Lipidi & Membrane
Laurea Magistrale
Biologia Sperimentale e Applicata
Lipidi e membrane
1° PARTE
LIPIDI (1)
Miscellanea di molecole biologiche che
condividono la proprietà di non essere solubili
in acqua.
Molecole idrofobiche. Es:
Grassi
Oli (grasso liquido a temperatura ambiente)
Colesterolo
Molecole derivate dalle precedenti
LIPIDI (2)
I loro legami chimici covalenti, quasi
esclusivamente legami carbono – idrogeno o
carbono – carbono, contengono molta
energia:
Tipo di legame
Energia
(kcal/mole)
C-H
99
C-C
83
LIPIDI (3)
I lipidi sono perciò una efficiente forma di immagazzinare molta
energia in poco spazio.
Gli animali usano l’energia in eccesso per sintetizzare lipidi che
immagazzinano finchè l’energia non é necessaria.
Anche alcune piante immagazzinano energia sotto forma di lipidi, di
solito nei semi per fornire energia alla nuova piantina (ad es. semi
di girasole, nocciole, mandorle, tutti molti oleosi)
Se un animale o una pianta in sviluppo ha bisogno di energia può
degradare i lipidi e rilasciare l’energia immagazzinata nei suoi
legami chimici.
Lipidi modificati mediante collegamento ad un gruppo chimico
idrofilico, che quindi sono molecole bipolari , giocano un ruolo
fondamentale in quanto si associano spontaneamente in
membrane.
Lipidi: Funzioni
Immagazzinamento di energia (grassi e oli)
Membrane cellulari (fosfolipidi)
Cattura di energia luminosa (carotenoidi)
Ormoni e vitamine (steroidei e acidi grassi
modificati)
Isolamento termico
Isolamento elettrico dei nervi
Repulsione di acqua (cere e oli)
Gli acidi grassi sono lunghe catene idrocarburiche che hanno
all’estremità un gruppo acido (- COOH)
Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi.
Lipidi: Molecola insolubili in acqua
I grassi (animali) e gli oli (vegetali) immagazzinano energia.
I grassi e gli oli sono trigliceridi, composti da tre molecole di
acidi grassi esterificate con una molecola di glicerolo.
Il Glicerolo è una molecola con tre atomi di carbono e tre
gruppi idrossilici (—OH), uno per ogni atomo di carbono.
Gli acidi grassi sono lunghe catene idrocarburiche con un
gruppo carbossilico (—COOH) ad una estremità.
Lipidi: Acidi Grassi Saturi
Gli acidi grassi saturi
hanno soltanto legami
carbono-carbono singoli
(sono saturi di idrogeni).
Sono rigidi e dritti a
temperatura ambiente.
I grassi animali sono saturi.
Lipidi: Molecole insolubili in acqua
Gli acidi grassi insaturi hanno
almeno un carbono coinvolto in un
legame doppio nella catena – la
catena non è totalmente satura di
atomi di idrogeno.
I doppi legami provocano “gomiti”
che impediscono un facile
impacchettamento.
Sono liquidi a temperatura
ambiente.
Le piante di solito hanno acidi grassi
insaturi.
Acidi grassi saturi e insaturi
Most animal fats, solid
@ RT
Most vegetable oils, one
one or more double bonds
liquid @ RT
Ac. Grassi saturi
Ac. Grassi insaturi
Lipidi saturi e insaturi
I termini saturi e insaturi si riferiscono al numero di legami che può
fare ogni atomo di carbono della coda di acido grasso.
Lipidi saturi: hanno legami singoli fra tutti gli atomi di carbono e
quindi tutti gli atomi di carbono sono collegati al massimo numero di
idrogeni possibile.
Queste catene sono abbastanza lineari e possono impacchettarsi
strettamente, rendendo questi grassi solidi a temperatura ambiente.
Altri grassi hanno alcuni legami doppi fra taluni atomi di carbono della
coda, e ciò provoca un ripiegamento della coda.
Poichè gli atomi di carbono coinvolti nei legami doppi non sono in
grado di legarsi al maggiore numero di idrogeni possibile, vengono
chiamati grassi insaturi.
