Corso di Laurea in Farmacia Insegnamento di BIOCHIMICA. Angela Chambery Lezione 16

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1 Corso di Laurea in Farmacia Insegnamento di BIOCHIMICA Angela Chambery Lezione 16

2 Lipidi Concetti chiave: Le proprietà fisiche di un acido grasso sono determinate dalla sua lunghezza e dal suo grado di saturazione. I triacilgliceroli e i glicerofosfolipidi contengono acidi grassi esterificati al glicerolo. Gli sfingolipidi sono simili ai glicerofosfolipidi, ma possono includere grossi gruppi oligosaccaridici. Gli steroidi e altri lipidi svolgono svariate funzioni.

3 Lipidi I lipidi (dal greco lìpos, grasso) oltre ad essere componenti importanti delle membrane biologiche, svolgono una funzione strutturale, di riserva di energia (sotto forma di trigliceridi o triacilgliceroli) e agiscono da messaggeri intracellulari (e.g. ormoni). Presentano una varietà strutturale maggiore rispetto alle altre macromolecole biologiche. Chimicamente, sono sostanze eterogenee limitatamente solubili in acqua per la presenza di gruppi apolari.

4 Lipidi I lipidi si dividono in due gruppi principali: I gruppo: comprende composti a catena aperta con una testa polare e lunghe code apolari (acidi grassi, triacilgliceroli, fosfolipidi, sfingolipidi e glicolipidi) II gruppo: comprende composti ad anelli fusi, gli steroidi (tra cui il colesterolo). Esistono poi lipidi associati a proteine (lipoproteine) e polisaccaridi (lipopolisaccaridi).

5 Acidi grassi Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con una catena idrocarburica composta da 4 a 36 atomi di carbonio. Sono composti anfipatici perché contengono il gruppo carbossilico idrofilo e una catena idrocarburica idrofobica. Il gruppo carbossilico può ionizzare. La catena idocarburica può contenere solo legami singoli (acidi grassi saturi) o può contenere uno (acidi grassi insaturi) o più (acidi grassi polinsaturi) doppi legami. Negli acidi grassi insaturi la stereochimica del doppio legame è spesso cis con una torsione nella coda idrocarburica.

6 Convenzioni per la nomenclatura: acidi grassi saturi La convenzione per la nomenclatura degli acidi grassi indica il numero degli atomi di carbonio e il numero di doppi legami. Acido palmitico: 16: Acido stearico: 18:

7 Convenzioni per la nomenclatura: acidi grassi insaturi Acido oleico cis

8 Alcuni acidi grassi a 18 atomi di carbonio (C18)

9 Acidi grassi insaturi 3 e 6 Gli 3 e 6 sono acidi grassi essenziali (vitamina F, fatty) che gli esseri umani devono assumere con gli alimenti per mantenere uno stato di buona salute. Acido linoleico ( 6) 18:2 9,12 Acido linolenico ( 3) 18:3 9,12,15

10 Acidi grassi insaturi 3 e 6 Gli acidi grassi essenziali svolgono diverse funzioni fisiologiche importanti: Ostacolano la deposizione di trigliceridi e colesterolo nelle arterie, prevenendo l'aterosclerosi; Favoriscono l'integrità della pelle e dei capelli; Favoriscono la riduzione di peso; Stimolano l'attività delle ghiandole a secrezione interna. Alcuni alimenti ricchi di vitamina F sono: oli vegetali (olio di girasole, olio di mais, olio di soia, olio di arachide) arachidi noci mandorle pesce

11 Integratori a base di acidi grassi insaturi 3 e 6

12 Acidi grassi rappresentativi

13 Acidi grassi saturi I punti di fusione (pf) degli acidi grassi saturi aumentano con la loro massa molecolare. Differenza dei pf ( C)

14 Acidi grassi insaturi Gli acidi grassi insaturi hanno punti di fusione più bassi di bassi di quelli saturi in quanto si addensano con minore efficienza rispetto a quelli saturi.

15 Acidi grassi insaturi Gli oli vegetali sono liquidi a temperatura ambiente perché hanno un contenuto più elevato di acidi grassi insaturi rispetto ai grassi animali che tendono ad essere solidi.

16 Acidi grassi insaturi La doppi legami in conformazione cis impongono un ripiegamento rigido di 30 nella catena idrocarburica. Le ridotte interazioni di van der Waals determinano una diminuzione dei pf. Tale fenomeno comporta importanti implicazioni per le membrane biologiche.

