ACIDI GRASSI: STRUTTURA, TIPI, FUNZIONI, BIOSINTESI - BIOLOGIA - 2024

Gli acidi grassi sono macromolecole organiche derivate da idrocarburi, che sono composte da lunghe catene di atomi di carbonio e idrogeno aventi idrofobicità (sono liposolubili) e sono la base strutturale di grassi e lipidi.

Sono molecole molto diverse tra loro che si distinguono per la lunghezza delle loro catene di idrocarburi e per la presenza, il numero, la posizione e / o la configurazione dei loro doppi legami.

Schema generale di un acido grasso saturo (Fonte: Laghi.l tramite Wikimedia Commons)

Nei lipidi di animali, piante, funghi e microrganismi come batteri e lieviti, sono state descritte più di 100 diverse classi di acidi grassi, considerati specie e tessuti specifici nella maggior parte degli esseri viventi.

Gli oli e i grassi che l'uomo consuma quotidianamente, siano essi di origine animale o vegetale, sono composti principalmente da acidi grassi.

introduzione

Il burro, tra le altre cose, è essenzialmente costituito da acidi grassi (Fonte: Africa Studio, via pixabay.com)

Le molecole di acidi grassi svolgono importanti funzioni a livello cellulare, rendendole componenti essenziali e, poiché alcune di esse non possono essere sintetizzate dagli animali, devono ottenerle dalla dieta.

Gli acidi grassi sono rari come specie libere nel citosol cellulare, quindi si trovano generalmente come parte di altri coniugati molecolari come:

- Lipidi, nelle membrane biologiche.

- Trigliceridi o esteri di acidi grassi, che fungono da riserva nelle piante e negli animali.

- Cere, che sono esteri solidi di acidi grassi a catena lunga e alcoli.

- Altre sostanze simili.

Negli animali, gli acidi grassi sono immagazzinati nel citoplasma delle cellule come piccole goccioline di grasso costituite da un complesso chiamato triacilglicerolo, che non è altro che una molecola di glicerolo a cui si è legato, in ciascuno dei suoi atomi di carbonio, una catena di acidi grassi da legami estere.

Mentre i batteri possiedono acidi grassi corti e solitamente monoinsaturi, in natura è comune trovare acidi grassi le cui catene hanno un numero pari di atomi di carbonio, di solito tra 14 e 24, saturi, monoinsaturi o polinsaturi.

Struttura

Gli acidi grassi sono molecole anfipatiche, cioè hanno due regioni chimicamente definite: una regione polare idrofila e una regione apolare idrofobica.

La regione idrofobica è costituita da una lunga catena idrocarburica che, in termini chimici, è poco reattiva. La regione idrofila, invece, è composta da un gruppo carbossilico terminale (-COOH), che si comporta come un acido.

Questo gruppo carbossilico terminale o acido carbossilico ionizza in soluzione, è altamente reattivo (chimicamente parlando) ed è molto idrofilo, rappresentando così un sito di legame covalente tra l'acido grasso e altre molecole.

La lunghezza delle catene idrocarburiche degli acidi grassi di solito ha un numero pari di atomi di carbonio, e questo è strettamente correlato al processo biosintetico con cui sono prodotte, poiché la loro crescita avviene in coppie di atomi di carbonio.

Gli acidi grassi più comuni hanno catene comprese tra 16 e 18 atomi di carbonio e negli animali queste catene non sono ramificate.

Classificazione

Gli acidi grassi sono classificati in due grandi gruppi in base alla natura dei legami che li compongono, cioè in base alla presenza di singoli legami o doppi legami tra gli atomi di carbonio delle loro catene idrocarburiche.

Quindi, ci sono acidi grassi saturi e insaturi.

- Gli acidi grassi saturi hanno solo singoli legami carbonio - carbonio e tutti i loro atomi di carbonio sono "saturi" o attaccati a molecole di idrogeno.

- Gli acidi grassi insaturi hanno uno o più doppi legami carbonio-carbonio e non tutti sono attaccati a un atomo di idrogeno.

Gli acidi grassi insaturi si dividono anche in base al numero di insaturazioni (doppi legami) in monoinsaturi, quelli con un solo doppio legame, e polinsaturi, quelli con più di uno.

