Lipidi & Membrane 1 PARTE 09/03/2014. Laurea Magistrale Biologia Sperimentale e Applicata LIPIDI (1) LIPIDI (2)

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1 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 1

2 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. 2

3 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 Ac. Grassi saturi Most animal fats, RT Most vegetable oils, one one or more double bonds RT Ac. Grassi insaturi 3

4 Lipidi saturi e insaturi Saturi Insaturo 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. C 16 C 18 C 18 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=C Gli acidi grassi essenziali sono tutti omega 3 e omega 6 acidi grassi con interruzione di gruppi metilenici saturo polinsaturo 4

5 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. importance of omega 3 and omega 6 fatty acids/ Alcuni acidi grassi presenti naturalmente negli animali Number of carbons Number of double Common name Systematic name Formula bonds 12 0 Laurate n Dodecanoate CH3(CH2)10COO 14 0 Myristate n Tetradecanoate CH3(CH2)12COO Trigliceridi 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 9 CH3(CH2)5CH=CH(C H2)7COO Hexadecenoate 18 1 Oleate cis Δ 9 CH3(CH2)7CH=CH(C H2)7COO Octadecenoate 18 2 Linoleate cis,cis Δ 9,Δ 12 CH3(CH2)4(CH=CHC H2)2(CH2)6COO Octadecadienoate 18 3 Linolenate all cis Δ 9,Δ 12,Δ 15 CH3CH2(CH=CHCH2 Octadecatrienoate )3(CH2)6COO 20 4 Arachidonate all cis CH3(CH2)4(CH=CHC Δ 5,Δ 8,Δ 11,Δ 14 H2)4(CH2)2COO Eicosatetraenoate 5

6 Sintesi dei trigliceridi Tessuto adiposo e adipociti gy/wags/histopage/colorp age/ca/watmv.gif FOSFOLIPIDI 6

7 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, 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). 7

8 Fosfolipidi con acidi grassi saturi Influenza dei legami doppi in posizione cis delle catene idrocarburiche Fosfolipidi con acidi grassi insaturi 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. 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) 8

9 Struttura dei fosfolipidi (2) van Meer G. Cellular lipidomics. EMBO J. 24: , Saponi, acidi biliari Oltre ai fosfolipidi, le membrane contengono anche colesterolo 9

10 Tutti gli steroidi hanno la stessa struttura ad anelli Becker, Il mondo della cellula SFINGOLIPIDI 10

11 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): 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. 11

12 Un fosfolipide derivato dalla sfingosina: sfingomielina 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. ons/thumb/c/c1/myelinated_neuron.jpg/220p x Myelinated_neuron.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. 13_5.jpg 12

13 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 Glicolipidie 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. 13

14 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 N acetilneuramico (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 G M1, G D1a, G D1b, G T1b. Il G M1 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 G M2 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. 14

15 van Meer, G. et al. J Cell Sci 2011;124:5-8 Doppio strato lipidico («bilayer») Struttura delle membrane 15

16 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 = 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) 16

17 Nell ambito di ogni foglietto, i fosfolipidi hanno libertà di movimento 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 17

18 Asimmetria della membrana 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 (CH 3 ) 3 N + CH 2 CH 2 OH 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. 18

19 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. Importanza dell assimmetria (4) Un importante esempio di chinasi dei lipidi è la fosfatidilinositolo chinasi (PI 3 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. ks/nbk9870/figure/a2244/?repor t=objectonly 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 Ca 2+ 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. 19

20 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 applied science.com/sis/apoptosis/images/products/annexin01.gif 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 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. 20