17 Triacilgliceroli I grassi e gli oli presenti nelle piante e negli animali sono costituiti per la maggior parte da miscele di triacilgliceroli (o trigliceridi) triesteri di acidi grassi del glicerolo, un composto che contiene tre gruppi ossidrilici.

18 Triacilgliceroli Gli acidi grassi dei trigliceridi possono essere uguali o diversi tra loro. I gruppi esterei costituiscono la porzione polare della molecola, le code degli acidi grassi sono apolari.

19 Triacilgliceroli I trigliceridi si accumulano nel tessuto adiposo negli adipociti e costituiscono una riserva concentrata di energia metabolica. L ossidazione completa dei grassi produce circa 9 kcal/g rispetto alle 4 kcal/g dei carboidrati e proteine.

20 Triacilgliceroli I trigliceridi sono idrolizzati dalle lipasi. La stessa reazione può avvenire utilizzando come catalizzatori acidi o basi (idrossido di sodio o potassio) nel processo di saponificazione formando glicerolo e sali di sodio o potassio degli acidi grassi (saponi).

21 Fosfolipidi Quando uno dei gruppi alcolici del glicerolo è esterificato con una molecola di acido fosforico anziché con un acido carbossilico si ottiene l acido fosfatidico o diacilglicerolo 3 fosfato.

22 Fosfolipidi L acido fosfatidico, essendo triprotico, può formare più di un legame estereo sia con il glicerolo sia con altri alcoli generando esteri fosfatidici classificati come fosfolipidi (o fosfoacilgliceroli).

23 I glicerofosfolipidi più comuni

24 I glicerofosfolipidi più comuni Etanolammina Colina Serina

25 I glicerofosfolipidi più comuni Glicerolo Inositolo

26 I glicerofosfolipidi: le catene insature sono ripiegate Nei fosfoacilgliceroli la natura degli acidi grassi può variare molto. Tutti questi composti sono anfipatici in quanto hanno lunghe code idrofobiche apolari e teste polari idrofile.

27 Le fosfolipasi idrolizzano i glicerofosfolipidi La fosfolipasi A2 taglia per via idrolitica il residuo di acido grasso in C2 di un fosfolipide formando il lisofosfolipide. Altre fosfolipasi idrolizzano altri legami sulla base della loro specificità.

28 La fosfolipasi A2 èun glicerofosfolipide La fosfolipasi A2 ottenuta da veleno di cobra presenta un sito attivo in cui si lega la testa polare di una molecola di glicerofosfolipide. I lisofosfolipidi che si generano sono potenti detergenti che disgregano le membrane biologiche determinando la lisi delle cellule.

29 Cere Le cere sono miscele complesse di esteri di acidi carbossilici a lunga catena e alcoli a lunga catena. Fungono da rivestimento protettivo per piante (rivestimento di fusto, foglie e frutti) e animali (pelliccie, piume e pelle). Triacontanilpalmitato

30 I composti più semplici di questa classe sono i ceramidi che hanno un acido grasso legato al gruppo amminico della sfingosina mediante un legame amminico. Sfingolipidi Gli sfingolipidi contengono l alcool amminico a lunga catena sfingosina al posto del glicerolo. Si trovano negli animali e nei vegetali e sono particolarmente abbondanti nel sistema nervoso.

31 Sfingomielina Nelle sfingomieline il gruppo alcolico primario della sfingosina è esterificato con l acido fosforico che a sua volta è esterificato con un altro alcool amminico, la colina.

32 Sfingomielina Esistono notevoli somiglianze strutturali tra la sfingomielina ed altri fosfolipidi. In entrambi i casi due lunghe catene idrocarburiche sono attaccate ad uno scheletro contenente gruppi alcolici, di cui uno esterificato con acido fosforico. Le sfingomieline si trovano nelle membrane cellulari del sistema nervoso. Fosfatidilcolina Sfingomielina

33 Glicolipidi Nei glicolipidi un carboidrato è legato ad un gruppo alcolico di un lipide mediante un legame glicosidico. Di frequente essi si originano dai ceramidi in cui il legame glicosidico è formato dal gruppo alcolico primario della ceramide ed un residuo di zucchero (e.g.: glucosio o galattosio). Il composto che ne risulta è chiamato cerebroside, componenti dei nervi e delle membrane delle cellule cerebrali. Glucocerebroside

34 Gangliosidi I gangliosidi sono glicolipidi con porzione glicidica molto complessa che può contenere più di tre zuccheri di cui uno è sempre un acido sialico. I gangliosidi sono presenti in grandi quantità nel tessuto nervoso.

