Appunti di biologia. I lipidi. Natura chimica Classificazione Struttura e funzioni biologiche

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I lipidi

Contenuti

•

Natura chimica

•

Classificazione

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Struttura e funzioni biologiche

Giancarlo Dessì, https://www.giand.it/appunti

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Appunti di biologia

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Natura chimica dei lipidi

A differenza delle altre biomolecole, i lipidi formano una categoria eterogenea di composti organici che in comune hanno una proprietà:

I lipidi sono composti insolubili in acqua a causa della prevalenza di legami non polari nella struttura molecolare

In generale sono composti proporzionalmente più ricchi in carbonio e

idrogeno e più poveri in ossigeno rispetto alle altre biomolecole.

Nei lipidi, quindi i legami apolari carbonio-carbonio e carbonio-idrogeno prevalgono sui legami polari ossigeno-carbonio e ossigeno-idrogeno.

Questa condizione rende le molecole dei lipidi idrofobiche.

A differenza delle altre biomolecole, le proprietà fondamentali dei lipidi

sono dovute, come negli idrocarburi, alla catena idrocarboniosa e quindi

si tratta di molecole la cui struttura è povera di gruppi funzionali

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Classificazione dei lipidi

Lipidi

Grassi Fosfolipidi Cere

Per esterificazione (condensazione tra acidi e alcoli)

Terpeni Steroidi

Per polimerizzazione di unità idrocarburiche

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Classificazione dei lipidi

In chimica organica l’esterificazione è una reazione di condensazione tra un acido (organico o inorganico) e un alcool

Nei lipidi:

●

l’acido è un acido carbossilico (acido grasso) o l’acido fosforico

●

l’alcool è il glicerolo o un alcool superiore (ad alto peso molecolare)

acidi grassi glicerolo

acido fosforico glicerolo grasso

acidi grassi

fosfolipide

acido grasso alcool superiore

cera

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Classificazione dei lipidi

La polimerizzazione è un’altra via di sintesi dei lipidi usata ampiamente dalle piante e, in misura minore dagli animali per produrre idrocarburi detti terpeni, che a loro volta sono composti di partenza usati per la sintesi degli steroidi e dei terpenoidi.

squalene

isoprene

Il prodotto di partenza di questa complessa via metabolica è un idrocarburo a 5 atomi di carbonio, detto isoprene. La polimerizzazione dell’isoprene porta alla formazione dei terpeni propriamente detti, composti esclusivamente da carbonio e idrogeno (idrocarburi).

L’aggiunta di gruppi funzionali contenenti altri atomi (ossigeno) porta alla formazione di composti idrofobici detti terpenoidi.

Da un terpene, lo squalene, parte una via metabolica che porta alla formazione degli steroli, a loro volta precursori della sintesi degli steroidi.

terpeni terpenoidi

steroidi steroli

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Grassi

I grassi o trigliceridi o trigliceridi degli acidi grassi sono i lipidi più noti in quanto importanti sotto l’aspetto dietetico e nutrizionale.

Chimicamente sono esteri composti dalla condensazione di un polialcool (glicerolo), con tre acidi carbossilici (acidi grassi)

HOOC CH₂

CH CH₂

OH OH OH

CH₂ HOOC CH₂ HOOC CH₂

CH₂ CH₂ CH₂

CH₂ CH CH

CH₂ CH₂ CH₂

CH₂ CH₂ CH

CH₂ CH₂ CH₂

CH₃ CH₂ CH₂

CH₂ CH₂

CH₃ CH₃

OC CH₂

CH CH₂

O O O

CH₂ OC CH₂ OC CH₂

CH₂ CH₂ CH₂

CH₂ CH CH

CH₂ CH₂ CH₂

CH₂ CH₂ CH

CH₂ CH₂ CH₂

CH₃ CH₂ CH₂

CH₂ CH₂

CH₃ CH₃ glicerolo

acido palmitico acido oleico acido linoleico

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Grassi

Gli acidi grassi possono essere distinti in saturi e insaturi

Tra gli atomi di carbonio ci solo legami semplici

Nella molecola c’è il numero massimo di atomi di idrogeno

Tra gli atomi di carbonio c’è almeno un legame doppio Nella molecola ci sono due atomi

di idrogeno in meno per ogni legame doppio

insaturi saturi

C C H H

H H

C C H H

La molecola degli acidi grassi insaturi ha forma irregolare perché la catena idrocarboniosa si

piega in corrispondenza dei doppi legami

La molecola degli acidi grassi saturi ha forma regolare

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Grassi

Hanno molecole di forma regolare che si legano bene

Di conseguenza

sono solidi a temperatura ambiente

Hanno molecole di forma irregolare che si legano male

Di conseguenza

sono liquidi a temperatura ambiente grassi insaturi grassi saturi

Alimenti ricchi di grassi saturi

● Burro

● Strutto

● Olio di cocco

● Olio di palma

Alimenti ricchi di grassi insaturi (oli)

● Oli vegetali in generale

● Pesce

Grassi idrogenati: sono saturi ottenuti da trasformazione chimica (idrogenazione) di grassi insaturi.

