I Lipidi: Caratteristiche strutturali e funzionali

I lipidi sono una famiglia eterogenea di composti organici prodotti dglia organismi viventi e con la caratteristica di essere idrofobici. I lipidi considerati a livello fisiologico e nutrizionale, si possono distinguere in lipidi semplici e complessi. I primi hanno una funzione essenzialmente energetica e protettiva e sono rappresentati dai trigliceridi; i secondi sono rappresentati essenzialmente dai fosfolipidi, dai glicolipidi e dal colesterolo che partecipano alla composizione delle membrane biologiche. Alcuni lipidi sono precursori di molecole biologicamente attive come prostaglandine, leucotrieni e tromboxani. Inoltre alcune molecole derivate dai lipidi partecipano alla trasduzione del segnale attraverso la membrana cellulare e modulano l’espressione genica (tabella 1).

GLI ACIDI GRASSI

Gli acidi grassi sono caratterizzati da una catena carboniosa alifatica con un gruppo carbossilico e un gruppo metilico terminale. Possono essere considerati i lipidi più semplici nonostante si trovino in molte strutture complesse ove rappresentano la componente più variabile. Costituiscono la componente lipidica presente in maggior quantità nell’organismo umano dove si trovano frequentemente incorporati con legame estere o amidico nelle varie classi lipidiche (trigliceridi, fosfolipidi, glicolipidi ed esteri del colesterolo). La maggior parte degli acidi grassi ha una struttura lineare anche se alcuni di essi, soprattutto quelli di origine batterica, possiedono catene idrocarburiche ramificate. In generale gli acidi grassi, che si trovano nell’organismo, hanno un numero pari di atomi di carbonio, sebbene acidi grassi a catena dispari siano presenti in natura. Gli atomi degli acidi grassi vengono solitamente numerati dal gruppo carbossile terminale . I carboni in posizione due e tre (C2 e C3) sono anche indicati con alfa e beta, mentre il gruppo metilico terminale con omega (figura 1). Ad esempio, con questo criterio, l’acido oleico che contiene 18 atomi di carbonio e un doppio legame tra la posizione 9 e 10 a partire dal carbonio terminale può essere semplicemente indicato come 18:1Δ9 o come 18:1 ω-9 se viene considerata la posizione del doppio legame più prossimo al metile terminale (-CH3). Per semplificare si può sostituire ω con la lettera n. In questo modo l’acido oleico e gli acidi grassi della sua famiglia vengono indicati con n-9, il linoleico con n-6 ed il linolenico con n-3.

Acidi grassi saturi

Gli acidi grassi a corta catena carboniosa (SCFA, 14 atomi di carbonio), sono i maggiori componenti dei lipidi della dieta. I più comuni sono l’acido palmitico (C16:0) e l’acido stearico (C18:0) (figura 2).
Oltre che provenire dalla dieta, possono essere sintetizzati dalla cellula a partire da semplici unità bicarboniose (acetil-coenzima A) o da processi di allungamento, per via enzimatica, da acidi grassi a più corta catena fino a costruire composti a 20, 22 e 24 atomi di carbonio. Questi ultimi sono anche importanti costituenti della mielina. Tutti i grassi animali hanno un elevato contenuto di acidi grassi saturi che sono pure presenti in alcuni prodotti di origine vegetale come l’olio di palma, l’olio di cocco e il burro di cacao.

Acidi grassi insaturi

Gli acidi grassi insaturi presentano nella catena carboniosa uno o più doppi legami. Negli acidi grassi mono-insaturi il doppio legame generalmente si trova fra gli atomi di carbonio 9 e 10, mentre nei poli-insaturi i successivi doppi legami si trovano fra il doppio legame in 9-10 e il carbonio terminale omega come riportato per l’acido oleico, linoleico e linolenico (figura 3)
In natura la configurazione fisiologica più diffusa, del doppio legame, è quella cis. In generale la presenza di un doppio legame comporta un notevole abbassamento del punto di fusione rispetto al corrispondente acido grasso saturo. Così l’acido stearico ha un punto di fusione di +69,6 °C, l’acido oleico +13,4°C e l’acido linoleico -11°C (tabella 2).
Pertanto la fluidità degli acidi grassi e di conseguenza dei lipidi che li contengono è inversamente proporzionale alla lunghezza della catena carboniosa e direttamente proporzionale al numero dei doppi legami cis. Diversamente la presenza di doppi legami trans non modifica sostanzialmente il punto di fusione rispetto al corrispondente acido grasso saturo. Tra gli acidi grassi monoinsaturi in cui la configurazione del doppio legame è trans, un esempio è l’acido vaccenico (C18:1t) (figura 4).
La conformazione cis conferisce alla catena carboniosa dell’acido grasso una libertà di ripiegamento in corrispondenza del doppio legame. Al contrario gli acidi grassi insaturi trans conservano una configurazione rettilinea e propria degli acidi grassi saturi, inserendosi nel bilayer lipidico di membrana in modo più ordinato rispetto alle corrispondenti conformazione cis. Gli acidi grassi trans derivano principalmente da un processo di idrogenazione parziale degli oli vegetali e di pesce anche se in natura sono presenti in quantità modeste nel latte vaccino. Gli acidi grassi monoinsaturi sono presenti in tutti i grassi animali e vegetali. L’olio di oliva è una delle fonti di origine vegetale più ricca e importante di acidi grassi monoinsaturi, come l’acido oleico.

