gli acidi grassi presenti in natura sono nella configurazione cis. Le proprietà fisiche degli acidi grassi e dei composti che li contengono sono influenzate fortemente dalla lunghezza della catena idrocarburica e dal numero di doppi legami presenti nella molecola. Tanto più lunga è la catena acilica e limitato il numero dei doppi legami, tanto più bassa è la sua solubilità in acqua. I lipidi più semplici costruiti a partire dagli acidi grassi sono i triacilgliceroli, chiamati anche trigliceridi, grassi o grassi neutri. I triacilgliceroli sono composti da tre acidi grassi ognuno legato con un legame estere con un gruppo ossidrilico di una molecola di glicerolo. Poiché i gruppi ossidrilici polari del glicerolo e i gruppi carbossilici polari degli acidi grassi sono uniti da un legame estere, i triacilgliceroli sono molecole non polari, idrofobiche ed essenzialmente insolubili in acqua. Nella maggior parte delle cellule eucariote, i triacilgliceroli costituiscono un deposito di sostanze energetiche. Come depositi energetici, i triacilgliceroli hanno due significativi vantaggi rispetto ai polisaccaridi come il glicogeno e l'amido. Gli atomi di carbonio degli acidi grassi sono più ridotti di quelli degli zuccheri e l'ossidazione dei triacilgliceroli rende una quantità di energia due volte più grande di quella liberata da una pari quantità di carboidrati. La maggior parte dei grassi naturali, quelli presenti negli oli vegetali, latticini e grasso animale, è costituita da miscele complesse di triacilgliceroli. I cibi ricchi di lipidi, quando sono esposti per lungo tempo all'ossigeno atmosferico, possono diventare rancidi, a causa della rottura ossidativi dei doppi legami degli acidi grassi insaturi con formazione di aldeidi e acidi carbossilici a catena più corta e quindi più facilmente volatili.

Le membrane contengono diverse classi di lipidi in cui due molecole di acido grasso sono legate con un legame estere agli atomi di carbonio C-1 e C-2 del glicerolo a una testa altamente polare o carica è legata all'atomo di carbonio C-3. i lipidi polari più abbondanti nelle membrane sono i glicerofosfolipidi. Nei glicerofosfolipidi, un alcol polare è legato al C-3 del glicerolo mediante u ponte fosfodiestere.

Gli sfingolipidi, la seconda grande classe di lipidi di membrana, hanno una testa polare e due code non polari, ma a differenza dei glicerofosfolipidi non contengono glicerolo. Gli sfingolipidi sono composti da una molecola dell'ammino-alcol a lunga catena sfingosina o un suo derivato, da una molecola di acido grasso e da una testa polare alcolica e, in alcuni casi, da un gruppo fosforico che forma un ponte fosfodiesterico tra la testa polare e la sfingosina. Quando un acido grasso viene legato con un legame ammidico al gruppo NH della sfingosina, si forma un ceramide, che è strutturalmente simile a un diacilglicerolo. Il ceramide è l'unità fondamentale comune a tutti gli sfingolipidi. Gli steroli sono lipidi strutturali presenti nella membrana di molte cellule eucaristiche. La loro caratteristica strutturale è il nucleo steroideo costituito da quattro anelli fusi, tre a sei atomi di carbonio e uno a cinque atomi. Il colesterolo, il principale sterolo dei tessuti animali, è anfipatico, con una testa polare e un corpo idrocarburico non polare, lungo, nella sua forma estesa, come un acido a 16 atomi di carbonio. ( testa polare, nucleo steroideo, catena laterale alchilica). Quando i lipidi anfipatici vengono mescolati con acqua, si possono ottenere tre tipi di aggregati. Le micelle sono strutture sferiche relativamente piccole che contengono da poche dozzine a qualche migliaio di molecole di lipidi disposte in modo che le loro parti idrofobiche siano all'interno della struttura e le parti idrofiliche siano esposte sulla superficie, in contatto con l'acqua. Un secondo tipo di aggregato lipidico in acqua è il doppio strato, in cui due strati lipidici si combinano in modo da formare un foglietto bidimensionale. Quando un doppio strato lipidico si rinchiude su se stesso genera una sfera chiamata liposoma o vescicola, i doppi strati perdono in questo modo l'idrofobicità dei bordi che nella struttura aperta restano scoperti e acquistano la massima stabilità nell'ambiente acquoso. Queste vescicole a doppio strato formano un compartimento acquoso interno separato dall'ambiente circostante.

Le proteine e i lipidi polari rappresentano la quasi totalità della massa delle membrane biologiche; la piccola quantità di carboidrati presenti nelle membrane fanno parte in genere delle glicoproteine o dei glicolipidi. Le quantità relative di lipidi e di proteine variano a seconda del tipi di membrana. Certe proteine di membrana sono legate covalentemente a una o più molecole di lipidi, che servono probabilmente da ancora idrofobica per mantenere le proteine sulla membrana. Tutte le membrane biologiche presentano alcune proprietà fondamentali: sono impermeabili alla maggior parte dei soluti carichi o polari, ma sono permeabili ai composti non polari. Un esempio di membrana è il modello a mosaico fluido. I fosfolipidi anfipatici e gli steroli formano un doppio strato, con le regioni non polari dei lipidi rivolte verso l'interno, e le teste polari che guardano invece verso l'esterno. Le proteine globulari sono immerse in questo doppio strato lipidico ad intervalli regolari, tenute nella posizione correttala interazioni idrofobiche tra i lipidi di membrana e i domini idrofobici della proteina. Alcune proteine sporgono da un lato o dall'atro della membrana, altre invece la attraversano completamente.