Acidi grassi saturi

Di solito hanno tra 4 e 26 atomi di carbonio legati da singoli legami. Il suo punto di fusione è direttamente proporzionale alla lunghezza della catena, cioè al suo peso molecolare.

Gli acidi grassi che hanno tra 4 e 8 atomi di carbonio sono liquidi a 25 ° C e sono quelli che compongono gli oli commestibili, mentre quelli con più di 10 atomi di carbonio sono solidi.

Tra i più comuni c'è l'acido laurico, che è abbondante negli oli di palmisti e cocco; acido palmitico, che si trova nella palma, nel cacao e nel lardo, e l'acido stearico, che si trova nel cacao e negli oli idrogenati.

Sono acidi grassi con molta più stabilità degli acidi grassi insaturi, soprattutto contro l'ossidazione, almeno in condizioni fisiologiche.

Poiché i singoli legami carbonio-carbonio possono ruotare liberamente, gli acidi grassi saturi sono molecole molto flessibili, sebbene l'impedimento sterico renda la struttura completamente estesa la più energeticamente stabile.

Acidi grassi insaturi

Questi acidi grassi sono altamente reattivi e soggetti a saturazione e ossidazione. Sono comuni nelle piante e negli organismi marini. Quelli con un solo doppio legame sono noti come monoinsaturi o monoenoici, mentre quelli con più di due sono noti come polienoici o polinsaturi.

La presenza di doppi legami è comune tra gli atomi di carbonio tra le posizioni 9 e 10, ma ciò non significa che non si trovino acidi grassi monoinsaturi con un'insaturazione in un'altra posizione.

A differenza di quelli saturi, gli acidi grassi insaturi sono elencati non dal gruppo carbossilico terminale, ma in base alla posizione del primo doppio legame C - C. Pertanto, sono divisi in due gruppi, acidi omega-6 o ω6. e omega-3 o ω3.

Gli acidi Omega-6 hanno il primo doppio legame al carbonio numero 6 e gli acidi omega-3 lo hanno al carbonio numero 3. Il nome ω è dato dal doppio legame più vicino al gruppo metilico finale.

I doppi legami possono anche essere trovati in due configurazioni geometriche note come "cis" e "trans".

La maggior parte degli acidi grassi insaturi naturali ha una configurazione "cis" ei doppi legami degli acidi grassi presenti nei grassi commerciali (idrogenati) sono in "trans".

Negli acidi grassi polinsaturi, due doppi legami sono solitamente separati l'uno dall'altro da almeno un gruppo metile, cioè un atomo di carbonio legato a due atomi di idrogeno.

Caratteristiche

Gli acidi grassi hanno molteplici funzioni negli organismi viventi e, come accennato in precedenza, una delle loro funzioni essenziali è come parte essenziale dei lipidi, che sono i componenti principali delle membrane biologiche e una delle tre biomolecole più abbondanti negli organismi. vivo in combinazione con proteine ​​e carboidrati.

Sono anche ottimi substrati energetici grazie ai quali si ottengono grandi quantità di energia sotto forma di ATP e altri metaboliti intermedi.

Dato che gli animali, ad esempio, non sono in grado di immagazzinare carboidrati, gli acidi grassi rappresentano la principale fonte di accumulo di energia che deriva dall'ossidazione degli zuccheri consumati in eccesso.

Gli acidi grassi saturi a catena corta nel colon contribuiscono a stimolare l'assorbimento di acqua e ioni sodio, cloruro e bicarbonato; Inoltre, hanno funzioni nella produzione di muco, nella proliferazione dei colonociti (cellule del colon), ecc.

Gli acidi grassi insaturi sono particolarmente abbondanti negli oli vegetali commestibili, che sono importanti nella dieta di tutti gli esseri umani.

Gli oli che consumiamo quotidianamente sono acidi grassi (Fonte: stevepb, via pixabay.com)

Altri partecipano come ligandi di alcune proteine ​​con attività enzimatica, motivo per cui sono importanti rispetto ai loro effetti sul metabolismo energetico delle cellule in cui si trovano.

biosintesi

La degradazione degli acidi grassi è nota come β-ossidazione e si verifica nei mitocondri delle cellule eucariotiche. La biosintesi, al contrario, avviene nel citosol delle cellule animali e nei cloroplasti (organelli fotosintetici) delle cellule vegetali.

