I lipidi sono complesse molecole organiche costituiti da lunghe catene idrocarburiche insolubili in acqua (idrofobe), ma solubili dei solventi organici apolari (etere, acetone, cloroformio). I lipidi rappresentano una delle quattro macromolecole biologiche importanti. Essi sono presenti in tutte le cellule animali e vegetali e all’interno di esse svolgono diversi ruoli:
- di riserva energetica, in quanto sono in grado di fornire energia più del doppio rispetto ad i carboidrati e alle proteine.
- strutturale perché costituiscono le membrane cellulari e i rivestimenti esterni del corpo.
- funzionali in quanto sono indispensabili alle cellule e ad organismi come bioregolatori endocrini come gli ormoni, vitamine e sali biliari.
I lipidi possono essere classificati in semplici o complessi. I lipidi semplici sono quelli che non contengono acidi grassi e sono perciò insaponificabili, ovvero rimangono insolubili in fase acquosa dopo un trattamento con alcali. A questa classe di lipidi appartengono i terpeni, gli steroidi e le vitamine liposolubili. I lipidi complessi, invece, contengono acidi grassi e sono saponificabili in quanto gli acidi grassi presenti possono andare incontro ad idrolisi per riscaldamento in ambiente basico (saponificazione). I gliceridi, i fosfolipidi e le cere sono lipidi complessi.
ACIDI GRASSI
Gli acidi grassi sono lunghe catene idrocarburiche terminanti con un gruppo carbossilico. La formula generale è la seguente: CH3(CH2)nCOOH. Essi posseggono un numero pari di atomi di Carbonio compreso tra 4 e 30. La lunghezza di tali catene carboniose (parte idrofoba apolare o coda) rende questi composti praticamente insolubili in acqua, nonostante la presenza della funzione acida (costituita dal carbossile, la testa) dal momento che essa tende a disperdere la sua idrofilia nel lungo scheletro carbonioso.
Gli acidi grassi possono essere saturi (cioè gli atomi di carbonio sono legati tramite legami singoli) o insaturi (quando sono presenti doppi legami). Gli acidi grassi saturi più comuni sono l’acido palmitico (con 16 atomi di carbonio) e l’acido stearico (con 18 atomi di carbonio). L’acido insaturo più comune è l’acido oleico (con 18 atomi di carbonio e un’insaturazione tra C9 e C10).
A parità di lunghezza dello scheletro carbonioso, la presenza di doppi legami favorisce la fluidità.
Gli acidi grassi saturi hanno una consistenza burrosa e sono solidi a temperatura ambiente. In genere sono contenuti negli alimenti di origine animale e possono provocare un aumento del colesterolo nel sangue favorendone il deposito sulle pareti dei vasi sanguigni e creando quindi problemi circolatori.
Gli acidi grassi insaturi hanno una consistenza oleosa e si presentano liquidi a temperatura ambiente. In genere sono contenuti negli alimenti di origine vegetale e contribuiscono ad abbassare i livelli di colesterolo nel sangue.
La presenza o meno del doppio legame influisce molto nella conformazione del acido grasso: gli acidi grassi saturi hanno in genere code più flessibili poiché ciascun legame ha una completa libertà di rotazione. Gli acidi grassi insaturi possiedono per ogni doppio legame la struttura Z o cis, comportando la presenza di un punto di rigidità o di deviazione della catena lineare. Proprio per questo motivo gli acidi grassi saturi possono impacchettarsi più strettamente grazie alle forze di van der Waals tra le catene, hanno una consistenza cerosa e punti di fusione più alti rispetto agli acidi grassi insaturi, che, hanno punti di fusione tanto più bassi quanto è maggiore il numero di insaturazioni.
TRIGLICERIDI
I trigliceridi sono esteri degli acidi grassi e del glicerolo in cui tutti e tre i gruppi -OH del glicerolo sono esterificati. Nel caso in cui siano esterificati solo due gruppi -OH si parla di digliceridi, se ne viene esterificato solo uno si formano i monogliceridi.
I trigliceridi sono i principali componenti dei lipidi di deposito delle cellule animali. A temperatura ambiente possono essere solidi (chiamati grassi) se sono ricchi di acidi grassi saturi, o liquidi (chiamati oli) se sono ricchi di acidi grassi insaturi.
Un’altra distinzione che si può fare è tra trigliceridi semplici, se gli acidi grassi sono uguali tra loro, o trigliceridi misti, se gli acidi grassi sono diversi.
