Lipidi e membrane. La chimica! Prof. Giorgio Sartor. Versione nov Copyright by Giorgio Sartor. All rights reserved.

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2 I lipidi I lipidi sono sostanze non polari (idrofobiche) solubili in solventi organici. Molti dei lipidi che compongono le membrane biologiche sono anfipatici, hanno una parte polare ed una apolare I lipidi si classificano come: Semplici omplessi V..4. gsartor Lipidi e membrane - - Semplici Lipidi Sono molecole che non contengono legano esterei o amidici Acidi grassi olesterolo omplessi Sono derivati di acidi grassi variamente esterificati o amidati. Glicerofosfolipidi e sfingosidi Trigliceridi V..4. gsartor Lipidi e membrane - 4-2

3 Semplici Lipidi Sono molecole che non contengono legano esterei o amidici Acidi grassi olesterolo V..4. gsartor Lipidi e membrane Acidi grassi Gli acidi grassi consistono in catene idrocarburiche con una funzione carbossilica ad una estremità Un acido grasso 6-: ( 2 ) Non-polare polare Un acido grasso 6- con un doppio legame tra gli atomi di carbonio 9 e 0 può essere descritto come: 6: cis V..4. gsartor Lipidi e membrane - 6 -

4 Acidi grassi Normalmente gli acidi grassi hanno numero pari di atomi di carbonio. I doppi legami sono in genere cis. 0 9 δ γ 4 β α 2 ω V..4. gsartor Lipidi e membrane Acidi grassi La nomenclatura degli acidi grassi: Nome comune, IUA. Alcuni acidi grassi: 4:0 acido miristico; 6:0 acido palmitico; 8:0 acido stearico; 8: cis 9 acido oleico; 8:2 cis 9,2 acido linoleico; 8: cis 9,2,5 acido α-linonenico; 20:4 cis 5,8,,4 acido arachidonico 20:5 cis 5,8,,4,7 acido eicosapentaenoico (ω-) V..4. gsartor Lipidi e membrane - 8-4

5 Acidi grassi Vi è libera rotazione intorno ai legami singoli - nella catena carboniosa. Non vi è libera rotazione intorno ai legami doppi. gni doppio legame cis provoca un gomito nella carena carboniosa. 9 0 V..4. gsartor Lipidi e membrane olesterolo Il colesterolo appartiene alla famiglia degli steroidi: V..4. gsartor Lipidi e membrane - 0-5

6 olesterolo La molecola è un derivato del ciclopentano peridro fenantrene: D A B V..4. gsartor Lipidi e membrane - - olesterolo La molecola è un derivato del ciclopentano peridro fenantrene: D A B Modificato con un doppio legame, un e una catena alifatica V..4. gsartor Lipidi e membrane - 2-6

7 olesterolo arte polare arte apolare V..4. gsartor Lipidi e membrane - - olesterolo Struttura rigida V..4. gsartor Lipidi e membrane - 4-7

8 Altri lipidi Derivati del colesterolo rmoni steroidei Vitamina D Acidi biliari A B D Derivati dell isoprene Terpeni arotenoidi (vitamina A) oenzima Q Vitamina K V..4. gsartor Lipidi e membrane Semplici Lipidi Sono molecole che non contengono legano esterei o amidici Agidi grassi olesterolo omplessi Sono derivati di acidi grassi variamente esterificati o amidati. Glicerofosfolipidi e sfingosidi Trigliceridi V..4. gsartor Lipidi e membrane - 6-8

9 Glicerofosfolipidi Sono esteri di acidi grassi e glicerolo R + R' R R' V..4. gsartor Lipidi e membrane Acido fosfatidico È il prototipo dei fosfolipidi, Si ottiene per esterificazione del glicerolo con due catene di acidi grassi (in e 2) e di acido fosforico (in ): 2 V..4. gsartor Lipidi e membrane - 8-9

10 Fosfolipidi Nei fosfolipidi la funzione acida libera del gruppo fosfato è esterificata con un alcool: olina Serina Etanolamina Glicerolo Inositolo N + N 2 N R 2 V..4. gsartor Lipidi e membrane Fosfatidilcolina Un esempio di glicerofosfolipide frequente nelle membrane biologiche è la fosfatidilcolina dove la funzione acida libera del gruppo fosfato è esterificata con la colina. N + 2 V..4. gsartor Lipidi e membrane