Acidi grassi essenziali

Gli acidi grassi polinsaturi (PUFA) comprendono acidi grassi essenziali (EFA), l’acido linoleico (C18:2) e γ-linolenico (C18:3)(figura 3). Essi sono essenziali sia per gli animali che per l’uomo in quanto sono assenti enzimi in grado di introdurre doppi legami in posizione 3 e 6 a partire dal gruppo metilico terminale e pertanto devono essere introdotti con la dieta.
L’acido linoleico e l’acido linolenico sono anche capostipiti della serie di acidi grassi ω-6 e ω-3, rispettivamente, e precursori degli eicosanoidi. In particolare dall’acido linoleico (C18:2;ω-6) deriva l’acido arachidonico (ω-6, C20:4, Δ5,8,11,14) attraverso processi enzimatici di desaturazione e allungamento. Analogamente dall’acido linolenico (C18:3 ω-3) derivano l’acido eicosapentaenoico (EPA) (ω-3, C22:6, Δ 5,8,11,14,17) e l’acido docoesaenoico (DHA) (ω-3, C22:6, Δ4,7,10,13,16,19) come schematizzato.
Gli acidi grassi essenziali sono principalmente presenti nel fitoplancton, nei pesci e anche in alcuni vegetali. L’acido arachidonico, l’EPA e il DHA possono essere prodotti in quantità limitata dagli EFA, ma diventano nutrienti essenziali quando l’apporto in EFA è insufficiente.

Acidi grassi coniugati

L’acido linoleico coniugato (CLA) è il nome che viene dato ad una famiglia di isomeri dell’acido linoleico (cis-9,trans-11(c9,t11) CLA e t10,c12 CLA (figura 5) e presenta doppi legami in conformazione trans. Il CLA è un intermedio della conversione dell’acido linoleico ad acido oleico ad opera dei batteri del rumine. I prodotti di origine animale contengono più CLA dei vegetali e il latte è la fonte principale di CLA nell’alimentazione umana (2-30mg/g di lipidi). I CLA tra cui l’acido rumenico, sono prodotti intermedi della bioidrogenazione ruminale dei grassi alimentari, in particolare dell’acido linoleico (C18:2) e dell’acido linolenico (C18:3). Esistono comunque anche fonti di CLA ottenute per idrogenazione di alcuni olii, soprattutto, quello di girasole e di cartamo.

Eicosanoidi

Sono una famiglia molto importante di lipidi regolatori (prostaglandine, leucotrieni e tromboxani) che agiscono come messaggeri a corto raggio, cioè trasmettono informazioni dai tessuti vicini alla cellula che li ha prodotti. Pertanto la loro azione è definita ormono-simile. Il nome eicosanoidi deriva dall’acido arachidonico che può essere utilizzato, per la sintesi degli eicosanoidi per azione degli enzimi ciclooossigenasi e lipossigenasi (“>figura 6).

TRIGLICERIDI
trigliceridi

I trigliceridi comunemente identificati come grassi, sono lipidi apolari costituiti da una molecola di glicerolo e tre acidi grassi (figura 7).
In natura sono generalmente presenti come trigliceridi misti in cui gli acidi grassi esterificati sono diversi per lunghezza della catena e grado di insaturazione. In generale nel carbonio in posizione 1 è presente un acido grasso saturo, in posizione 2 un acido grasso insaturo, mentre in posizione 3 possiamo avere un acido grasso saturo o insaturo.
Le proprietà chimico-fisiche dei trigliceridi dipendono dalla loro composizione in acidi grassi. Quelli ricchi di acidi grassi saturi (grassi animali) sono solidi a temperatura ambiente, mentre quelli ricchi di acidi grassi insaturi, sono allo stato liquido (oli vegetali). I trigliceridi sono essenzialmente conservati a livello del tessuto adiposo (grasso sottocutaneo e viscerale) dove rappresentano la più importante riserva energetica del nostro organismo.

