LIPIDI acidi grassi - saturi, - monoinsaturi - polinsaturi - con doppi legami coniugati - a catena ramificata - trans-insaturi

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1 Università di Roma Tor Vergata Scienze della Nutrizione Umana Biochimica della Nutrizione - Prof.ssa Luciana Avigliano A.A (1 parte 2014) LIPIDI acidi grassi - saturi, - monoinsaturi - polinsaturi - con doppi legami coniugati - a catena ramificata - trans-insaturi struttura, fonte alimentare, funzione, metabolismo, raccomandazioni nutrizionali

2 LIPIDI a differenza di carboidrati, proteine, acidi nucleici v hanno strutture chimiche differenti fra loro; sebbene tutte presentano una componente di natura idrocarburica (idrocarburi: costituiti da carbonio e idrogeno) v sono pertanto composti apolari o anfipatici, scarsamente solubili in acqua v non sono composti polimerici v alla diversa natura chimica corrisponde una diversa funzione

3 LIPIDI: classi in base alla struttura chimica v ACIDI GRASSI acidi carbossilici a lunga catena v TRIACILGLICEROLI (o TRIGLICERIDI glicerolo (alcol trivalente) esterificato con tre molecole di acido grasso v FOSFOLIPIDI contengono un gruppo fosforico polare - GLICEROFOSFOLIPIDI (contengono glicerolo) - SFINGOFOSFOLIPIDI (contengono sfingosina, amminoalcol di C18) v STEROIDI - precursore degli steroidi: colesterolo appartengono alla classe dei terpeni derivati dalla polimerizzazione dell isoprene (molecola a 5 atomi di C) VITAMINE LIPOSOLIBILI

4 LIPIDI DI INTERESSE ALIMENTARE triacilgliceroli (o trigliceridi) 95% GRASSI fosfolipidi 3-6% COLESTEROLO libero o esterificato nei grassi di origine animale VITAMINE LIPOSOLUBILI A, D, E, K LIPIDI ESSENZIALI da introdurre con la dieta VITAMINE LIPOSOLUBILI (A,E, K) ACIDI GRASSI POLINSATURI: acido linoleico; - acido alfa linolenico

5 LIPIDI E SALUTE ECCESSO v Malattie cardiovascolari v Obesità CARENZA v Carente apporto vitaminico v Carente apporto acidi grassi essenziali v Alterato sviluppo dell apparato nervoso nel neonato

6 bevande sovrappeso bambini obesità adulti Evolution of Occidental dietary content in specific macronutrients and prevalence of obesity and diabetes in United States. Compiled from FAO, AGROSTAT.PC,; Centers for Disease Control and Prevention, National Center for Health Statistics fruttosio grassi Gastroenterol Res Pract Molendi-Coste O, Legry V & Leclercq IA diabete

7 STRUTTURA

8 ACIDI GRASSI Acidi carbossilici, per lo più a numero pari di atomi di C Catena lineare idrocarburica CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Gruppo carbossilico COOH (pka = 4,5 COO ) gruppo carbossilico polare Formula generale CH 3 (CH 2 ) n COOH CH 3 (CH 2 ) n COO catena Idrocarburica lineare apolare 2 HC 2 HC CH 2 CH 2 3 HC CH 2

9 Sono sostanze ANFIPATICHE In acqua formano monostrati, denominati MICELLA Testa polare Catena idrocarburica apolare H 2 O SAPONE sale di sodio o di potassio R-COO - Na + oppure R-COO - K +

10 Gli acidi grassi non si trovano liberi ma in forma legata nelle altre classi di lipidi - in genere tramite legame estere

11 GLI ACIDI GRASSI SONO CLASSIFICATI DA UN PUTNO DI VISTA CHIMICO IN BASE ALLA STRUTTURA DELLA CATENA IDROCARBURICA

12 CLASSI 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 Altri classi Acidi grassi trans-insaturi Acidi grassi con doppi legami coniugati Acidi grassi a catena ramificata I doppi legami sono in genere nella forma stereoisomera cis Il legame cis, a differenza del legame trans, genera un angolo rigido nella catena idrocarburica

13 glicerolo H H-C-O-H H-C-O-H H-C-O-H H Legame estere O II H-O C-R 1 O II H-O C-R 2 O II H-O C-R 3 à O II acile CH 2 -O C-R 1 O II CH-O C-R 2 O II CH 2 -O C-R H 2 O sono composti neutri, completamente apolari, insolubili in acqua Ruolo: - Fonte energetica (β-ossidazione mitocondriale) - Riserva di energia