I ripiegamenti delle code impediscono ai grassi insaturi di
impacchettarsi strettamente come i grassi saturi, e ciò li rende
liquidi a temperatura ambiente.
Saturi
C16
Insaturo
C18
C18
Acidi grassi polinsaturi
Contengono più di un legame doppio nella loro
impalcatura.
Includono molti composti importanti quali gli acidi
grassi essenziali.
I più noti sono polieni interrotti da gruppi metilenici:
-C-C=C-C-C=CGli acidi grassi essenziali sono tutti omega-3 e
omega-6 acidi grassi con interruzione di gruppi
metilenici
saturo
polinsaturo
http://www.revisionworld.co.uk/node/5587
Acidi grassi monoinsaturi e polinsaturi
I grassi sono designati come “monoinsaturi” si vi è soltanto un
doppio legame e “”polinsaturi” si ci sono due o più legami
doppi.
Gli acidi grassi omega-3 e omega-6 sono acidi grassi
polinsaturi, la differenza sta nella localizzazione del legame
doppio:
Negli omega-3 il primo legame doppio si trova nel 3°
atomo di carbonio a contare dall’estremità metilenica
(nota come omega).
Negli omega-6 il primo legame doppio si trova nel 6°
atomo di carbonio.
http://www.eufic.org/article/en/artid/The-importance-of-omega-3-and-omega-6-fatty-acids/
Alcuni acidi grassi presenti naturalmente negli animali
Number of carbons
Number of double Common name
bonds
Systematic name
Formula
-
12
0
Laurate
n-Dodecanoate
CH3(CH2)10COO
14
0
Myristate
n-Tetradecanoate
CH3(CH2)12COO
16
0
Palmitate
n-Hexadecanoate
CH3(CH2)14COO
18
0
Stearate
n-Octadecanoate
CH3(CH2)16COO
20
0
Arachidate
n-Eicosanoate
CH3(CH2)18COO
22
0
Behenate
n-Docosanoate
CH3(CH2)20COO
24
0
Lignocerate
n-Tetracosanoate
CH3(CH2)22COO
16
1
Palmitoleate
cis-Δ Hexadecenoate
18
1
Oleate
cis-Δ Octadecenoate
18
2
Linoleate
cis,cis-Δ ,Δ CH3(CH2)4(CH=CHC
Octadecadienoate H2)2(CH2)6COO
18
3
Linolenate
all-cis-Δ ,Δ ,Δ CH3CH2(CH=CHCH2
Octadecatrienoate )3(CH2)6COO
20
4
Arachidonate
all-cisCH3(CH2)4(CH=CHC
5 8 11 14
Δ ,Δ ,Δ ,Δ H2)4(CH2)2COO
Eicosatetraenoate
9
12
9
12
-
-
-
9
9
-
-
CH3(CH2)5CH=CH(C
H2)7COO
CH3(CH2)7CH=CH(C
H2)7COO
15
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22497/table/A1642/?report=objectonly
Trigliceridi
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9879/figure/A257/
Sintesi dei trigliceridi
http://www.odec.ca/projects/2004/thog4n0/public_html/chemfat.html
Tessuto adiposo
e adipociti
http://www.udel.edu/biolo
gy/Wags/histopage/colorp
age/ca/watmv.GIF
http://proteome.biochem.mpg.de/adipo/
FOSFOLIPIDI
http://homepage.smc.edu/wissmann_paul/anatomy2textbook/phospholipid.jpg
3
Lipidi: Molecole Insolubili in acqua
I fosfolipidi hanno due codi di acidi grassi idrofobici e
un gruppo idrofilico legato al glicerolo.
Come conseguenza, in ambiente acquoso i fosfolipidi si
orientano in modo tale che i gruppi fosfato (e i gruppi
polari ad esso legati) si affacciano all’acqua e le code si
rivolgono dal lato opposto.
In ambiente acquoso questi lipidi formano doppi strati
(“bilayers”) con le teste rivolte all’esterno e lo code
rivolte verso l’interno.
Le membrane cellulari sono così strutturate.