Una delle principali reazioni che effettuano i trigliceridi è la saponificazione, che in laboratorio richiede alte temperature e idrossido di sodio concentrato, e che nel nostro organismo avviene automaticamente per opera dell’enzima lipasi a temperatura corporea e ad opera solo dell’acqua.
La saponificazione comporta l’attacco nucleofilo da parte dello ione idrossido, che è un nucleofilo forte, sul carbonio carbonilico dell’estere. Il passaggio chiave è l’addizione nucleofila al gruppo carbonilico.
Il sapone non è altro che un sale di sodio o di potassio di un acido carbossilico alifatico a lunga catena. La molecola del sapone ha una testa idrofila ionizzata negativamente ed una coda idrofoba costituita dalla catena idrocarburica. Per questa sua doppia fase viene chiamata molecola anfipatica.
Quando usiamo un sapone, le code si sciolgono nella sostanza grassa, che viene circondata formando una micella. Tutte le teste recano una carica negativa, quindi la repulsione elettrostatica impedisce alle micelle di riaggregarsi e le mantiene in sospensione nell’acqua formando un’emulsione. A pH fisiologico, i saponi si trovano nella forma ionizzata R-COO–.
Un’altra reazione effettuabile da parte dei gliceridi è la riduzione. Se i gliceridi si presentano liquidi perché costituiti da acidi grassi insaturi, si possono rendere solidi saturandone i doppi legami mediante una reazione di idrogenazione, cioè addizione di H2 in presenza di catalizzatori metallici come Nichel.
Questo processo di indurimento è alla base della produzione di margarine a partire da un’emulsione di oli vegetali.
La reazione di ossidazione è alla base del fenomeno di irrancidimento che comporta modifiche delle proprietà sensoriali e nutritive ad opera dell’ossigeno, sia negli oli che nei grassi, che nei prodotti alimentari in cui essi sono presenti.
FOSFOLIPIDI
I fosfolipidi, o fosfogliceridi, sono esteri del glicerolo, in cui due -OH sono esterificati da acidi grassi formando la coda idrofoba, mentre al terzo -OH è legato un gruppo fosforico a sua volta legato ad un gruppo X che può essere di varia natura (ad es. l’amminoacido serina, un alcol come il glicerolo o altre sostanze come la colina). Questa estremità è detta testa polare.
I fosfolipidi sono i principali componenti strutturali delle membrane cellulari, in cui due strati di fosfolipidi si affacciano l’uno verso l’altro con le code idrofobiche, esponendo le teste polari verso l’ambiente acquoso extracellulare e quello citoplasmatico.
CERE
Le cere sono miscugli generalmente solidi costituiti prevalentemente da esteri degli acidi grassi con alcoli ad alto peso molecolare. Acidi grassi fino a 28 atomi di carbonio e alcol fino a 34 atomi di carbonio. Hanno funzione idrorepellente perché sono solidi ed insolubili in acqua.
Grazie a queste caratteristiche, nel mondo animale e vegetale hanno un ruolo protettivo in quanto rivestono la pelle, i peli e le penne (soprattutto degli uccelli acquatici) ed impediscono la perdita d’acqua da foglie e frutti.
Le cere sono morbide e plasmabili a caldo ma dure a freddo.
La cera d’api ha come principali componenti esteri dell’acido palmitico con alcol grassi a lunga catena (da 26 a 36 atomi di carbonio).
TERPENI
I terpeni sono prodotti naturali di origine vegetale costituiti da due o più unità di isoprene (2-metil-1,3-butadiene – Vedi figura affianco) e possono essere ciclici e lineari. Le unità di isoprene possono essere disposte testa-coda o coda-coda.
Tra i terpeni più comuni vi sono oli essenziali profumati come la canfora o il mentolo, le vitamine A, E, K, il b-carotene e lo squalene (triterpene e precursore nella biosintesi del colesterolo).
STEROIDI
Gli steroidi sono lipidi che hanno un nucleo idrocarburico tetraciclico, il ciclopentanoperidrofenantrene, formato da 3 anelli con 6 atomi di carbonio e uno con 5, fusi insieme. La sintesi degli steroidi nella cellula parte dal composto terpenico squalene, da cui derivano il lanosterolo e il colesterolo. Dal colesterolo derivano poi altre biomolecole essenziali come gli acidi biliari e gli ormoni androgeni ed estrogeni e il progesterone.
Tutti gli steroidi derivano dallo squalene che ciclizza facilmente.