14 - fonte energetica costituiscono la maggior parte dei lipidi assunti con la dieta - riserva di energia (tessuto adiposo) Sono composti ridotti e quindi liberano più energia quando vengono ossidati Sono idrofobi e quindi immagazzinati in forma anidra Il glicogeno lega una quantità di acqua doppia del suo peso In un individuo sedentario normopeso circa 20 % maschi circa 26 % donna - produzione di calore (grasso bruno) - isolamento termico (grasso sottocutaneo)

15 CERE Acido grasso a lunga catena esterificato ad un alcool a lunga catena totalmente idrofobiche: funzione idrorepellente di protezione palmitato di miricile In natura: buccia frutta, foglie, insetti, penne uccelli, pelliccia di animali Nell uomo: soltanto nel sebo

16 FOSFOLIPIDI acido grasso parte apolare parte polare X (X= serina, etanolammina, colina, inositolo)

17 RUOLO DEI FOSFOLIPIDI I. Strutturale nelle membrane cellulari II. Precursori di regolatori metabolici (eicosanoidi: prostaglandine, leucotrieni) fosfolipid i apob100 III. Trasporto plasmatico di lipidi: lipoproteine TG colesterolo libero (non esterificato) esteri del colesterolo

18 Numerazione degli atomi di Carbonio degli acidi grassi - con i numeri: inizio dal C carbossilico (metile terminale n) - con le lettere dell alfabeto greco: Inizio dall atomo di C vicino al gruppo carbossilico (metile terminale ω) ω δ γ β α n CH 3 -(CH 2 ) n -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -COO - acido grasso: identificato da due numeri indicanti il numero di atomi di carbonio ed il numero dei doppi legami, separati dal simbolo due punti : posizione doppio legame: indicata con il simbolo delta maiuscolo seguito dai numeri soprascritti Δ 9 c = cis; t = trans 10 9 CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COO - C18:1cΔ 9

19 NOMENCLATURA nome comune nome sistematico ( suffisso oico) C4:0 acido butirrico C16:0 acido palmitico acido esadecanoico CH 3 (CH 2 ) 14 COOH C18:0 acido stearico acido ottadecanoico CH 3 (CH 2 ) 16 COOH C20:0 acido eicosanoico CH 3 (CH 2 ) 18 COOH C18:1cΔ 9 acido oleico acido cis9-ottadecenoico C18:2cΔ 9,12 acido linoleico acido cis 9,12-ottadecadienoico C18:3cΔ 9,12,15 acido α-linolenico ac ido cis 9,12,15-ottadecatrienoico C20:4cΔ 5,8,11,14 acido arachidonico acido cis 5,8,11,14-eicosatetraenoico C20:5cΔ 5,8,11,14,17 acido cis 5,8,11,14,17-eicosapentenoico in forma ionica, più corretta palmitato invece di acido palmitico stearato invece di acido stearico oleato invece di acido oleico etc.

20 ACIDI GRASSI MONOINSATURI (MUFA) 10 9 CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH 2 -CH 2 -(CH 2 ) 7 -COOH acido stearico (18:0) 10 9 CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH acido oleico acido cis-9-ottadecenoico (18:1cΔ 9 ) il più abbondante acido grasso presente sia nei grassi animali che vegetali. ISOMERIA CIS Il legame cis, a differenza del legame trans, genera un angolo rigido nella catena idrocarburica Tipico dell olio di oliva di cui costituisce l 80% degli acidi grassi Olio vergine di oliva o prima spremitura : ricco in vitamina E e polifenoli che prevengono l ossidazione dell olio durante la conservazione e sono ritenuti responsabili dei suoi effetti benefici

21 ACIDI GRASSI POLINSATURI Acido linoleico e acido α-linolenico sono acidi grassi essenziali acido linolenico: C18 n-6 (ω6) acido α-linolenico: C18 n-3 (ω3) Sono i precursori degli acidi polinsaturi a lunga catena rispettivamente della serie n-6 e n-3

22 ACIDI GRASSI POLINSATURI (PUFA) 10 9 CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH 2 -CH 2 -(CH 2 ) 7 -COOH acido stearico (18:0) 10 9 CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH acido oleico (18:1cisΔ 9 ) (serie n-9) acido grasso essenziale: alimenti di origine vegetale, olio di mais, soia, girasole CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH acido linoleico (18:2cisΔ 9,12 ) n-6 (ω 6) acido grasso essenziale: alimenti di origine vegetale, olio di lino, soia, germe di grano, noci CH 3 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-(CH 2 )-COOH n-3 (ω 3) acido α-linolenico (ALA) (18:3cisΔ 9,12,15 ) Numerazione classica: posizione del doppio legame a partire dal carbossile più comune per i PUFA: posizione del primo doppio legame a partire dal metile terminale (n- oppure ω)