Carattere anfipatico o anfifilico dei
fosfolipidi
Sn1: Saturo, 16-18
atomi di Carbono
Sn2: Sempre insaturo,
+ lungo: almeno 18
atomi di Carbono:
GLICEROFOSFOLIPIDI
Quattro fosfolipidi importanti nelle membrane plasmatiche dei mammiferi. Tutti i
lipidi rappresentati derivano dal glicerolo ad eccezione della sfingomielina, che
deriva dalla sfingosina (aminoalcool derivato dalla serina).
Fosfolipidi con acidi
grassi saturi
Fosfolipidi con acidi grassi
insaturi
Influenza dei legami doppi in posizione cis
delle catene idrocarburiche
I legami doppi rendono più difficile il compattamento reciproco delle
catene, così rendendo più difficile il congelamento del ”bilayer” lipidico.
Inoltre, dato che le catene degli acidi grassi dei lipidi insaturi sono più
sparpagliate, i bilayers lipidici che contengono lipidi insaturi sono più
sottili dei “bilayers” formati esclusivemente dai lipidi saturi.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26871/figure/A1875/?report=objectonly
Le teste mediano
interazioni con ioni
o con altre molecole
polari nell’ambiente
esterno
Le code
influenzano
la fluidità:
+ o – lunghe
Sature/insature
Struttura dei fosfolipidi (1)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9879/figure/A258/
Struttura dei fosfolipidi (2)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9879/figure/A258/
van Meer G. Cellular lipidomics. EMBO J. 24:3159-3165, 2005.
Saponi,
acidi biliari
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21726/figure/A305/
Oltre ai fosfolipidi, le membrane contengono
anche colesterolo
Tutti gli steroidi hanno la stessa struttura ad anelli
Becker, Il mondo della cellula
SFINGOLIPIDI
Sfingolipidi
Lipidi derivati
dall’aminoalcool sfingosina.
Un acido grasso è legato al
gruppo aminico della
sfingosina.
I diversi gruppi polari (R)
legati al gruppo-OH
conferiscono proprietà
molto diverse.
Quando R è l’idrogeno (H) il
composto si chiama
ceramide.
Ceramidi
I ceramidi sono una famiglia di molecole lipidiche.
Un ceramide è composto da sfingosina e di un acido grasso.
Si trovano in elevata concentrazione nella membrana plasmatica come
uno dei componenti della sfingomielina, che è uno dei principali lipidi del
doppio strato lipidico.
Per anni si è presunto che i ceramidi e altri sfingolipidi fossero soltanto
elementi strutturali ma oggi si sa che sono molto di più.
Forse uno degli aspetti più affascinanti del ceramide è che esso può agire
da molecola di segnalamento.
Le funzioni più note dei ceramidi come segnalatori cellulari includono la
regolazione del differenziamento, proliferazione e morte cellulare
programmata o apoptosi (Programmed cell Death):
http://en.wikipedia.org/wiki/Apoptosis).
I ceramidi giocano anche un ruolo importante nella formazione di exosomi
(Rayner & Hennessy, 2013)
Struttura degli
Sfingolipidi
La sfingomielina è
un fosfolipide.
I gangliosidi sono
glicolipidi.
Un fosfolipide derivato dalla sfingosina: sfingomielina
http://www3.nd.edu/~aseriann/sphingo.html
 Il cervello umano e il midollo spinale consistono in regioni grigie e bianche:
 La regione bianca è fatta da assoni delle cellule nervose avvolti in un rivestimento lipidico
bianco, la guaina mielinica, che fornisce isolamento elettrico e permette una conduzione
rapida dei segnali elettrici.
 La sclerosi multipla è provocata dalla degradazione graduale della guaina mielinica
 Le sfingomieline sono presenti in tutto il corpo come componente delle membrane di cellule
del sistema nervoso. Costiuiscono circa il 25% dei lipidi della guaina mielinica che circonda ed
isola le cellule del Sistema Nervoso Centrale.