11 Fosfatidilcolina Un esempio di glicerofosfolipide frequente nelle membrane biologiche è la fosfatidilcolina dove la funzione acida libera del gruppo fosfato è esterificata con la colina. N + 2 V..4. gsartor Lipidi e membrane Fosfatidilcolina Nella fosfatidicolina, e più in generale nei fosfolipidi, si distinguono due porzioni della molecola: Testa polare N + ode apolari V..4. gsartor Lipidi e membrane

12 Fosfatidilinositolo Un altro esempio di glicerofosfolipide è il fosfatidilinositolo dove la funzione acida libera del gruppo fosfato è esterificata con lo zucchero inositolo. 2 Questa molecola è anche coinvolta nel cell-signaling. V..4. gsartor Lipidi e membrane Lisofosfolipidi Nei lisofosfolipidi solo una delle funzioni alcoliche del glicerolo è esterificata da un acido grasso e la funzione acida libera del gruppo fosfato è esterificata con un alcool: Lisofosfatidilcolina N + 2 V..4. gsartor Lipidi e membrane

13 Fosfofolipidi e Lisofosfolipidi La forma è differente: Fosfolipidi = cilindro Lisofosfolipidi = cono N + N + V..4. gsartor Lipidi e membrane Anfipaticità A causa della loro struttura i glicerofosfolipidi sono ANFIATII: ossiedono diverse solubilità in diverse parti della molecola. Idrosolubile (Idrofilico) Liposolubile (Idrofobico) N + 2 V..4. gsartor Lipidi e membrane

14 Sfingolipidi Un altra classe di lipidi complessi presente nelle cellule derivano dalla sfingosina: N 2 Il gruppo amminico può formare amidi con acidi grassi (ceramide) N V..4. gsartor Lipidi e membrane Sfingolipidi Un ceramide può essere ulteriormente esterificato dalla fosfocolina (sfingomielina): N N + Le cui forme e dimensioni sono simili alla fosfatidilcolina. V..4. gsartor Lipidi e membrane

15 Glicosfingolipidi Fanno parte di questa categoria i cerebrosidi (galattoso) N I gangliosidi (catena polisaccaridica complessa) N N N V..4. gsartor Lipidi e membrane Il comportamento David W. Deamer. ow leaky were primitive cells? Nature Vol 454 July 2008 V..4. gsartor Lipidi e membrane - 0-5

16 La fisica! David W. Deamer. ow leaky were primitive cells? Nature Vol 454 July 2008 V..4. gsartor Lipidi e membrane - - Anfipaticità oiché sono anfipatici quando sono in acqua tendono ad aggregare: Idrosolubile (Idrofilico) Liposolubile (Idrofobico) N + 2 V..4. gsartor Lipidi e membrane - 2-6

17 er formare membrane N + N + N + N + N + N + N + N + N + N N + N + N + N + N + N + N + N + N + V..4. gsartor Lipidi e membrane - - Le membrane biologiche Micelle Bilayers e proprietà Fluidità di membrana Mobilità laterale Raft roteine di membrana V..4. gsartor Lipidi e membrane - 4-7

18 Micelle Le micelle sono strutture sopramolecolari che si formano da lisofosfolipidi, molecole nelle quli l ingombro sterico della porzione idrofobica è più limitato. N + 2 V..4. gsartor Lipidi e membrane Micelle Le micelle hanno forma sferoidale. In solvente polare (acqua) la superficie è idrofilica mentre l interno è idrofobico. V..4. gsartor Lipidi e membrane - 6-8

19 Micelle Le micelle hanno forma sferoidale. In solvente polare (acqua) la superficie è idrofilica mentre l interno è idrofobico N + N+ N N N + N N N N + 2 N + 2 V 2 2 N + N N N N N N N V..4. gsartor Lipidi e membrane Micelle In solvente apolare (cloroformio) la superficie è idrofobica mentre l interno è idrofilico. V..4. gsartor Lipidi e membrane - 8-9

20 Micelle In solvente apolare (cloroformio) la superficie è idrofobica mentre l interno è idrofilico. l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l N + l l l l l l l l l l l l l N + N + l l l N + l l N + l l l N + l l N + l l N + l l l l l N + l l l l l l l N + l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l V..4. gsartor Lipidi e membrane oncentrazione Micellare ritica V..4. gsartor Lipidi e membrane

21 Bilayer I fosfolipidi tendono invece a formare bilayers. Liposomi: V..4. gsartor Lipidi e membrane Bilayer Lo stato fisico di un bilayer varia con la temperatura T V..4. gsartor Lipidi e membrane