È un processo dipendente da acetil-CoA, malonil-CoA e NADPH, si verifica in tutti gli organismi viventi e negli animali "superiori" come i mammiferi. Ad esempio, è molto importante nel fegato e nei tessuti adiposi, nonché nelle ghiandole mammarie.

Il NADPH utilizzato per questa via è il prodotto, principalmente, delle reazioni di ossidazione dipendenti dal NADP della via del pentoso fosfato, mentre l'acetil-CoA può provenire da diverse fonti, ad esempio dalla decarbossilazione ossidativa del piruvato, Ciclo di Krebs e β-ossidazione degli acidi grassi.

La via di biosintesi, come quella della β-ossidazione, è altamente regolata in tutte le cellule da effettori allosterici e modificazioni covalenti di enzimi che partecipano alla regolazione.

-Sintesi di malonil-coA

Il percorso inizia con la formazione di un intermedio metabolico noto come malonil-CoA da una molecola di acetil-CoA ed è catalizzato da un enzima multifunzionale chiamato acetil-CoA carbossilasi.

Questa reazione è una reazione di addizione di una molecola carbossilica dipendente dalla biotina (-COOH, carbossilazione) e avviene in due fasi:

1. In primo luogo, il trasferimento dipendente dall'ATP di un carbossile derivato dal bicarbonato (HCO3-) a una molecola di biotina si verifica come un gruppo protesico (non proteico) associato all'acetil-CoA carbossilasi.
2. Successivamente, la CO2 viene trasferita ad acetil-coA e viene prodotto malonil-coA.

-Reazioni del percorso

Negli animali, la formazione di catene di carboidrati di acidi grassi avviene ulteriormente attraverso reazioni di condensazione sequenziali catalizzate da un enzima multimerico e multifunzionale noto come sintasi degli acidi grassi.

Questo enzima catalizza la condensazione di un'unità acetil-CoA e di più molecole di malonil-CoA prodotte dalla reazione acetil-CoA carbossilasi, un processo durante il quale viene rilasciata una molecola di CO2 per ogni malonil-CoA che aggiunge.

Gli acidi grassi in crescita vengono esterificati in una proteina chiamata "proteina vettore acilica" o ACP, che forma tioesteri con gruppi acilici. In E. coli questa proteina è un polipeptide da 10 kDa, ma negli animali fa parte del complesso sintasi degli acidi grassi.

La rottura di questi legami tioestere rilascia grandi quantità di energia, il che rende possibile, termodinamicamente parlando, il verificarsi di fasi di condensazione nel percorso biosintetico.

Complesso di sintasi degli acidi grassi

Nei batteri, l'attività sintasi degli acidi grassi corrisponde in realtà a sei enzimi indipendenti che utilizzano l'acetil-coA e il malonil-coA per formare gli acidi grassi e ai quali sono associate sei diverse attività enzimatiche.

Complesso di sintasi di acidi grassi omodimerico e multifunzionale da animali (Fonte: Boehringer Ingelheim tramite Wikimedia Commons)

Nei mammiferi, al contrario, la sintasi dell'acido grasso è un complesso enzimatico omodimerico multifunzionale di peso molecolare di circa 500 kDa, che ha sei diverse attività catalitiche e con cui si associa la proteina vettore acilica.

Passaggio 1: reazione di innesco

I gruppi tiolo nei residui di cisteina responsabili del legame di intermedi metabolici all'enzima ACP devono essere caricati, prima dell'inizio della sintesi, con i gruppi acilici necessari.

Per fare ciò, il gruppo acetile di acetil-coA viene trasferito al gruppo tiolo (-SH) di uno dei residui di cisteina della subunità ACP della sintasi degli acidi grassi. Questa reazione è catalizzata dalla subunità ACP-acil-transferasi.

Il gruppo acetile viene quindi trasferito dall'ACP a un altro residuo di cisteina nel sito catalitico di un'altra subunità enzimatica del complesso noto come β-chetoacil-ACP-sintasi. Pertanto, il complesso enzimatico è "pronto" per iniziare la sintesi.