23 acido linoleico ed acido α-linolenico sono nutrienti essenziali non sono cioè sintetizzati dal nostro organismo ma devono essere assunti con la dieta Sono i precursori degli acidi polinsaturi a lunga catena Acido linoleico precursore della serie n-6 (ω6) Acido α-linolenico precursore della serie n-3 (ω3) PIANTE sintetizzano i precursori ma non sono in grado di produrre derivati Acido linoleico sintetizzato da piante terrestri Acido α-linolenico sintetizzato principalmente da piante che crescono in acque fredde e perciò componente della catena alimentare di pesci ed animali marini ANIMALI non sintetizzano i precursori (che devono essere assunti da fonti vegetali) ma sintetizzano i loro derivati

24 Gli acidi grassi polinsaturi a lunga catena (in genere C) sono sintetizzati dai precursori per desaturazioned ed allungamento della catena (in seguito ad aggiunta di acetil CoA al C1); la catena rimane invariata dal C9 in giù Acidi grassi polinsaturi serie n Precursore: ac. linoleico (18:2 cisδ 9,12 ) CH 3 -(CH 2 ) 3 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -COOH n CH 3 -(CH 2 ) 3 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -COOH n-6 Derivato più abbondante: acido arachidonico (20:4 cisδ 5,8,11,14 ) usato per la sintesi degli eicosanoidi (prostaglandine, leucotrieni,..) DA NOTARE - il C3 ed il C4 sono diventati rispettivamente il C 5 ed il C6. Si sono formati due ulteriori doppi legami - nella struttura vi è la sequenza -CH 2 -CH=CH- nell acido arachidonico è ripetuta 4 volte (i diversi doppi legami sono separati da un gruppo -CH 2 - )

25 Lo stesso meccanismo si applica alla serie n-3 gli atomi di carbonio corrispondenti nel precursore e nei derivati sono scritti con lo stesso colore CH 3 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -COOH n-3 Precursore: acido α-linolenico (C18:3cisΔ 9,12,15 ) CH 3 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -COOH n-3 Derivato: acido eicosapentaenoico EPA (C20:5 cisδ 5,8,11,14,17 ) usato per la sintesi degli eicosanoidi ( prostaglandine, leucotrieni,..) CH 3 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH 2 - COOH n-3 Derivato: acido docosaesaenoico DHA (C22:6 cisδ 4,7,10,13,16,19 ) nei fosfolipidi del sistema nervoso

26 PROPRIETA CHIMICO-FISICHE

27 Il legame cis, a differenza del legame trans, genera un angolo rigido nella catena idrocarburica

28 Le catene idrocarburiche sono molecole flessibili dato che il legame singolo C-C ha grande libertà di rotazione; ma la conformazione a più bassa energia è quella completamente estesa. Le catene possono raggrupparsi a dare strutture regolari. Il doppio legame genera un angolo rigido (se il doppio legame è trans la molecola risulta lineare come la forma satura). Gli acidi grassi cis insaturi si possono impacchettare meno degli acidi grassi saturi per diminuita possibilità di interazioni di van der Waals tra le catene idrocarburiche CONSEGUENZA BIOLOGICA: LA FLUIDITA DI MEMBRANA DIPENDE DALLA STRUTTURA E DAL GRADO DI INSATURAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

29 PROPRIETA CHIMICO-FISICHE DEI TRIGLICERIDI Grassi propriamenti detti: solidi a temperatura ambiente Oli: liquidi a temperatura ambiente Il punto di fusione dipende dalla natura degli acidi grassi allungamento della catena degli acidi grassi rapporto acido grassi saturi / acidi grassi insaturi isomeria trans / isomeria cis

30 REATTIVITÀ CHIMICA DEGLI ACIDI GRASSI INSATURI v idrogenazione A livello commerciale viene usata per produrre grassi di maggiore consistenza da grassi vegetali insaturi v (auto)ossidazione favorita da luce ed aria inibita da antiossidanti (vit E) perossido: formato per l attacco dell ossigeno alla posizione allilica, più prona a generare radicali conseguente formazione di aldeidi ed acidi grassi volatili (rancidità) Nell organismo: ossidazione di membrane cellulari e lipoproteine