35 Steroidi Gli steroidi sono composti con funzioni molto diverse tra loro e struttura di ciclopentanoperidrofenantrene costituita da un sistema di anelli fusi contenente tre anelli a 6 atomi ed un anello a 5 atomi.

36 Colesterolo Lo steroide di maggiore interesse è il colesterolo, molecola altamente idrofobica in cui l unico gruppo idrofilo èil gruppo ossidrilico in posizione 3. Il colesterolo èmolto diffuso nelle membrane biologiche animali mentre non è presente nelle membrane delle cellule procariotiche. E il precursore di altri steroli. La vitamina D3 (colecalciferolo) si forma a partire dal colesterolo per azione dei raggi UV.

37 Colecalciferolo La vitamina D3 (colecalciferolo) si forma a partire dal colesterolo per azione dei raggi UV. Derivati idrossilati di questa vitamina sono le forme metabolicamente attive di questa vitamina che promuovono l assorbimento nell intestino del calcio introdotto con la dieta, reso così disponibile per le ossa.

38 Colesterolo Il colesterolo è conosciuto anche per i suoi effetti dannosi sulla salute quando è presente in eccesso nel sangue. E implicato nell insorgenza dell aterosclerosi, una condizione in cui depositi lipidici bloccano i vasi sanguigni e portano a malattie cardiache. Arteria normale Placca aterosclerotica

39 Ormoni steroidei Una classe di steroidi importanti comprende diversi ormoni tra cui quelli sessuali.

40 Vitamine liposolubili Le vitamine liposolubili sono idrofobiche. Svolgono diversi ruoli fisiologici.

41 Prostaglandine L acido arachidonico, un acido grasso insaturo con 20 atomi di C, è il precursore di prostaglandine e leucotrieni, composti con svariate attività fisiologiche. Le prostaglandine sono coinvolte nel controllo della pressione sanguigna, nella stimolazione delle contrazioni della muscolatura liscia, nell induzione della risposta infiammatoria e nell inibizione dell aggregazione delle piastrine. L aspirina, il cortisone ed altri farmaci steroidei devono gli effetti antinfiammatori all inibizione della sintesi di prostaglandine.

42 Leucotrieni I leucotrieni, tra cui il leucotriene C, controllano la contrazione della muscolatura liscia specialmente nei polmoni. Gli attacchi di asma provocano tali contrazioni nei polmoni a causa della sintesi di leucotriene C nelle reazioni allergiche come quelle causate dai pollini. Per il trattamento dell asma si utilizzano farmaci che inibiscono la sintesi del leucotriene C oppure i suoi recettori.

43 Doppi strati lipidici e proteine di membrana Concetti chiave: Alcune molecole anfifiliche formano doppi strati. Il doppio strato è una struttura fluida in cui i lipidi diffondono lateralmente in modo molto veloce. Le proteine integrali di membrana contengono una struttura transmembrana costituita da α eliche o da barili la cui superficie è idrofobica.

44 Doppi strati lipidici I doppi strati lipidici composti da fosfolipidi sono stabilizzati da interazioni idrofobiche tra le code idrocarburiche polari che si dispongono all interno del doppio strato. Le teste idrofiliche sono disposte sulla superficie esterna. Teste idrofiliche Code idrofobiche Teste idrofiliche

45 Doppi strati lipidici La forza trainante per la formazione dei doppi strati lipidici è l esclusione dell acqua dalla regione idrofobica dei lipidi. Si possono creare strutture simili a membrane artificiali (liposomi) che sono costituite da vescicole sferiche contenenti un compartimento acquoso interno.

46 Liposomi I liposomi possono essere preparati in laboratorio in modo tale che ospitino al loro interno agenti terapeutici da veicolare verso un tessuto bersaglio. Glicina Fosfolipide Sonicazione Filtrazione su gel Glicina intrappolata nel liposoma

47 Le membrane biologiche Le membrane biologiche contengono i glicolipidi oltre ai fosfolipidi come componente lipidica e una componente proteica. In aggiunta, gli steroidi sono presenti negli eucarioti: il colesterolo è presente nelle membrane animali e composti simili (fitosteroli) sono presenti nelle piante.