Fase 2: trasferimento di unità di malonil-CoA

La malonil-CoA prodotta dall'acetil-CoA carbossilasi viene trasferita al gruppo tiolo in ACP e durante questa reazione la porzione di CoA viene persa. La reazione è catalizzata dalla subunità malonil-ACP-transferasi del complesso sintasi degli acidi grassi, che poi produce malonil-ACP.

Durante questo processo, il gruppo malonile è legato all'ACP e alla β-chetoacil-ACP-sintasi attraverso un estere e un altro legame solfidrilico, rispettivamente.

Passaggio 3: condensa

L'enzima β-chetoacil-ACP-sintasi catalizza il trasferimento del gruppo acetile ad esso attaccato nella fase di "priming" al 2-carbonio del gruppo malonile che, nel passaggio precedente, è stato trasferito all'ACP.

Durante questa reazione, una molecola di CO2 viene rilasciata dal malonile, che corrisponde alla CO2 fornita dal bicarbonato nella reazione di carbossilazione dell'acetil-CoA carbossilasi. Viene quindi prodotto l'acetoacetil-ACP.

Passaggio 4: riduzione

La subunità β-chetoacil-ACP-reduttasi catalizza la riduzione dipendente dal NADPH dell'acetoacetil-ACP, formando così D-β-idrossibutiril-ACP.

Passaggio 5: disidratazione

In questa fase si forma trans-α, β-acil-ACP o ∆2-insaturo-acil-ACP (cratonil-ACP), un prodotto della disidratazione del D-β-idrossibutirrile-ACP per azione della subunità enoilica. ACP-idratasi.

Successivamente, la cratonil-ACP viene ridotta a butirrile-ACP da una reazione dipendente da NADPH catalizzata dalla subunità enoil-ACP-reduttasi. Questa reazione completa il primo dei sette cicli necessari per produrre palmitoil-ACP, che è un precursore di quasi tutti gli acidi grassi.

Come procedono le successive reazioni di condensazione?

Il gruppo butirilico viene trasferito da ACP al gruppo tiolo di un residuo di cisteina in β-chetoacil-ACP-sintasi, per cui ACP è in grado di accettare un altro gruppo malonile da malonil-CoA.

In questo modo, la reazione che si verifica è la condensazione di malonil-ACP con buturil-β-chetoacil-ACP-sintasi, che dà origine a β-chetoesanoil-ACP + CO2.

Il palmitoil-ACP che deriva dalle fasi successive (dopo l'aggiunta di altre 5 unità maloniliche) può essere rilasciato come acido palmitico libero grazie all'attività dell'enzima tioesterasi, può essere trasferito a CoA o incorporato in acido fosfatidico per via di sintesi di fosfolipidi e triacilgliceridi.

Struttura dell'acido palmitico (Fonte: Andel, tramite Wikimedia Commons)

La sintasi degli acidi grassi della maggior parte degli organismi si ferma nella sintesi di palmitoil-ACP, poiché il sito catalitico della subunità β-chetoacil-ACP-sintasi ha una configurazione in cui possono essere alloggiati solo acidi grassi di quella lunghezza.

Come si formano gli acidi grassi con un numero dispari di atomi di carbonio?

Questi sono relativamente comuni negli organismi marini e sono anche sintetizzati da un complesso di sintasi degli acidi grassi. Tuttavia, la reazione di "innesco" avviene con una molecola più lunga, propionil-ACP, con tre atomi di carbonio.

Dove e come si formano gli acidi grassi a catena più lunga?

L'acido palmitico, come discusso, funge da precursore per molti acidi grassi saturi e insaturi a catena più lunga. Il processo di "allungamento" degli acidi grassi avviene nei mitocondri, mentre l'introduzione delle insaturazioni avviene essenzialmente nel reticolo endoplasmatico.

Molti organismi convertono i loro acidi grassi saturi in insaturi come adattamento alle basse temperature ambientali, poiché ciò consente loro di mantenere il punto di fusione dei lipidi al di sotto della temperatura ambiente.