La fluidità dei mosaico di membrana è data dal fatto che le interazioni tra i lipidi e tra i lipidi e le proteine sono covalenti, lasciando ogni molecola libera di spostarsi lateralmente nel piano della membrana.

Il grado di fluidità di un doppio strato dipinte dalla composizione lipidica e dalla temperatura. A bassa temperatura, i movimenti sono molto limitati e il doppio strato è in una struttura quasi cristallina. Sopra una certa temperatura, i lipidi possono muoversi liberamente e velocemente. La temperatura di transizione tra lo stato fluido a quello solido dipende dalla composizione lipidica della membrana. Il contenuto in colesterolo è un altro determinante della temperatura di transizione di una membrana, ne regola la temperatura. Le glicoproteine della membrana plasmatica hanno sempre i loro residui saccaridici sulla superficie esterna della cellula.

Ogni cellula deve recuperare dal suo ambiente circostante il materiale grezzo che le serve per la biosintesi e per la produzione di energia e deve rilasciare sempre nell'ambiente gli scarti del metabolismo. La membrana plasmatica contiene proteine che riconoscono in modo specifico e trasportano verso l'interno della cellula sostanze come gli zuccheri, gli amminoacidi e gli ioni inorganici. In alcuni casi, questi composti vengono trasportati all'interno delle cellula contro un gradiente di concentrazione, cioè vengono pompati all'interno. Altri composti vengono invece pompati all'esterno per mantenere la loro concentrazione citosolica più bassa di quella del mezzo circostante. A parte poche eccezioni, il traffico delle piccole molecole attraverso la membrana plasmatica avviene ad opera di processi mediati da proteine, mediante canali transmembrana, trasportatori o pompe.

Quando due compartimenti acquosi contenenti concentrazioni diverse di un composto solubile o di uno ione sono separati da una membrana permeabile, il soluto si muove per diffusione semplice dalla regione ad alta concentrazione verso quella a bassa concentrazione, fino a che i due compartimenti non raggiungono una concentrazione di soluto uguale. Negli organismi viventi la diffusione semplice viene impedita da barriere selettive permeabili. Per passare attraverso un doppio strato lipidico, un soluto polare o carico deve rompere le interazioni e perdere le sue molecole d'acqua di idratazione, poi diffondere per 3 nm attraverso un solvente in cui è poco solubile, raggiungere l'altro lato della membrana e riacquistare l'acqua d'idratazione. Il passaggio transmembrana di composti polari o di ioni viene reso possibile da proteine di membrana che passano l'energia di attivazione per il trasporto, generando una via alternativa di attraversamento per uno specifico soluto. Le proteine che hanno la capacità di produrre questa diffusione facilitata o trasporto passivo non sono enzimi, poiché spostano i loro substrati da un compartimento all'altro senza modificarli chimicamente. Le proteine di membrana che accelerano il passaggio di un soluto attraverso la membrana per diffusione facilitata vengono chiamate trasportatori o permeasi. Quando un trasporto trasferisce più di un composto da un lato all'altro della membrana, siamo di fronte a sistemi di cotrasporto. Se i due soluti si muovono in direzioni opposte, il sistema viene detto antiporto. Nel sinporto, i due substrati si muovono simultaneamente nella stessa direzione. Le permeasi che trasportano un solo substrato, vengono detti sistemi uniporto. Il trasporto attivo sposta il soluto contro gradiente di concentrazione. Nel trasporto attivo primario, l'accumulo del soluto è accoppiato direttamente a una reazione esoergonica. Il trasporto attivo secondario avviene quando a un flusso endoergonico contro gradiente, di un soluto è accoppiato a un flusso esoergonico nella direzione del gradiente, di un soluto diverso che era stato precedentemente accumulato da un trasporto attivo primario su un lato della membrana. Tutte le cellule mantengono nel loro interno una concentrazione di ioni sodio più bassa e una concentrazione di ioni potassio più elevata delle concentrazioni di questi elementi nel mezzo circostante. Questa differenza viene stabilita e poi mantenuta da un sistema primario di trasporto attivo presente nella membrana plasmatica e costituito dall'enzima Na K ATPasi, che accoppia la demolizione dell'ATP al contemporaneo movimento degli ioni Na e K contro i loro gradienti di concentrazione. per ogni molecola di ATP convertita in ADP e Pi, il trasportatore porta dentro la cellula due ioni K ed espelle tre ioni Na , facendo attraversare loro la membrana plasmatica. Questo genera un potenziale elettrico essenziale per la trasmissione dei segnali nei neuroni.

Una terza via che gli ioni hanno a disposizione per attraversare la membrana è rappresentata dai canali ionici. I canali sono specifici per un determinato ione e, una volta aperti, mettono in comunicazione diretta i due compartimenti. Il trasporto avviene sempre in favore del gradiente chimico.