22 A bassa temperatura Quasi solido V..4. gsartor Lipidi e membrane Alla temperatura di transizione V..4. gsartor Lipidi e membrane

23 Ad alta temperatura Struttura fluida V..4. gsartor Lipidi e membrane Transizione di fase La fase di un insieme di molecole dipende dalla temperatura Temperatura di transizione (T m ): temperatura alla quale l insieme di molecole ha uno stato intermedio tra le due fasi ed è regolata dalla composizione chimica: T m aumenta All aumentare della lunghezza della catena. All aumentare della saturazione della catena laterale. In una membrana naturale la T m è sempre minore di 0 (~ -2 ). V..4. gsartor Lipidi e membrane

24 Fluidità A parità di stato fisico la fluidità dipende (tra l altro) dalla concentrazione di colesterolo. Il colesterolo fa diminuire la fluidità della membrana. Il colesterolo inibisce il passaggio allo stato cristallino. Teste polari Regione irrigidita dal colesterolo ode apolari mobili V..4. gsartor Lipidi e membrane Importanza della fluidità La differenza in omposizione, resenza di colesterolo, resenza di proteine intrinseche o ancorate Tra le varie membrane cellulari si riflette in variazioni di fluidità che regolano le proprietà delle membrane stesse. Trasporto Mobilità laterale dei componenti ermeabilità V..4. gsartor Lipidi e membrane

25 Mobilità dei componenti di membrana Laterale Flip-flop V..4. gsartor Lipidi e membrane V..4. gsartor Lipidi e membrane

26 Eterogeneità nella composizione Le membrane hanno in genere composizione mista, nel foglietto esterno della membrana plasmatica gli sfingolipidi tendono a separarsi dai glicerofosfolipidi ed a colocalizzarsi con il colesterolo in microdomini (rafts). La formazione dei rafts è stata attribuita alla carenza di doppi legami nelle catena dei sfingolipidi. V..4. gsartor Lipidi e membrane ompartimentazione cellulare V..4. gsartor Lipidi e membrane

27 Mosaico fluido V..4. gsartor Lipidi e membrane roteine di membrana eriferiche Integrali on ancoraggio lipidico V..4. gsartor Lipidi e membrane

28 roteine integrali Batteriodopsina V..4. gsartor Lipidi e membrane roteine integrali orina V..4. gsartor Lipidi e membrane

29 roteine integrali itocromo ossidasi V..4. gsartor Lipidi e membrane roteine ancorate lasse relativamente recente Tipo di ancoraggio Miristoilamide (IN) Forma il legame con il residuo amino terminale (sempre una Gly) Estere o tioestere con acile di acido grasso (IN) L acido grasso può esser miristato, palmitato, sterato, oleato. L AA è una ys, Ser o Thr Tioetere con unità isoprenica (IN) La sequenza di AA: AAX (ysalifatico-alifatico-qualunque) Isoprene: farnesile (5-) e geranilgeranile (20-) R N R S R R S V..4. gsartor Lipidi e membrane

30 roteine ancorate Estere o tioestere con acile di acido grasso (IN) V..4. gsartor Lipidi e membrane roteine ancorate L ancoraggio può essere reversibile, I lipidi di ancoraggio sono in genere segnali molecolari. V..4. gsartor Lipidi e membrane

31 roteine ancorate Glicosilfosfatidilinositolo (UT) roteina Man = mannosio GN = glucosamina I = fosfatidilinositolo N (Man) GN I V..4. gsartor Lipidi e membrane V..4. gsartor Lipidi e membrane

32 Asimmetria La presenza di proteine e di classi diverse di lipidi V..4. gsartor Lipidi e membrane V..4. gsartor Lipidi e membrane

33 Lipoproteine Trasportano i trigliceridi ed il colesterolo V..4. gsartor Lipidi e membrane V..4. gsartor Lipidi e membrane

34 rediti e autorizzazioni all utilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: AME amela, ARVEY Richard, FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIIMIA [ISBN ] Zanichelli NELSN David L., X Michael M. I RINII DI BIIMIA DI LENINGER - Zanichelli GARRETT Reginald., GRISAM harles M. BIIMIA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli VET Donald, VET Judith G, RATT harlotte W FNDAMENTI DI BIIMIA [ISBN ] - Zanichelli E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Brenda: rotein Data Bank: Rensselaer olytechnic Institute: Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla rof. Giancarla rlandini dell Università di arma alla quale va il mio sentito ringraziamento. Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: oppure da gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal rof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor - giorgio.sartor@unibo.it 4