31 FONTI ALIMENTARI

32 ACIDI GRASSI SATURI più comuni Corta catena (C4:0-C6:0) acido butirrico acido esaenoico Grassi del latte vaccino e derivati Media catena (C8:0-C14:0) Oli tropicali (cocco, palma) acido laurico (C12:0) (termine industriale: oli vegetali) acido miristico (C14:0) Lunga catena C16 nei grassi animali e acido palmitico (C16:0) vegetali acido stearico (C18:0) burro di cacao

33 C12:0, C14:0 palma (frutto) C16:0: palmisti (semi) C12:0, C14:0 stearico 37%, palmitico 25% oleico 34%, linoleico 3% burro di cacao C18:0, C16:0 C4:0-C6:0 C18:0, C16:0

34 acido oleico (18:1 n- 9) olio di oliva, olio arachide acido linoleico (18:2 n- 6) olio di soia, olio di mais, olio di girasole acido α-linolenico (18:3 n- 3) olio di soia, noci, germe di grano, semi di lino olio di soia: ac. linoleico. 50% α-linolenico 8% germe di grano α-linolenico 8% olio di semi di lino: molto ricco di acido α- linolenico (fino al 58%)

35 Acido arachidonico fonti dietetiche: carne ed uova n- 3: FONTI DIETETICHE acido α-linolenico (ALA) maggior fonte di n-3 della dieta EPA e DHA: pesce grasso (salmone, tonno, sardine, trota) oli di pesce, frutti di mare, sulla base della catena alimentare e del fitoplancton (alghe) all origine Salmone (atlantico) mg EPA+ DHA/100 mg di parte edibile (650 mg EPA; 1200 mg DHA) Aringa 1800 mg / 100 g Tonno mg / 100g Trota mg / 100g Pesce azzurro 300 mg EPA- 500 mg DHA/ 100 g

36 Why and How Meet n-3 PUFA Dietary Recommendations? Gastroenterol Res Pract monoinsaturi saturi PUFA ω6 ω6/ω3 Evolution of fatty acids consumption in European Union. ω3

37 METABOLISMO 1. Biosintesi

38 CLASSI IN BASE AL METABOLISMO 3 classi metabolicamente non interconvertibili SATURI E MONOINSATURI (sintetizzati ex novo) acido palmitico (16:0) acido palmitoleico (16:1 n-7) acido stearico (18:0) acido oleico (18:1 n- 9) CLASSE n-6 (sintetizzati a partire da precursore essenziale) precursore: acido linoleico (LA 18:2 n-6) acido arachidonico (C20:4 n-6) CLASSE n-3 (sintetizzati a partire da precursore essenziale) precursore: acido α-linolenico (ALA 18:3 n-3) acido eicosapentaenoico (EPA C20:5 n-3) acido docosaesaenoico (DHA C22:6 n-3)

39 BIOSINTESI DEGLI ACIDI GRASSI SATURI E MONOINSATURI acido oleico C18:1 cδ 9 SINTESI EX NOVO: acetilcoa ACIDO PALMITICO Glucosioà piruvato à CH 3 -CO-SCoA à CH 3 -(CH 2 ) 14 -COOH Nel citosol (epatociti, adipociti) per azione della acido grassi sintasi ALLUNGAMENTO E DESATURAZIONE DELL ACIDO PALMITICO RETICOLO ENDOPLASMATICO: 1 tappa: allungamento: ac.palmitico + acetilcoa ACIDO STEARICO C18:0 2 tappa: desaturazione: acido stearico + NADH + steroilcoa (Δ-9) desaturasi ACIDO OLEICO Acido oleico: substrato preferito di acilcoa colesterolo acil transferasi (ACAT) esteri colesterolo assemblaggio VLDL diacil glicerolo acil transferasi biosintesi trigliceridi

40 Regolazione della biosintesi steroilcoa (Δ-9) desaturasi (SCD) ubiquitaria, alta espressione Cocnvert nel fegato e nel cervello dieta ricca in carboidrati (glucosio, fruttosio) insulina PUFA (che abbassano i livelli nucleari di fattori trascrizionali (SRE- BP1c) responsabili della induzione degli enzimi glicolitici e lipogenici da parte dell insulina

41 acido linoleico ed acido α-linolenico sono nutrienti essenziali Piante sono in grado di desaturare in posizione Δ12 e Δ15 ma non in posizione Δ 5 e Δ 6 sintetizzano i precursori ma non i derivati Animali in grado di desaturare in posizione Δ5 e Δ6 ma non in posizione Δ12 e Δ15 sintetizzano i derivati