Esempi:

● Margarina (prevalentemente ottenuto da olio di di soia)

● Burro di arachidi (da olio di arachide parzialmente idrogenato)

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Grassi

I trigliceridi sono le biomolecole utilizzate dagli animali e in parte da altri organismi come deposito di riserve energetiche

A parità di peso, i grassi hanno un contenuto di energia pari a circa il doppio rispetto ai carboidrati e alle proteine

Funzione biologica principale

Altre funzioni:

● Isolante termico: i depositi di grasso sotto la pelle proteggono dal freddo gli animali che vivono in acque fredde

● varie

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Fosfolipidi

I fosfolipidi sono lipidi meno noti ma altrettanto importanti perché per le loro proprietà sono componenti strutturali essenziali per la vita, in quanto componenti delle membrane. Senza i fosfolipidi non potrebbe esserci vita.

Chimicamente sono esteri composti dalla condensazione di un polialcool (glicerolo), con due acidi carbossilici (acidi grassi) e l’acido fosforico. L’acido fosforico si lega a sua volta con una molecola contenente un gruppo ossidrile

CH₂ CH CH₂

O O O

CH₂ OC

CH₂ CH₂

CH₂ CH

CH₂ CH₂

CH₃

CH₂ CH₂ CH₃ acido grasso saturo P

O

O O

acido grasso insaturo glicerolo

fosfato _

R Tra le molecole che formano il residuo R una delle più importanti è la colina, un alcool contenente anche azoto

I fosfolipidi hanno una testa fortemente polare composta dal glicerolo, dal gruppo fosfato e dalla colina e una coda idrofobica, composta dalle catene idrocarboniose dei due acidi grassi.

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Fosfolipidi

La presenza di una testa fortemente polare e una coda idrofobica rende i fosfolipidi molecole anfipatiche: queste molecole si legano bene con l’acqua e con le sostanze idrofobiche.

In un mezzo acquoso le molecole dei fosfolipidi si dispongono

spontaneamente a formare una pellicola composta da un doppio strato che rivolge le teste polari verso l’acqua

ACQUA

teste polari

code idrofobiche

I fosfolipidi sono importanti componenti delle membrane cellulari.

Le membrane sono formate da un doppio strato di fosfolipidi che forma una

pellicola che separa completamente l’interno della cellula, acquoso, dall’ambiente esterno, anch’esso acquoso.

Funzione biologica principale

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Steroidi

Gli steroidi hanno struttura completamente diversa da quella dei grassi e dei fosfolipidi.

Le parte idrofobica della molecola è costituita da atomi di carbonio organizzati a formare catene idrocarboniose ad anello ai quali si può eventualmente legare un ramo laterale composto da una catena lineare.

Questa struttura di base, detta nucleo sterolico, è completata da pochi gruppi funzionali idrofili che, però, hanno un’incidenza marginale sulle

proprietà complessive della molecola.

HO sterolo

Dallo sterolo derivano tutti gli steroidi

Ogni angolo del poligono rappresenta un atomo di carbonio che forma 4 legami.

I legami con gli atomi di idrogeno non sono

rappresentati Esempio:

H

H C C

C

gruppo ossidrile

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Steroidi

La maggior parte degli steroidi presenti in natura ha la seguente struttura:

X

R

CH₃

Gruppo funzionale polare (in genere ossidrile o carbonile)

Gruppi metilici (idrofobici)

Catena idrocarburica in genere idrofobica

Presenza di eventuali doppi legami

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Steroidi

Alcuni esempi di steroidi

HO

CH₃

HO

CH₃

È il capostipite che dà origine a

vari steroidi nel corpo umano È il capostipite che dà origine alle vitamine del gruppo D

HO

CH₃

È il principale ormone sessuale femminile del gruppo degli estrogeni

colesterolo ergosterolo

estradiolo

O

CH₃

È uno dei principali ormoni femminili

progesterone OH

CH₃

O

CH₃

È il principale ormone maschile

testosterone CH₃

OH HO

CH₃

È uno dei principali acidi biliari, componenti della bile

acido colico OH

COOH

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Steroidi

Nel loro insieme, gli steroidi svolgono svariate funzioni biologiche, ciascuna propria di una molecola appartenente a questo gruppo di lipidi. Alcuni esempi:

Funzioni biologiche

● Colesterolo: componente della membrana cellulare degli animali e precursore di altri steroidi

● Ergosterolo: precursore delle vitamine del gruppo D (vitamina antirachitica)

● Ormoni corticosurrenali: ormoni steroidei che regolano varie funzioni del corpo come la sintesi del glucosio nel fegato (cortisolo) e la regolazione del bilancio del sodio (aldosterone). In questa categoria rientrano anche gli ormoni anabolizzanti.