 La malattia di Niemann-Pick è provocata da un deficit dell’enzima che degrada una quantità
eccessiva di sfingolmielina, che quindi si accumula nel fegato, cervello e midollo osseo. Un
bambino affetto di questa malattia di solito muore nell’infanzia.
http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/556sphingo.html
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/comm
ons/thumb/c/c1/Myelinated_neuron.jpg/220p
x-Myelinated_neuron.jpg
http://www.healthcentral.com/common/images/9/9682_96
13_5.jpg
Glicosfingolipidi
Nella classe dei glicolipidi la testa polare é legata alla
sfingosina mediante legame glicosidico con una
molecola di zucchero, e non mediante un legame
fosfoesterico, come nel caso dei fosfolipidi.
Glicosfingolipidi, GSLs
Composti anfipatici che comprendono subunità
glucidiche legate ad un ceramide.
Sono costituenti ubiquitari della membrana plasmatica di
tutte le cellule dei Vertebrati.
Si ritiene che gli GSLs siano recettori per microorganismi
e le loro tossine, modulatori della crescita cellulare e del
differenziamento e organizzatori dell’adesione delle
cellule alla matrice extracellulare.
Si conoscono più di 400 tipi di GSLs anche se nei
Vertebrati si trovano soltanto 7 tipi di monosaccaridi
negli GSLs.
R: fosforilcolina  sfingomielina
R: Zuchero/i glicosfingolipidi
Glicolipidi e cerebrosidi
I glicolipidi sono lipidi complessi che contengono carboidrati. I cerebrosidi sono un esempio che contiene
l’impalcatura di sfingosina legata ad un acido grasso e a un carboidrato. I carboidrati sono più
frequentemente glucosio o galattosio. Quelli che contengono diversi carboidrati sono chiamati gangliosidi.
L’esempio a destra contiene glucosio. Il glucocerebroside ha la funzione specifica di essere presente nelle
membrane cellulari dei macrofagi (cellule che proteggono il corpo distruggendo i microorganismi estranei.
Il galattocerebroside si trova quasi esclusivamente nelle membrane delle cellule del cervello.
Ci sono diverse malattie genetiche che derivano dall’assenza di enzimi specifici che degradano i lipidi. La
malattia di Tay-Sachs provoca un accumulo di gangliosidi e provoca la morte in pocchi anni. La malattia di
Gaucher provoca un accumulo eccessivo di glucocerebrosidi e dà origine ad anemia grave e fegato e milza
ingrossati.
http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/images/556cerebroside.gif
Principali classi di glicosfingolipidi (1)
Cerebrosidi: hanno un unico zucchero (di solito il
galattosio) legato al ceramide. I cerebrosidi aumentano
nella malattia di Krabbe a causa della mancanza
dell’enzima lisosomiale galattosidasi.
Solfatidi: sono esteri solforici dei galattocerebrosidi.
Costituiscono fino al 15% della ‘materia bianca’ del
cervello. I solfatidi si accumulano nel cervello nel corso
della leucodistrofia metacromatica a causa di mancanza
dell’enzima degradativo solfatasi nei lisosomi.
Principali classi di glicosfingolipidi (2)
Globosidi: sono ceramide oligosaccaridi neutri, in cui gli zuccheri sono di
solito galattosio, glucosio o N-acetilgalattosamina. Un globoside
importante é il ceramide triesosido che si accumula nel rene di pazienti
con la malattia di Fabry a causa di mancanza dell’enzima lisosomiale
galattosidasi A.
Gangliosidi: sono glicosfingolipidi acidi e contengono acido Nacetilneuramico (noto anche come acido sialico o NANA). Sono
concentrati nelle estremità nervose e costituiscono fino a 5-10% della
massa lipidica totale delle cellule nervose. I gangliosidi più comuni sono
GM1, GD1a, GD1b, GT1b. Il GM1 è un componente delle cellule della mucosa
intestinale e si può legare alla subunità ß della tossina del colera,
provocando un aumento dell cAMP, del trasporto degli ioni cloro, e una
grave diarrea. Il GM2 aumenta nella malattia di Tay Sachs a causa di una
carenza della ß-hexosaminidase A.
