Lipidele

Lipidele sunt biomolecule caracterizate prin solubilitate mica in sistemele apoase dar cu solubilitate mare in sisteme de solventi nepolari. Continand carbon in formele cele mai reduse. Prin oxidare in organism vor elibera o mare cantitate de energie. Datorita acestei caracteristici, lipidele constituie principala forma de conservare a energie a organismului, pentru utilizarea acesteia in situatii de urgenta.

Sistemele biologice contin lipide fie hidrofobice, care au doar grupari nepolare, fie anfipatice, adica poseda atat grupari nepolare cat si grupari polare. Natura hidrofoba a lipidelor permite membranelor celulare sa actioneze drept bariere efective fata de molecule mai polare.

Lipidele de importanta fiziologica pentru organismul uman indeplinesc patru roluri importante

1. servesc drept componente structurale ale membranelor;
2. constituie rezerva de energie, predominant sub forma triacilgliceridelor;
3. atat lipidele cat si derivatii lor servesc in organism ca vitamine sau hormoni;
4. acizi lipofilici ai bilei ajuta la solubilizarea lipidelor.

1. Acizii grasi

Definirea acizilor grasi este probabil derivata din descompunerea hidrolitica a grasimilor naturale, cand se formeaza amestecuri de acizi carboxilici, cu catena relativ mare de atomi de carbon legata de gruparea carboxilica, si glicerina, un trialcool saturat.

Structural, acizilor grasi sunt constituiti din doua parti importante: o parte hidrocarbonata mare (denumita generic drept coada) si o grupare carboxilica (denumita generic drept cap). In conditiile pH-ului fiziologic, gruparea carboxil este ionizata. Acesti acizi apar in sistemele biologice in cantitati mari, dar foarte rar sub forma de acizi liberi ca atare, gasindu-se mai ales sub forma esterificata. Esterificare este de obicei regasita cu un triol, glicerina, dar exista si alte structuri ce accepta legarea lor sub forma esterica.

Rolul acizilor grasi este o parte integranta a rolului lipidelor in organism, si anume:

drept componenta principala a membranelor

componente majore ale depozitelor de grasime, sub forma esterilor cu glicerina.

Numarul atomilor de carbon care se regasesc in molecula unui acid gras natural este de obicei un numar par, intre 14 si 2 Exista insa si organisme, mai ales unele marine, care au in constitutie acizi grasi cu numar impar de atomi de carbon.

Catena hidrocarbonata a acizilor grasi poate fie saturata fie nesaturata. Din acest motiv acizii grasi au fost clasificati drept acizi grasi saturati , respectiv acizi grasi nesaturati. Acizi grasi nesaturati pot fi fie mononesaturati, atunci cand in partea hidrocarbonatata contin o singura dubla legatura, sau polinesaturati, cand exista mai multe duble legaturi in molecula. Denumirea lor se face in functie de numarul de atomi de carbon din molecula, fie sub denumirea comuna acordata la descoperirea lor, fie sub asa numita forma scurtata, adica a numarului de atomi de carbon continuti in molecula urmat de o coloana in care se noteaza pozitia si numarul de duble legaturi. Exemplificam prin acidul stearic, denumirea sa comuna acidul octadecanoic¸ deoarece contine 18 atomi de carbon, dar care mai este simbolizat ca si acid gras 18:0, deoarece nu contine nici o dubla legatura, deci este un acid saturat. In schimb, gradul nesaturarii unui acid gras este reprezentat printr-o cifra indicand numarul dublelor legaturi si simbolul D urmat de numarul atomului de carbon la care se gaseste prima legatura nesaturata. Astfel, acidul palmitic, un acid gras nesaturat care contine 16 atomi de carbon, cu o singura dubla legatura intre atomii de carbon 9 si 10, va fi simbolizat ca 16: 1^D

Numarul de duble legaturi dintr-un acid gras poate varia, de la una la patru, dar cel mai adesea, in cazul acizilor grasi care se gasesc in majoritatea bacteriilor, acest numar este unu. Din punct de vedere al strereochimiei, legaturile duble din acizii grasi sunt aproape in toate cazurile in configuratie cis. Daca exista mai multe legaturi duble, de cele mai multe ori acestea sunt izolate, adica intre ele exista cel putin o grupare metilen (CH₂). Legaturi duble conjugate se gasesc foarte rar in anumiti acizi grasi izolati din vegetatie.