● Ormoni sessuali: ormoni steroidei che regolano lo sviluppo dei caratteri sessuali e la fisiologia dell’apparato riproduttivo (testosterone, progesterone, estrogeni)

● Ecdisone: è l’ormone che stimola la muta (sostituzione dell’esoscheletro) nella crescita degli insetti

● Fitoecdisoni: sono steroidi di origine vegetale prodotti da alcune piante e hanno un’azione simile a quella dell’ecdisone. Poiché interferiscono con la crescita degli insetti, queste piante sono usate come insetticidi non tossici per i vertebrati.

● Acidi biliari: sono componenti della bile prodotta dal fegato, essenziali per la digestione dei grassi

● Glicosidi cardioattivi: sono biomolecole di origine vegetale, composte da un carboidrato legato ad uno steroide. Sono presenti in alcune piante velenose che agiscono sul sistema cardiocircolatorio (digitale, mughetto, ecc.)

● Saponine: sono biomolecole di origine vegetale, composte anch’esse da un carboidrato legato ad uno steroide. Sono presenti nei semi di alcune piante e possono provocare gravi danni al sangue.

● Fitosteroli: sono vari steroidi di origine vegetale, presenti nell’olio di diverse piante, alcuni utilizzati per vari scopi, nella produzione di farmaci, cosmetici e additivi alimentari.

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Cere

Le cere sono in genere esteri derivati dalla condensazione di un acido grasso e un alcool ad alto peso molecolare (alcol grasso)

Sia l’alcool sia l’acido grasso hanno una lunga catena idrocarboniosa. Nel complesso prevale ampiamente la parte idrofobica perché i legami polari si riducono ad una piccola parte centrale della molecola.

HOOC

CH₂ OH (CH₂)_n CH₃ (CH₂)_n

H₃C

OC

CH₂ O (CH₂)_n CH₃ (CH₂)_n

H₃C

alcool acido grasso

cera

Queste caratteristiche strutturali rendono le cere fortemente idrofobiche. Per questa proprietà sono ampiamente diffuse tra gli organismi viventi come sostanze

idrorepellenti, usate come impermeabilizzanti o per ostacolare le perdite d’acqua per evaporazione, sia tra i vegetali sia tra gli animali.

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Terpeni

I terpeni sono idrocarburi prodotti dagli organismi viventi per polimerizzazione dell’isoprene

CH C

CH

₃

CH

₂

CH

₂

Dai terpeni derivano anche i terpenoidi, lipidi in cui atomi di idrogeno della catena carboniosa vengono sostituiti da gruppi funzionali polari contenenti ossigeno.

I terpeni e i terpenoidi sono prodotti sia da organismi vegetali sia da organismi animali e svolgono svariate funzioni biologiche, non sempre note.

Tra le proprietà che possono avere terpeni e terpenoidi si citano la pigmentazione (colorazione) e la profumazione, che vengono spesso usate in varie tecnologie

(industria chimica e farmaceutica, cosmesi, erboristeria, industria alimentare, ecc.).

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Terpeni

● Resina delle conifere. È una miscela di sostanze lipidiche in cui prevalgono i terpeni, in particolare il pinene. Per le loro proprietà sono usate per produrre solventi per

vernici (acqua ragia, trementina), balsami, caramelle balsamiche, ecc.

● Canfora. È un terpenoide presente nel legno di alcuni alberi tropicali e nell’olio essenziale di varie piante mediterranee (rosmarino, alloro)

● Mentolo, eucaliptolo, geraniolo, ecc. Sono terpenoidi caratterizzati da un forte aroma e utilizzati per queste cararatteristiche nell’industria alimentare e nella

produzione di profumi, balsami, preparati farmaceutici ed erboristici, cosmetici, ecc.

Sono componenti tipici dell’olio essenziale di molte piante aromatiche.

● Carotene. È un terpene utilizzato dalle piante come pigmento (giallo-arancio) necessario per la fotosintesi. Il nostro organismo lo utilizza come precursore della vitamina A.

● Carotenoidi. Sono pigmenti derivati dai terpeni, prodotti sia da microrganismi sia dalle piante. Un esempio di carotenoide è il licopene, prodotto sia da piante sia da microrganismi, responsabile della colorazione rossa del pomodoro.

● Caucciù. Famosissimo per il suo ampio utilizzo, è un tipico terpene contenuto nel lattice di un albero del Sudamerica

Esempi di terpeni e terpenoidi