Ruolo degli sfingolipidi
Prottetivo: ad es. sulla superficie apicale delle cellule
epiteliali per proteggerle dal basso pH o dalla
digestione enzimatica.
Trasmissione elettrica: in particolare i gangliosidi che
acquisiscono cariche elettriche dopo una campo
elettrico nella cellula nervosa.
Isolanti elettrici
Riconoscimento cellula-cellula: ad es. recettori di
tipo sfingolipidi sui neutrofili si legano alla P-selettina
sulle cellule endoteliali.
http://alexandria.healthlibrary.ca/documents/notes/bom/unit_1/L-31%20Complex%20Lipids.xml
van Meer, G. et al. J Cell Sci 2011;124:5-8
http://jcs.biologists.org/content/124/1/5/F1.large.jpg
Struttura delle membrane
http://en.wikibooks.org/wiki/Biochemistry/Lipids_And_The_Plasma_Membrane
Doppio strato lipidico («bilayer»)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21583/figure/A1152/
Unità di misura per riferimento
Metro – m
Milimetro – mm = 10-3 m
Micron - µm: 10-6 m
Nanometro – nm: 10-9 m = 10-3 µm [millimicron, obsoleto]
Ångstrom – Å = 10-10 m = 10-1 nm
Ångstrom: Unità spesso usata in Scienze Naturali e tecnologia
per esprimere le dimensioni di atomi, molecule, e strutture
biologiche microscopiche, le dimensioni dei legami chimici, la
disposizione degli atomi nei cristalli, la lunghezza d’onda della
radiazione elettromagnetica e le dimensioni dei component dei
circuiti integrati (elettronica).
Membrana plasmatica:
modello del mosaico fluido
Spessore membrana: 5-8 nm (50-80 Å)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9928/table/A326/?report=objectonly
Nell’ambito di ogni foglietto, i fosfolipidi hanno
libertà di movimento
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9928/figure/A327/
Il movimento da un
foglietto all’altro
(«flip-flop») è
difficoltato dal
carattere anfipatico
del lipide e quindi ha
bassa probabilità di
avvenire.
Può essere facilitato
da appositi enzimi
(«flippasi»)
Nella membrana plasmatica la distribuzione dei
(fosfo)lipidi è asimmetrica
Asimmetria della membrana
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9898/figure/A1970/?report=objectonly
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26871/figure/A1883/?report=objectonly
IMPORTANZA BIOLOGICA DELL’ASIMMETRIA
DEI LIPIDI DELLE MEMBRANE (1)
Le composizioni dei due monostrati del bilayer lipidico sono marcatamente diverse.
Es: nella membrana degli eritrociti umani, quasi tutte le molecole lipidiche che
hanno la colina (CH3)3N+CH2CH2OH nel loro gruppo di testa (fosfatidilcolina e
sfingomielina) si trovano nel foglietto esterno, mentre quasi tutte le molecole di
fosfolipidi che contengono un aminogruppo terminale primario
(fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina) si trovano nel monostrato interno. Poichè
la fosfatidilserina carica negativamente è localizzata nel monostrato interno, vi è
una significativa differenza di cariche fra le due metà del doppio strato:
Importanza dell’assimmetria (2)
L’asimmetria dei lipidi è funzionalmente importante.
Molte proteine del citosol si legano a specifici gruppi di
testa di lipidi presenti sul monostrato citosolico del bilayer
lipidico.
Ad es., l’enzima proteina chinasi C (PKC) viene attivata in risposta a
diversi segnali extracellulari. La PKC si lega alla faccia citosolica
della membrana plasmatica, dove è concentrata la fosfatidilserina,
e richiede questo fosfolipide carico negativamente per la sua
attività.
Importanza dell’assimmetria (3)
In altri casi, il gruppo di testa dei lipidi deve essere prima
modificato in modo da creare siti di aggancio per le proteine in una
posizione e momento determinati.