Proprietà degli acidi grassi

Molte delle proprietà degli acidi grassi dipendono dalla lunghezza della loro catena e dalla presenza e dal numero di insaturazioni:

- Gli acidi grassi insaturi hanno punti di fusione inferiori rispetto agli acidi grassi saturi della stessa lunghezza.

- La lunghezza degli acidi grassi (il numero di atomi di carbonio) è inversamente proporzionale alla fluidità o flessibilità della molecola, cioè le molecole "più corte" sono più fluide e viceversa.

In generale, le sostanze grasse fluide sono composte da acidi grassi a catena corta con presenza di insaturazioni.

Le piante hanno abbondanti quantità di acidi grassi insaturi, così come gli animali che vivono a temperature molto basse, poiché questi, in quanto componenti dei lipidi presenti nelle membrane cellulari, conferiscono loro una maggiore fluidità in queste condizioni.

In condizioni fisiologiche, la presenza di un doppio legame nella catena idrocarburica di un acido grasso provoca una curvatura di circa 30 °, che fa sì che queste molecole occupino uno spazio maggiore e diminuiscano la forza delle loro interazioni di van der Waals.

La presenza di doppi legami negli acidi grassi associati alle molecole lipidiche ha effetti diretti sul grado di "confezionamento" che possono avere nelle membrane a cui appartengono e quindi hanno effetti anche sulle proteine ​​di membrana.

Esempio di formazione di una micella di acido grasso con i gruppi carbossilici esposti al mezzo acquoso (Fonte: Benutzer: Anderl tramite Wikimedia Commons)

La solubilità degli acidi grassi diminuisce all'aumentare della lunghezza della loro catena, quindi sono inversamente proporzionali. Nelle miscele acquose e lipidiche, gli acidi grassi si associano in strutture note come micelle.

Una micella è una struttura in cui le catene alifatiche degli acidi grassi sono "racchiuse", "espellendo" così tutte le molecole d'acqua e sulla cui superficie si trovano i gruppi carbossilici.

Nomenclatura

La nomenclatura degli acidi grassi può essere alquanto complessa, soprattutto se ci si riferisce ai nomi comuni che ricevono, che sono spesso legati ad alcune proprietà fisico-chimiche, al luogo in cui si trovano o ad altre caratteristiche.

Molti autori ritengono che poiché grazie al gruppo carbossilico terminale queste molecole sono ionizzate a pH fisiologico, si dovrebbe chiamarle "carbossilati" usando la terminazione "ato" per questo.

Secondo il sistema IUPAC, il conteggio degli atomi di carbonio di un acido grasso è costituito dal gruppo carbossilico all'estremità polare della molecola e i primi due atomi di carbonio attaccati a questo gruppo sono chiamati rispettivamente α e β. . Il metile terminale della catena contiene l'atomo di carbonio ω.

In generale, nella nomenclatura sistematica viene dato loro il nome dell'idrocarburo “parentale” (l'idrocarburo con lo stesso numero di atomi di carbonio) e la sua desinenza “o” è sostituita da “oico”, se è un acido grasso insaturo, viene aggiunta la desinenza "enoic".

Si consideri, ad esempio, il caso di un acido grasso C18 (C18):

- Poiché l'idrocarburo con lo stesso numero di atomi di carbonio è noto come ottadecano, l'acido saturo è chiamato "acido ottadecanoico" o "ottadecanoato" e il suo nome comune è acido stearico.

- Se ha un doppio legame tra una coppia di atomi di carbonio nella sua struttura, è noto come "acido ottadecenoico"

- Se ha due doppi legami c - c, allora si chiama "acido ottadecadienoico" e se ha tre "acido ottadecatrienoico".

Se vuoi riassumere la nomenclatura, allora 18: 0 è usato per l'acido grasso a 18 atomi di carbonio e nessun doppio legame (saturo) e, a seconda del grado di insaturazione, allora invece di zero, 18: 1 è scritto per una molecola con un insaturazione, 18: 2 per uno con due insaturazioni e così via.

Se si vuole specificare tra quali atomi di carbonio sono i doppi legami negli acidi grassi insaturi, si usa il simbolo ∆ con un apice numerico che indica il luogo di insaturazione e il prefisso "cis" o "trans", a seconda della configurazione di questo.

Riferimenti

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