I lipidi sono una classe di biomolecole che è definita dalla loro solubilità in solventi organici, come il cloroformio, e la loro relativa insolubilità in acqua. Le interazioni tra i lipidi e dei lipidi con altre biomolecole derivano in gran parte dalla loro natura idrofoba (“che odia l’acqua”). I lipidi possono essere divisi in due categorie principali in base alla loro struttura: quelli che sono basati su acidi grassi e quelli che sono basati su isoprene, una catena ramificata a cinque carboni.
Lipidi a base di acidi grassi
Gli acidi grassi sono acidi carbossilici non ramificati, solitamente contenenti un numero pari di atomi di carbonio (tra 12 e 24, inclusi). Se non ci sono doppi legami tra gli atomi di carbonio, l’acido grasso è saturo; se ci sono doppi legami tra gli atomi di carbonio, l’acido grasso è insaturo. Gli acidi grassi insaturi presenti in natura hanno da uno a sei doppi legami, con i doppi legami separati da almeno due legami singoli; i doppi legami hanno la configurazione cis. Questi doppi legami inibiscono il “confezionamento” delle molecole (nei solidi), che abbassa il punto di fusione degli acidi grassi. Molte proprietà fisiche delle sostanze lipidiche sono determinate dal grado di insaturazione. Gli acidi grassi polinsaturi omega-3 ( ω -3), così chiamati perché il doppio legame tra il terzultimo ( ω -3) e il quartultimo ( ω -4) carboni, si trovano comunemente nei pesci d’acqua fredda e si pensa abbiano un ruolo importante in molte funzioni neurologiche.
In risposta a condizioni di stress, vari tessuti convertono gli acidi grassi polinsaturi con venti carboni in una famiglia di composti chiamati eicosanoidi. Gli eicosanoidi includono prostaglandine, trombossani, prostacicline e leucotrieni, e sono generalmente coinvolti nell’infiammazione e nella sensazione di dolore. L’aspirina, l’acetaminofene e altri analgesici funzionano inibendo le reazioni iniziali richieste per la conversione degli acidi grassi in eicosanoidi.
Il gruppo acido carbossilico di una molecola di acido grasso fornisce un posto conveniente per collegare l’acido grasso a un alcool, tramite un legame estere. Se l’acido grasso si lega ad un alcool con una lunga catena di carbonio, la sostanza risultante è chiamata cera. Le cere sono molto idrofobiche e quindi respingono l’acqua. Il glicerolo, un composto a tre carboni con un gruppo alcolico ad ogni carbonio, forma molto comunemente esteri con gli acidi grassi. Quando il glicerolo e una molecola di acido grasso sono combinati, la porzione di acido grasso del composto risultante è chiamata gruppo “acile”, e la porzione di glicerolo è chiamata “gliceride”. Usando questo sistema di nomenclatura, un triacilgliceride ha tre acidi grassi attaccati ad una singola molecola di glicerolo; a volte questo nome viene abbreviato in “trigliceride”. Le sostanze trigliceridi sono comunemente indicate come
grassi o oli, a seconda che siano solidi o liquidi a temperatura ambiente. I trigliceridi sono una riserva di energia nei sistemi biologici. I diacilgliceridi si trovano comunemente in natura con catene aciliche a due carboni adiacenti e sono la base della chimica dei fosfolipidi.
Lipidi a base di isoprene
L’altra classe di molecole lipidiche, basata su una struttura ramificata a cinque carboni chiamata isoprene, fu identificata per la prima volta attraverso la distillazione a vapore di materiali vegetali. Gli estratti sono chiamati “oli essenziali”. Sono spesso fragranti e vengono usati come medicine, spezie e profumi. Una grande varietà di strutture è ottenuta dalla fusione di unità monomeriche di isoprene, portando ad un insieme molto vario di composti, tra cui terpeni, come il β-carotene, pinene (trementina), e carvone (olio di menta verde); e steroidi, come il testosterone, colesterolo, ed estrogeni .
Organizzazione dei lipidi
“Come l’olio e l’acqua” è un detto basato sulla minima interazione dei lipidi con l’acqua. Sebbene questo detto sia appropriato per i lipidi a base di isoprene e per i lipidi voluminosi a base di acidi grassi come le cere e i trigliceridi, non è appropriato per tutti i lipidi (ad esempio, non si applica alle sostanze composte da acidi grassi o diacilgliceridi).
Gli acidi grassi e i diacilgliceridi sono spesso anfipatici; cioè, la “testa” di acido carbossilico è idrofila e la “coda” di idrocarburi è idrofoba. Quando una sostanza di acido grasso o trigliceride è posta in acqua, si formano strutture che massimizzano le interazioni delle teste idrofile con l’acqua e minimizzano le interazioni delle code idrofobiche con l’acqua. A basse concentrazioni di lipidi si forma un monostrato, con le teste idrofile che si associano alle molecole d’acqua e le code idrofobiche che “puntano” direttamente nell’aria (vedi figura 2).