48 Asimetria del doppio strato lipidico Lo strato interno ed esterno del doppio strato contengono miscele di lipidi con diversa composizione. Le molecole più voluminose si trovano all esterno mentre le molecole più piccole si trovano nello strato interno. La struttura della parte idrocarburica può essere ordinata e rigida o disordinata e fluida. La fluidità del doppio strato dipende dalla sua composizione

49 Asimetria del doppio strato lipidico Le membrane presentano una distribuzione asimmetrica dei fosfolipidi

50 Distribuzione asimmetrica dei fosfolipidi nella membrana plasmatica degli eritrociti

51 Composizione lipidica nelle membrane di epatocita di ratto

52 Composizione e proprietà delle membrane Negli acidi grassi saturi una disposizione lineare delle catene idrocarburiche porta ad un impaccamento ravvicinato delle molecole del doppio strato (> rigidità). Negli acidi grassi insaturi, la torsione delle catene idrocarburiche provoca disordine nell assetto delle catene con conseguente maggiore fluidità.

53 Composizione e proprietà delle membrane Anche il colesterolo può favorire l ordine e la rigidità. La struttura ad anelli fusi è molto rigida e stabilizza la struttura estesa a catena dritta degli acidi grassi saturi mediante interazioni di van der Waals. Le membrane animali sono più rigide di quelle vegetali e procariotiche che non contengono colesterolo.

54 Diffusione dei fosfolipidi in un doppio strato lipidico I componenti lipidici di un doppio strato si trovano sempre in movimento. La migrazione (flipflop, giravolta) di molecole lipidiche da uno strato all altro avviene anche se con bassa frequenza. Il movimento laterale ha luogo frequentemente specialmente nei doppi strati più fluidi.

55 Diffusione dei fosfolipidi in un doppio strato lipidico Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP). La spettroscopia a fluorescenza può essere utilizzata seguire il movimento delle molecole in un doppio strato lipidico. Le molecole lipidiche possono essere marcate con sonde fluorescenti in maniera tale da seguire la loro diffusione laterale.

56 Fluorescence Recovery After Photobleaching

57 Transizione di fase delle membrane Con il calore i doppi strati lipidici diventano più disordinati. Tale transizione è cooperativa ed avviene a temperature caratteristiche. La temperatura di transizione èpiùelevata per membrane rigide ed ordinate. Nella transizione di fase l area superficiale aumenta e lo spessore diminuisce.

58 Proteine di membrana Le proteine di una membrana biologica possono essere periferiche, sulla superficie della membrana, o integrali, all interno del doppio strato lipidico. Le proteine anfitropiche si trovano sia ne citosol che in associazione con le membrane.

59 Proteine di membrana Le proteine periferiche possono essere rimosse con trattamenti blandi come l aumento di forza ionica del mezzo. Le particelle cariche del mezzo ad elevata forza ionica stabiliscono maggiori interazioni elettrostatiche con il lipide e con la proteina. La rimozione delle proteine integrali avviene con trattamenti drastici come l utilizzo di denaturanti o sonicazione.

60 Proteine di membrana Le proteine integrali sono molecole anfifiliche orientate asimmetricamente

61 Proteine di membrana Quando una proteina attraversa completamente la membrana si trova spesso nella conformazione ad α elica o a foglietto. Tali strutture rendono minimo il contatto tra le parti polari dello scheletro peptidico e i lipidi apolari del doppio strato.

62 Proteine di membrana La Batteriorodopsina contiene sette segmenti ad α elica che attraversano il doppio strato

63 Proteine di membrana Le catene laterali delle eliche trans membrana contengono residui amminoacidici con catene laterali idrofobiche che permettono l interazione con la porzione apolare del doppio strato.

64 Proteine di membrana I tratti di proteine che prendono contatto con la membrana si possono prevedere mediante valutazione dell idrofobicità dei residui amminoacidici di una proteina. Grafici di Kyte e Doolittle

65 Proteine di membrana Le proteine possono anche essere ancorate ai lipidi mediante legami covalenti tra cisteine o gruppi amminici liberi della proteina e ancore lipidiche (N Miristilazione ed S Palmitazione) o glicolipidiche (ancora GPI, glicosilfosfatidilinositolico).

66 Proteine di membrana Il movimento di alcune proteine di membrana è limitato dal loro ancoraggio a strutture interne costituite da proteine strutturali (anchirina e spettrina).

67 Modello a mosaico fluido e funzioni delle membrane Concetti chiave: Il modello a mosaico fluido descrive i riarrangiamenti dinamici e le interazioni tra i lipidi e le proteine di membrana. I lipidi non sono distribuiti in modo uniforme nella membrana e possono formare zattere lipidiche. La via di secrezione descrive il passaggio attraverso le membrane delle proteine transmembrana e di quelle secrete. Diversi tipi di vescicole rivestite mediano il trasporto delle proteine tra i compartimenti cellulari.