Un exemplu de acid gras care contine legatura dubla sub forma trans este acidul vaccenic (18:1^D - trans).

Prezenta dublei legaturi determina astfel o "modificare a directie" catenei de carbon, cu consecinte foarte importante in biochimia membranelor. In timp ce acizii grasi saturati se pot "impacheta" in anumite conditii si sa formeze structuri rigide, acizii grasi nesaturati nu produc astfel de impachetari, ci agregate flexibile, fluide.

La temperatura ambianta, acizii grasi cu un continut de atomi de carbon sub 8 sunt lichizi, ceilalti cu continut mai mare de atomi de carbon fiind solizi. Acizii nesaturati cu numar echivalent de atomi de carbon cu cei saturati vor avea puncte de topire semnificativ mai joase.

Majoritatea acizilor grasi pot fi achizitionati prin alimentatie. Organismul poate furniza biosintetic toate structurile de acizi grasi necesari. Exista totusi o exceptie: acidul linoleic si acidul linolenic, doi acizi grasi inalt nesaturati. Intrucat organismul uman nu le sintetiza din alti precursori care exista in organism, ei au fost definiti drept acizi grasi esentiali, in sensul ca este necesar aportul lor prin functia de alimentatie. Acesti acizi pot fi furnizati de plante sau animalele capabile sa le consume si prelucreze. Tabelul 1 prezinta aportul unor alimente in acizi grasi necesari organismului. Acidul arahidonic, precursor important in sinteza eicosanoidelor si care nu se gaseste in plante, poate fi sintetizat de mamifere pornind de la acidul linoleic.

Tabelul 1. Surse de acizi grasi prin aport alimentar

In tabelul 2. sunt prezentati acizi grasi saturati si nesaturati  care se regasesc in sistemele biologice. Cei mai importanti sunt, mai ales din punct de vedere fiziologic si biochimic, acizii prezentati in Tabelul 3.

In natura, pe langa acizi grasi saturati si nesaturati apar si alti acizi grasi. Unele microorganisme contin acizi grasi ramificati, exemplificati aici prin acidul tuberculostearic, iar unele bacterii pot sintetiza acizi grasi care contin in structura lor cicluri, ciclopropanic, ciclopropenic sau chiar ciclopentanic, reprezentati aici prin acidul lactobacilic.

2. Lipide simple

2.1. Trigliceridele

Un mare numar de acizi grasi se gasesc in natura, in plante si animale sub forma unor esteri ai glicerinei, un triol alifatic saturat, trigliceride sau triacilgliceroli.

Daca gruparile acil provin de la acelasi acid gras, atunci molecula este definita simplu triacilgligerol, de exemplu tristearilglicerol (denumire uzuala tristearina) sau trioleilglicerol (denumire uzuala trioleina). Multe trigliceride contin combinatii de acizi ca resturi acil, a doi sau trei acizi grasi diferiti. In natura acizii grasi pot esterifica si doar una sau doua dintre gruparile hidroxil a glicerinei, ca de exemplu a-monopalminoglicerol izolat din pancreasul de bou.

Majoritatea grasimilor naturale din plante si animale sunt compuse din amestecuri de triacilgliceroli simpli si triacilgliceroli micsti. Din aceasta cauza nu au definit un punct de topire propriu ci cel mai adesea intervale de topire, respectiv de solidificare.