Ad esempio, il fosfatidilinositolo, che è un fosfolipide poco
rappresentato, concentrato nel monostrato citosolico delle membrane
cellulari. Diversi enzimi detti chinasi dei lipidi possono legare gruppi
fosfato in posizioni distinte dell’anello di inositolo. Gli inositolofosfolipidi fosforilati fungono da siti di legame che reclutano proteine
specifiche dal citosol fino alla membrana.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/boo
ks/NBK9870/figure/A2244/?repor
t=objectonly
Importanza dell’assimmetria (4)
Un importante esempio di chinasi dei lipidi è la
fosfatidilinositolo chinasi (PI3-chinasi), che è attivata in
risposta a segnali extracellulari ed aiuta a reclutare specifiche
proteine di segnalamento fino alla faccia citosolica della
membrana plasmatica.
Proteina chinasi simili fosforilano gli inositolfosfolipidi delle
membrane intracellulari e quindi aiutano a reclutare proteine
che guidano il trasporto di membrana.
I fosfolipidi della membrana plasmatica sono usati anche in un
altro modo nella risposta ai segnali extracellulari.
Importanza dell’assimmetria (5)
La membrana plasmatica contiene diversI enzimi detti
fosfolipasi che sono attivate da segnali extracellulari per
scindere molecole di fosfolipidi specifiche, generando
frammenti di queste molecole che fungono da mediatori
intracellulari a corta vita.
Ad esempio, la fosfolipasi C, scinde un inositolo fosfolipide
del monostrato citosolico della membrana plasmatica per
generare due frammenti, uno dei quali rimane nella
membrana ed aiuta ad attivare la proteina chinasi C,
mentre l’altro è rilasciato nel citosol dove stimola il rilascio
di Ca2+ dal reticolo endoplasmatico.
Importanza dell’assimmetria (6)
Gli animali sfruttano l’assimmetria dei fosfolipidi delle membrane
plasmatiche per distinguere fra cellule vive e cellule morte. Quando
una cellula animale subisce la morte cellulare programmata, o
apoptosi, la fosfatidilserina, che normalmente è confinata nel
monostrato citosolico della membrana plasmatica, viene
rapidamente traslocata al monostrato extracellulare. La
fosfatidilserina esposta sulla superficie cellulare serve di segnale per
indurre le cellule vicine, come ad esempio i macrofagi, a fagocitare la
cellula morta e a digerirla. La traslocazione della fosfatidilserina nelle
cellule apoptotiche ha luogo mediante due meccanismi:
Il traslocatore di fosfolipidi che normalamente trasporta i lipidi dal
monostrato non citosolico al monostrato citosolico viene
inattivato.
Una “scramblase” che trasferisce i fosfolipidi non specificamente in
entrambe le direzioni fra i due monostrati viene attivata.
http://www.roche-applied-science.com/sis/apoptosis/images/products/annexin01.gif
La membrana come condensatore elettrico
Il doppio strato fosfolipidico è un isolante quasi perfetto
Esso può separare le cariche elettriche fra l’interno e
l’esterno della cellula: la membrana funziona come un
condensatore elettrico
Le proprietà capacitive della membrana creano una differenza
di distribuzione di cariche che porta alla formazione di un
potenziale di membrana:
Il numero di cariche negative è maggiore all’interno della cellula
La membrana plasmatica è polarizzata: ha una distribuzione di ioni e di
molecole con carica elettrica diversa nei due lati.
Le cellule eccitabili possono scaricarsi in quanto hanno pori attraverso
i quali gli ioni possono passare: canali ionici “gated”
Modello del mosaico fluido
Le molecole biologiche consistono di proteine inserite in un doppio strato
lipidico.
Le proteine integrali di membrana sono inserite nella membrana, di solito
tramite regioni ad α-elica con 20-25 aminoacidi idrofobici.
Alcune proteine transmembrana attraversano la membrana solo una volta,
altre hanno diverse regioni che attraversano la membrana.
Altre proteine sono ancorate alla membrana mediante lipidi che sono
legati covalentemente alla catena polipeptidica.
Queste proteine possono essere ancorate alla faccia extracellulare
della membrana plasmatica mediante glicolipidi e alla faccia citosolica
mediante acidi grassi o gruppi prenilici.
Le proteine periferiche non sono inserite nella membrana ma sono
attaccate mediante interazioni con proteine integrali di membrana.