68 Modello a mosaico fluido Il modello ad oggi accettato per le membrane biologiche è il modello a mosaico fluido in cui lipidi e proteine si associano a formare le cosiddette zattere lipidiche (rafts). Le proteine galleggiano nel doppio strato lipidico e si possono muovere lungo il piano della membrana.

69 Modello a mosaico fluido Con la tecnica congelamento frattura (freeze fracture) è possibile dividere il doppio strato lipidico parallelamente alla superficie della membrana. Le code idrocarburiche sono separate e l interno della membrana appare granulare a causa della presenza delle proteine integrali di membrana.

70 Funzioni delle membrane Le membrane biologiche svolgono importanti funzioni: Ruolo strutturale come confine e contenitore di tutte le cellule e degli organelli delle cellule eucariotiche. Trasporto di sostanze In alcuni casi le proteine di membrana svolgono ruoli catalitici e di recettori

71 Trasporto attraverso le membrane Il trasporto di una sostanza all interno o esterno della cellula può avvenire mediante trasporto passivo se la sostanza si muove da una regione a concentrazione più elevata ad una a concentrazione inferiore. In tal caso la sostanza si muove nella direzione del gradiente di concentrazione e la cellula non consuma energia. Il trasporto passivo può avvenire mediante diffusione semplice se piccole molecole neutre (O 2, N 2, H 2 O e CO 2 ) attraversano la membrana senza interagire con altre molecole.

72 Trasporto attraverso le membrane Il trasporto passivo può anche avvenire mediante diffusione facilitata se le molecole più grandi e polari attraversano la membrana mediante proteine trasportatrici. Il trasporto del glucosio negli eritrociti avviene attraverso una proteina di trasporto (glucosio permeasi, GLUT). I trasportatori GLUT sono formati da 12 segmenti ad α elica idrofobici disposti in modo da formare un canale internamente rivestito di residui amminoacidici idrofilici che consentono il passaggio del glucosio attraverso la membrana degli eritrociti.

73 Trasporto attraverso le membrane Diffusione passiva e diffusione facilitata si possono distinguere dall andamento delle curve della velocità del trasporto (v) in funzione della concentrazione del substrato trasportato (S).

74 Trasporto attraverso le membrane Nel trasporto attivo una sostanza si muove contro gradiente di concentrazione e tale processo richiede la presenza di una specifica proteina di trasporto ed un consumo di energia d parte della cellula. Nel trasporto attivo primario il trasporto contro gradiente è collegato all idrolisi dell ATP come avviene nel caso della pompa ionica sodio potassio.

75 Trasporto attraverso le membrane Il modello proposto per il meccanismo di funzionamento della pompa ionica sodiopotassio ATPasi suppone che esistano due conformazioni E1 ed E2. Il legame di ioni Na + ad E1 èseguito da fosforilazione. Gli ioni Na + sono trasportati e rilasciati all esterno e gli ioni K + si legano all enzima. A seguito della defosforilazione di E2 la conformazione dell enzima cambia nuovamente ad E1 ed il rilascio di ioni K + all interno completa il ciclo.

76 Trasporto attraverso le membrane Nel trasporto attivo secondario il trasporto contro gradiente non è collegato all idrolisi dell ATP ma sfrutta l energia derivante dal concomitante passaggio di ioni H + nel verso del loro gradiente di concentrazione come avviene nel caso della galattoside permeasi dei batteri. Altri trasportatori primari (pompe protoniche) mantengono la concentrazione di ioni idrogeno più elevata all esterno

77 Trasporto attraverso le membrane Una pompa protonica è una proteina integrale di membrana capace di spostare protoni attraverso la membrana di una cellula, un mitocondrio, o altri compartimenti sub cellulari.

78 Trasporto attraverso le membrane Le ATPasi di tipo F catalizzano il trasporto di protoni contro gradiente, guidato dall idrolisi di ATP. Il gradiente protonico può fornire energia per la sintesi di ATP. Si parla in questo caso di ATP sintasi presente nei mitocondri e nei cloroplasti. L'enzima si attiva quando un protone percorre il canale secondo gradiente: ciò induce un movimento rotatorio nell'enzima, energia meccanica sufficiente per generare ATP da ADP e Pi.

79 Trasporto attraverso le membrane L'uniporto èil trasporto secondario di una sola sostanza che si muove sfruttando la differenza di potenziale elettrochimico creato da trasportatori primari. Il cotrasporto è il trasporto contemporaneo di due specie ioniche o di altri soluti che può avvenire in direzioni diverse (antiporto) o nella stessa direzione (simporto).

80 Trasporto attraverso le membrane

81 Recettori di membrana: recettore per le LDL