Proprietatile chimice ale gliceridelor sunt determinate de structura lor. Importanta reprezinta reactia lor de hidroliza. Hidroliza se poate face prin incalzire cu acizi sau baze sau biocatalitic in prezenta lipazelor. Hidroliza in prezenta bazelor se mai defineste reactie de saponificare. Este o reactie bine cunoscuta de foarte mult timp, cu formare de sapunuri, saruri ale acizilor grasi cu unele metale. In trecut agentul alcalin utilizat era cenusa rezultata la arderea lemnului, asa numita lesie. Trebuie subliniat ca nu toate sapunurile sunt partial solubile; daca metalul este calciul sau magneziul acestea sunt insolubile fapt care ingreuneaza procesul spalarii in apele asa numite dure.

O alta reactie, hidrogenarea, are aplicatii practice deosebite. Astfel din uleiurile nesaturate, uleiuri vegetale lichide ca uleiul de soia, uleiul de floare soarelui, etc. se prepara margarina, care este mult mai saraca in acizi grasi saturati comparativ cu untul, provenit din grasimi ale laptelui. Margarina a fost inventata in 1869 de chimistul francez Henry Mège Mouriès la un concurs organizat de Napoleon al III-lea pentru a se gasi un inlocuitor pentru unt. Datorita insa continutului de structuri de legaturi duble trans, introduse in urma procesului de hidrogenare, margarina prezinta riscuri asupra sanatatii, mai ales al bolilor cardiovasculare, prin implicatiile colesterolului.

Oxidarea spontana (autooxidare) sau rancezirea este o reactie bine cunoscuta a grasimilor. Prin simpla expunere la oxigenul atmosferic grasimile sufera acest proces. Viteza cu care acest proces are loc este determinata si de numarul dublelor legaturi prezente in molecule. Triacilgliceroli sunt substante bogate in carbon in stare de reducere mare, eliberand o cantitate mare de energie in reactiile oxidative metabolice. Pentru 1 g de triacilglicerol se elibereaza la oxidare completa aproximativ 38 kJ, fata de proteine sau carbohidrati care elibereaza pentru 1 g doar aproximativ 17 kJ. Deosebirea de carbohidrati si proteine consta si in faptul ca formeaza agregate anhidre. Acestea sunt motivele pentru care organismul recurge la aceste substante pentru rezerva de energie stocata, dar si pentru faptul ca triacilgliceroli sunt foarte buni izolatori termici (vezi animalele artice).

2.2. Ceride (sau ceruri), etolide si steride

Spre deosebire de acilgliceroli, ceridele sunt combinatii ale acizilor grasi cu un alcool superior, aciclic si cu masa moleculara mare.

La hidroliza lor rezulta doar acizi grasi insolubili in apa, care pot fi extrasi cu ajutorul solventilor organici. Alcoolii si acizi grasi intalniti in ceruri sunt prezentati in tabelul

Tabelul Acizii grasi si alcooli constitutivi ai ceridelor

Cerurile sunt raspandite in natura atat in regnul vegetal cat si in cel animal.

Ceridele intalnite in cerurile de conifere, etolidele sunt lipide simple compuse din doi hidroxiacizi:

care formeaza poliesteri prin policondensare cap-coada sau prin condensare ciclica a doua molecule de astfel de hidroxiacid

Steridele sunt de asemenea lipide simple care contin in molecula lor alcooli ciclici a caror grupare hidroxil este esterificata de acizi grasi superiori, mai ales acid palmitic si linoleic. Aceste lipide simple se intalnesc atat in regnul vegetal, la ciuperci sau alge, cat si in regnul animal.

Structura lor este policiclica, avand la baza nucleul ciclopentanperhidro-fenantrenic, cum este reprezentat mai jos.

Sterolii, la fel steridele, sunt substante cristaline incolore. Sunt insolubile in apa dar solubile in solventi organici.