FOSFOLIPIDI

I fosfolipidi comprendono i glicerofosfolipidi e gli sfingolipidi. I glicerofosfolipidi rappresentano la classe più importante dei comuni fosfolipidi. Sono strettamente legati ai trigliceridi perché sono costituiti da glicerolo e da due acidi grassi. Il terzo acido grasso è sostituito da una molecola di acido fosforico e da una base come la colina, la serina, l’etanolammina e l’inositolo. Il rappresentante più semplice è l’acido fosfatidico il cui ruolo metabolico è quello precursore degli altri glicerofosfolipidi. Il più comune fosfolipide, fosfatidilcolina, o lecitina, contiene come base la colina. Altri fosfolipidi sono la fosfatidilserina (PS) fosfatidiletanolammina (PE) e il fosfatidilinositolo (PI) (figura 8).
I fosfolipidi, per la loro natura polare in quanto contengono un‘area idrofilica polare e un’area idrofobica apolare, costituiscono nelle membrane biologiche, la struttura di base organizzata in forma di bilayer lipidico dove si inseriscono sia componenti lipidiche come il colesterolo sia componenti proteiche. Nelle membrane sono presenti numerose specie di fosfolipidi in quanto ogni fosfolipide contiene due acidi grassi che possono variare per il numero di atomi di carbonio e per il grado di insaturazione.
La composizione lipidica delle membrane (lunghezza delle catene carboniose, grado di insaturazione degli acidi grassi presenti nei fosfolipidi e rapporto colesterolo/fosfolipidi) modulano le loro proprietà chimico fisiche, come la fluidità e l’ordine. La fosfatidilcolina oltre ad essere uno dei fosfolipidi più diffusi delle membrane cellulari, svolge un ruolo funzionale come componente del surfactante nei polmoni con il ruolo di abbassare la tensione superficiale degli alveoli durante la respirazione.

SFINGOLIPIDI

Gli sfingolipidi contengono, in sostituzione del glicerolo, l’aminoalcool sfingosina (figura 9) che viene sintetizzato mediante condensazione e decarbossilazione ossidativa della serina con l’acido palmitico. In tutti gli sfingolipidi un acido grasso a lunga catena si lega all’aminoalcol in posizione 2 mediante un legame carboamidico formando il ceramide.
Il ceramide rappresenta il precursore e lo scheletro delle sfingomieline e dei glicosfingolipidi o glicolipidi. Le sfingomieline (figura 9) sono presenti nelle membrane plasmatiche della maggior parte delle cellule (5-20% dei fosfolipidi totali), nel reticolo endoplasmatico e nei mitocondri. La sfingomielina rappresenta lo sfingolipide più abbondante della guaina mielinica, una struttura multilamellare che isola e protegge le cellule del sistema nervoso centrale. E’ caratterizzata da un elevato ricambio metabolico sia a livello di sintesi che di degradazione e la composizione in acidi grassi è variabile; tra gli acidi grassi a lunga catena più presenti sono l’acido lignocerico e l’acido nervonico.

Glicolipidi

I glicolipidi sono sfingolipidi costituiti dal ceramide con una o più molecole di monosaccaride legate covalentemente (figura 9). Molto abbondanti nel tessuto nervoso, si suddividono in quattro gruppi diversi: i cerebrosidi, i sulfatidi, i gangliosidi o glicolipidi complessi. Possiamo ricordare i più semplici tra i glicolipidi quali il gluco- e il galatto-cerebroside che presentano un solo monosaccaride legato alla sfingosina (figura 9).
I gangliosidi sono glicolipidi presenti in elevate concentrazioni nei gangli del sistema nervoso centrale e sono caratterizzati dalla presenza di uno o più (da 1 a 7) molecole di acido sialico. In genere nelle cellule oltre il 50% dell’acido sialico totale è presente sotto forma di gangliosidi, mentre il rimanente è legato alle glicoproteine. I gangliosidi sono componenti strutturali di recettori di membrana che legano molecole come neurotrasmettitori, ormoni e tossine batteriche per evocare risposte specifiche a livello delle membrane sinaptiche. E’ inoltre possibile ipotizzare che i glicolipidi possano svolgere un ruolo di molecole segnale. Pertanto il ceramide sembra coinvolto nella via che porta all’apoptosi. Infatti fattori extracellulari attivano, tramite una via enzimatica, la scissione della sfigomielina di membrana con il risultato della morte di cellule che per esempio hanno subito un danno ossidativo letale.

COLESTEROLO

Il colesterolo appartiene alla classe di lipidi policiclici (steroli) derivati del ciclopentanoperidrofenantrene (figura 10). La sua importanza non è solo strutturale, come componente delle membrane cellulari e delle lipoproteine plasmatiche, ma anche metabolica in quanto precursore degli ormoni steroidei, della vitamina D3 e degli acidi biliari. E’ presente negli alimenti di origine animale, mentre negli alimenti vegetali sono contenuti i fitosteroli (es. sitosterolo, campesterolo) (figura 10).