All’aumentare della concentrazione di lipidi, la superficie disponibile per la formazione del monostrato si riduce, portando alla formazione di strutture alternative (a seconda del particolare lipide e delle condizioni). I composti che hanno un gruppo di testa relativamente grande e un piccolo gruppo di coda, come gli acidi grassi e i detergenti, formano strutture sferiche note come micelle. La concentrazione di lipidi necessaria per la formazione delle micelle è detta concentrazione critica delle micelle (CMC). Altre molecole idrofobiche, come le molecole all’interno dello sporco, i triacilgliceridi e altre grandi molecole organiche, si associano alla porzione di coda idrofoba di una micella.
I composti che hanno teste e code di dimensioni approssimativamente uguali tendono a formare bilayer invece di micelle. In queste strutture, due monostrati di molecole lipidiche si associano coda a coda, minimizzando così il contatto delle porzioni idrofobiche con l’acqua e massimizzando le interazioni idrofile. Le molecole lipidiche possono muoversi lateralmente (all’interno di un singolo strato del bilayer, chiamato foglietto), ma il movimento da un foglietto al foglietto opposto è molto più difficile.
H 2 CO: 2(l) + 4 + 6 = 12
Spesso questi foglietti del bilayer possono avvolgersi in modo da formare strutture sferiche, chiamate vescicole o liposomi (a seconda delle loro dimensioni). Molti nuovi trattamenti anticancro si basano sul confezionamento di chemioterapici
agenti all’interno dei liposomi e poi dirigere i liposomi verso uno specifico tessuto bersaglio.
I lipidi possono anche formare strutture insieme a varie proteine. Una membrana cellulare consiste in un bilayer lipidico che trattiene al suo interno una varietà di proteine che o attraversano il bilayer o sono associate più liberamente al bilayer. Il colesterolo può inserirsi nel bilayer, e questo aiuta a regolare la fluidità della membrana.
Una varietà di complessi lipido-proteici sono usati nel corpo per trasportare lipidi relativamente insolubili in acqua, come trigliceridi e colesterolo, nel sangue circolante. Questi complessi sono comunemente chiamati lipoproteine; contengono sia proteine che lipidi in concentrazioni variabili. La densità di queste lipoproteine dipende dalla quantità relativa di proteine, perché i lipidi sono meno densi delle proteine. Le lipoproteine a bassa densità, o LDL, hanno un rapporto di lipidi e proteine relativamente più alto. Le LDL servono a trasportare il colesterolo e i trigliceridi dal fegato ai tessuti. Al contrario, le LDL ad alta densità
Le lipoproteine, o HDL, hanno un rapporto relativamente più basso di lipidi e proteine e sono utilizzate nella rimozione del colesterolo e dei grassi dai tessuti.
Funzioni dei lipidi
I lipidi svolgono una varietà di compiti nei sistemi biologici. Terpeni, steroidi ed eicosanoidi agiscono come molecole di comunicazione, sia con altri organismi che con altre cellule all’interno dello stesso organismo. Gli atomi di carbonio altamente ridotti nei trigliceridi contribuiscono a rendere i grassi un composto ideale per lo stoccaggio di energia.
Alcune delle funzioni dei lipidi sono legate alle strutture che formano. La formazione di micelle caratteristica degli acidi grassi, dei detergenti e dei saponi in soluzione acquosa aiuta a dissolvere lo sporco e altri materiali idrofobici. I bilayer lipidici svolgono molti ruoli vitali. I liposomi sono usati per consegnare farmaci ai tessuti desiderati. Una membrana cellulare, a causa del suo nucleo idrofobico, è una barriera sostanziale al passaggio degli ioni, permettendo all’interno della cellula di avere concentrazioni di ioni diverse da quelle dell’ambiente extracellulare. I bilayer sono buoni isolanti elettrici e aiutano la trasmissione degli impulsi nervosi lungo le porzioni conduttrici delle fibre nervose. L’importanza dei lipidi nella funzione neurale si vede nelle malattie in cui questi isolanti sono persi, come la sclerosi multipla, o non adeguatamente mantenuti, come la malattia di Tay-Sachs.
Anche se sono un assortimento chimicamente diverso di composti, i lipidi condividono una serie di proprietà. La natura anfipatica delle molecole lipidiche favorisce la formazione di strutture più complesse come micelle, bilayer e liposomi. Queste strutture, così come le stesse sostanze lipidiche, influenzano tutti gli aspetti della biologia cellulare.