3. Lipide complexe

Lipidele complexe, substante care se afla in majoritatea celulelor, tesuturilor, umorilor ca elemente constitutive, pot fi clasificate in doua clase mari: fosfolipide si sfingolipide.

3.1. Fosfolipide

Ca structura, glicerofosfolipidele se aseamana cu triacilgliceridele. Diferentierea apare la un atom de carbon terminal al glicerinei, gruparea acil este inlocuita de o grupare fosforica. Din acest motiv uneori mai sunt cunoscute drept fosfogliceride sau glicerol fosfatide. Glicerofosfolipidele reprezinta cea mai mare clasa de compusi naturali lipidici. Ei constituie elemente principale ale membranelor celulare, gasindu-se foarte putin in alte parti ale celulei.

Sfingolipidele reprezinta o alta clasa importanta de lipide. Ele se regasesc frecvent in membranele celulare. Scheletul acestor substante il constituie un aminoalcool cu 18 atomi de carbon, sfingozina. Sfingozina derivata la atomul de azot prin acilare cu un acid gras duce la formarea familiei ceramidelor.

Sfingomielinele reprezinta o subclasa a fosfolipidelor deosebit de importanta pentru tesutul nervos al animalelor superioare. O sfingomielina se formeaza prin esterificarea fosforilcolinei sau a fosforiletanolaminei cu hidroxilul primar al unei ceramide.

In afara sfingomielinelor, o alta clasa importanta a sfingolipidelor este reprezentata de glicosfingolipid, generate prin modificarea structurala a unei ceramide. Exista patru clase de glicosfingolipide: cerebrosidele, sulfatidele, globosidele si gangliozidele.

Metabolismul lipidelor

1. Digestia

In stomac, sub influenta lipazei gastrice are loc hidroliza enzimatica a triacilgliceridelor la digliceride si acizi liberi. Acizii grasi cu lant scurt sau mediu pot fi absorbiti direct in celulele tractului intestinal si transferate astfel in curentul sanguin. Restul grasimilor sunt transportate in intestinul subtire determinand eliberarea secretiei colecistokininei, hormon ce provoaca contractia vezicii biliare si a cailor biliare si determina pancreasul se secrete lipaza. Bila si lecitina emulsioneaza grasimile in particule mici, astfel incat lipaza pancreatica sa poata scinda acizii grasi din grasimi. Produsii finali ai digestiei lipidelor sunt constituiti din acizi grasi liberi, glicerina, monogliceride, colesterol si acid fosforic. Grasimile neabsorbite sunt eliminate prin fecale.

Acizii grasi liberi, monogliceridele si colesterolul sunt absorbiti in celulele intestinului subtire, unde, in interiorul enterocitelor (celule intestinale) sunt retransformati in triacilgligeride. Acestea si colesterolul sunt incorporati in lipoproteine, chilomicrone, picaturi mari de lipida inconjurata de un invelis de proteina, fosfolipide si colesterol. Acestea sunt eliberate in vasele limfatice, trec prin tractul toracic si sunt eliberate in vena subclaviana si in circulatia generalizata. Lipaza determina scindarea trigliceridelor din chilomicrone, care sunt apoi hidrolizate la glicerina si acizi grasi, absorbiti la nivelul celulelor. Restul este transportat la ficat, eliminarea chilomicronelor din circulatie durand intre 2-10 ore.

Organismul sintetizeaza majoritatea grasimilor (grasimi endogene) in ficat din proteine, alcool si glucoza. Acestea sunt eliberate sub forma lipoproteine de densitate foarte joasa (VLDL), cu rolul determinant de a transporta restul trigliceridlor sintetizate in ficat spre tesuturile extrahepatice. Trigliceridele sunt eliberate sub influenta lipoproteinlipazei (LPL) din aceste VLDL, acizii grasi si glicerina fiind eliberate in sange si captate de celule. Atunci cand majoritatea grasimilor au fost extrase, ramanand in special colesterol, VLDL se transforma in LDL (lipoproteine cu densitate joasa). HDL (lipoproteinele cu densitate ridicata) din ficat si din celulele intestinale elimina colesterolul transferandu-l in alte lipoproteine care revin in ficat.