CONSIDERAZIONI METABOLICHE E NUTRIZIONALI

I lipidi come riserva energetica
I trigliceridi sono la forma più comune di riserva energetica, costituendo la fonte dietetica più importante di acidi grassi il cui utilizzo è strettamente connesso al metabolismo delle ipoproteine. In diversi tessuti tra i quali il fegato, il tessuto adiposo e la ghiandola mammaria, è particolarmente attiva la via metabolica di sintesi lipidica. In particolare sono gli acidi grassi a lunga catena contenuti nei trigliceridi che svolgono con efficienza la funzione di riserva energetica poiché gli atomi di carbonio in essi contenuti si trovano nella forma completamente ridotta e pertanto possono fornire una grande quantità di energia durante la loro ossidazione. Questa condizione diventa rilevante quando l’apporto calorico è molto elevato: per esempio nel caso di una dieta ricca di carboidrati, questi composti sono utilizzati a livello epatico per essere convertiti in acidi grassi ed essere conservati nel tessuto adiposo sotto forma di trigliceridi. Essi rappresentano una forma relativamente concentrata di energia, in quanto una volta ossidati, liberano più del doppio delle calorie per unità di peso (~9kcal/g) rispetto a quelle fornite dai carboidrati e dalle proteine (~4kcal/g). L’ossidazione dei lipidi consuma infatti più ossigeno rilasciando una quantità maggiore di energia metabolica sotto forma di ATP e una quantità maggiore di acqua. Da un punto di vista energetico, nella cellula, la produzione di acqua metabolica può portare un significativo contributo al mantenimento dell’omeostasi dei liquidi extracellulari anche come risposta adattatativa all’ambiente. Nonostante che tutti i trigliceridi rispondano a queste proprietà, esistono tra loro importanti differenze in termini di qualità degli acidi grassi presenti (lunghezza della catena, grado di insaturazione, forma cis o trans) che possono riflettersi sullo stato di salute a lungo termine.

I lipidi: da molecole strutturali a molecole segnale

Diversamente dai trigliceridi, i lipidi strutturali delle membrane cellulari non sono utilizzabili in senso metabolico per produrre energia.
Il rimodellamento dinamico dei lipidi di membrana mediante redistribuzione degli acidi grassi nei fosfolipidi dimostra che i fosfolipidi non sono metabolicamente inerti. In particolare le catene alifatiche degli acidi grassi possono modificarsi in termini di lunghezza della catena carboniosa e del grado di insaturazione in risposta alle variazioni delle condizioni ambientali con lo scopo di mantenere un optimum di fluidità funzionale e in risposta a necessità metaboliche e fisiologiche specifiche dell’organismo.
Gli enzimi coinvolti in questo processo sono le fosfolipasi A1 e A2 che tagliano il legame estere con rilascio degli acidi grassi in posizione 1 e 2. Questo meccanismo è alla base non solo del turnover lipidico ma anche della riparazione dei fosfolipidi di membrana, una volta danneggiati. Gli acidi grassi poliinsaturi presenti nei fosfolipidi di membrana possono essere facilmente perossidabili da parte dell’ossigeno e delle specie reattive dell’ossigeno (ROS) con il risultato di una alterazione strutturale e funzionale della membrana. La fosfolipasi A2 può rimuovere questi acidi grassi danneggiati a livello del doppio strato lipidico, sostituendoli con acidi grassi normali. I lisofosfolipidi che si formano per azione della fosfolipasi A2 sono fisiologicamente importanti nella trasmissione del segnale biologico a livello di membrana. L’acido lisofosfatidico che deriva dall’acido fosfatidico dopo l’azione idrolitica della fosfolipasi A2, può essere considerato il lisofosfolipide più semplice. Il rilascio dell’acido lisofosfatidico da cellule attivate come le piastrine ha come risultato lo stimolo della crescita cellulare durante il processo di riparazione tissutale. Un altro esempio importante in cui la fosfolipasi A2 è coinvolta a livello fisiologico viene fornito dal suo ruolo nella formazione del surfattante polmonare, una sostanza contenente lipidi e proteine che viene secreta dal polmone con lo scopo di abbassare la tensione superficiale impedendo agli alveoli di collassare durante la meccanica respiratoria. Il surfattante contiene tra il 50 e 60% di lecitina satura, la dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), una forma di fosfatidilcolina (PC) dove l’acido palmitico occupa la posizione 2 del carbonio, normalmente occupata da un acido grasso insaturo. Una possibile spiegazione di come si inserisca nel surfattante polmonare un acido grasso completamente saturo, come l’acido palmitico, viene fornita dal ciclo lecitina-lisolecitina (figura 11).

Letture consigliate

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