42 serie n-9 serie n-6 serie n-3 CH 3 -CO SCoA C18:1 Δ 9 C18:2 Δ 9,12 C18:3 Δ 9,12,15 acido oleico acido linoleico (LA) acido α-linolenico acido eicosatrienoico acido arachidonico acido eicosapentaenoico C20:3 Δ 5, 8, 11 ARA C20:4 Δ 5, 8, 11,14 EPA C20:5 Δ 5, 8,11,14,17 acido docosaesaenoico DHA C22:6 Δ 4,7,10,13,16,19 Aumenta il numero di doppi legami

43 BIOSINTESI DEGLI ACIDI GRASSI POLINSATURI fegato, astrociti, endotelio vascolare di retina e cervello RETICOLO ENDOPLASMATICO LA e ALA subiscono cicli alternati di - desaturazione (Δ-6 desaturasi e Δ-5 desaturasi) ed - allungamento + acetilcoa (elongasi) PEROSSISOMA sintesi DHA (beta ossidazione di C24) MEMBRANA PLASMATICA Fosfolipidi C20 (ciclossigenasi, lipossigenasi) eicosanoidi (prostaglandine, trombossani, leucotrieni)

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45 Δ 6 DESATURASI: ENZIMA CHIAVE che catalizza la 1 tappa limitante Produzione di PUFA (highly unsatured fatty acid) mantenuta entro stretti ambiti DIETA apporto calorico, composizione in lipidi dieta ricca in acido grassi saturi o mono insaturi (burro, trioleina) dieta ricca in PUFA (oli vegetali, oli marini) (alti introiti di EPA o DHA portano a diminuzione di acido arachidonico ed eicosanoidi n-6 derivati) (inibizione a feedback dai prodotti della stessa o altra serie) ORMONI insulina (glucosio) (diminuiti livelli nel diabete tipo 1) si può considerare enzima lipogenico glucagone adrenalina ACTH glucocorticoidi

46 COMPETIZIONE tra SUBSTRATI n-9, n-6, n-3 Affinità della desaturasi in vitro: n-3 >n-6 >n-9 MA nella dieta occidentale si ha assunzione di - alte dosi di acido oleico - alte dosi di acido linoleico (sintesi dell acido arachidonico prevale su assunzione) - basse dosi di n-3

47 controllo enzimatico importante quando la via biosintetica è la principale fonte di PUFA ANIMALI: erbivori > onnivori >carnivori UOMO: vegetariani-vegani >onnivori> mangiatori di pesce via biosintetica prevalente rispetto alla assunzione ed aumenta la espressione di desaturasi

48 Acido linoleico incorporato nei fosfolipidi dei tessuti e dei depositi adiposi e costituisce una forma di riserva ALA: scarsamente incorporato in fosfolipidi e indirizzato verso l ossidazione, 5-10% ALA EPA 1% - <5% ALA DHA La biosintesi endogena di DHA è sufficiente nell adulto sano La biosintesi endogena potrebbe essere insufficiente: Nati pretermine Gravidanza, allattamento Senescenza (potrebbe diminuire già dopo i anni) Diabete Resistenza alla insulina Alcolismo Alterazione dei perossisomi DHA si può considerare un nutriente condizionatamente essenziale per cui l interesse nutrizionale è focalizzato sulla serie n-3

49 METABOLISMO 2. catabolismo

50 CATABOLISMO DEGLI ACIDI GRASSI β-ossidazione con produzione di CH 3 -CO-SCoA coinvolti nella biosintesi e nella degradazione dei PUFA Piccoli organelli circondati da una singola membrana che contengono enzimi coinvolti in numerose reazioni, tra cui reazioni coinvolte nel metabolismo energetico (metabolismo lipidico, basi azotate, ) 2. MITOCONDRI Degradazione di acidi grassi lunghezza C18-C16

51 β-ossidazione PEROSSISOMIALE A differenza della β-ossidazione mitocondriale ² non richiede carnitina ² acil CoA ossidasi: utilizza O 2 à H 2 O 2 (catalasi 2 H 2 O 2 à H 2 O + O 2 ) E utilizzata per la - β-ossidazione di acidi grassi C>20 - sintesi DHA - acidi grassi a catena ramificata - sintesi degli acidi biliari dal colesterolo ( 27 à C24) Livelli ematici di acidi grassi con un numero di atomi di C >22 usati come diagnosi prenatale o neonatale di alterazione perossisomiale Disordini perossisomiali sono gravi (sindrome di Zellweger con incapacità di trasportare acidi grassi nei perossisomi è mortale nel 1 anno di vita)