Acizii grasi esentiali, acidul linoleic si acidul linolenic, doi acizi grasi inalt nesaturati, denumiti astfel deoarece organismul uman nu-i poate sintetiza, sunt necesari datorita rolului lor biologic. Ei sunt necesari functiei imunologice, membranelor celulare, dar si productiei de compusi din clasa hormonilor, compusi care regularizeaza functii vitale vietii.

1. Metabolismul acizilor grasi

Cu toate ca aparent sinteza si oxidarea acizilor grasi par ca doua reactii reversibile, cele doua procese sunt doar aparent reversul uneia fata de cealalta. Diferentierea apare mai ales in locul unde se produc in ciclu, dar si de prezenta diferitelor enzime care biocatalizeaza aceste reactii. Astfel, daca sinteza acizilor grasi are loc in citoplasma, oxidarea lor are loc in mitocondrii. Daca anabolismul acizilor grasi implica oxidarea NADPH, catabolismul implica reducerea FADH⁺ si NAD⁺. Ambele procese utilizeaza pentru activare acetil-CoA; totusi in cazul sintezei acizilor grasi acesta este sub forma de enzima complexa malonat-CoA. Acest fapt determina ca sinteza malonat-CoA sa fie prima etapa a sintezei acizilor grasi, iar enzima care determina aceasta, acetil-CoA carboxilaza, este factorul care controleaza sinteza acizilor grasi.

Coenzima A reprezinta o biomolecula deosebit de importanta in multe din procesele biochimice. Practic, ea se implica in reactii prin gruparea sulfidril (-SH) actionand ca un nucleofil.

Perechea FAD / FADH⁺ (sau FAD-H₂) constituie un agent de oxidoreducere, transferand doi atomi de hidrogen, ca si in cazul hidrogenarii catalitice a alchenelor.

NAD⁺ / NADH reprezinta alta pereche care actioneaza ca agent de oxidoreducere pentru transferul unui ion hidrura (H^-)

Prima etapa a metabolismului triacilglicerolilor o constituie hidroliza acestora cu formare de acizi grasi liberi si glicerina. Produsii de reactie urmeaza cai de metabolizare diferita. Glicerina este transformata prin calea glicolizei, aceiasi cu cea utilizata la transformarea zaharurilor.

Acizii grasi liberi sunt transformati prin calea asa numita b-oxidare, a carei etape sunt descrise mai jos.

In primul rand, acizi grasi liberi sunt legati de coenzima A (CoA), printr-o punte tioesterica, servind astfel drept agent intermediar pentru celelalte enzime.

Etapa urmatoare, folosind drept agent de oxidare FAD, introduce dubla legatura intre atomii a si b ai radicalului alifatic al acidului gras.

Etapa a treia consta in aditia apei la dubla legatura formata, rezultand un compus cu grupare hidroxil in pozitia b

Alcoolul este oxidat, intr-o a patra etapa, la cetona respectiva cu ajutorul NAD⁺. 

Etapa finala o constituie scindarea legaturii de carbon de la nivelul atomilor a si b, rezultand o acetil-S-CoA si un rest acid scurtat cu doi atomi de carbon legat tot de CoA.

Noul acil-S-CoA sufera acelasi ciclu de transformari, in final rezultand, pentru un acid cu numar par n de atomi de carbon, n/2 molecule de acetil-S-CoA.

Toti acesti factori implicati in metabolismul grasimilor din organism fac ca in cazul sportivilor, controlul parametrilor biochimici sa cuprinda nu doar determinarea colesterolului si trigliceridelor dar si a lipoproteinelor pe care le transporta.