Un articolo informativo su grassi ed enzimi.
Grassi e composti simili ai grassi
Secondo la loro origine naturale, si distinguono grassi animali e vegetali:
I grassi animali sono ad esempio lo strutto, la panna e il burro. Inoltre, tutti i prodotti a base di carne e salsiccia contengono circa il 5-45% di grassi "nascosti". I grassi vegetali includono olio d'oliva, olio di girasole, grasso di cocco e olio di germe di grano. A temperatura ambiente, i grassi possono essere liquidi o solidi; i grassi liquidi sono chiamati oli (alimentari).
Grassi neutri (Trigliceridi)
Il gruppo più grande di grassi naturali è costituito da miscele di trigliceridi, chiamati anche grassi neutri.
Tri = 3; ogni trigliceride è composto da una molecola di glicerina e tre molecole di acidi grassi.
Il corpo umano immagazzina grasso sotto forma di trigliceridi nel citoplasma delle cellule adipose. Lo scopo biologico di questa forma di deposito è mantenere una grande riserva di energia per i "tempi difficili": i grassi forniscono più del doppio dell'energia rispetto ai carboidrati (9,3 kcal per grammo contro 4,1 kcal).
Una persona di 70 kg con 11 kg di riserve di grasso possiede circa 100.000 kcal (!) sotto forma di trigliceridi.
Inoltre, il tessuto adiposo, in particolare il grasso sottocutaneo, svolge funzioni di isolamento e protezione.
Gli acidi grassi sono lunghe catene di idrocarburi, di solito con 16 o 18 atomi di carbonio. A seconda che la struttura carboniosa degli acidi grassi abbia doppi legami, si distinguono
- acidi grassi saturi: possiedono solo legami singoli,
- acidi grassi monoinsaturi: hanno un doppio legame; e
- acidi grassi polinsaturi: con due, tre o più doppi legami.
Gli acidi grassi possono essere assunti con la dieta o prodotti dalle cellule stesse, sebbene possano incorporare al massimo un doppio legame.
Acidi grassi polinsaturi
Gli acidi grassi con più di un doppio legame, come l'acido linoleico, l'acido linolenico e l'acido arachidonico, non possono essere sintetizzati dall'organismo e sono quindi definiti acidi grassi essenziali; devono essere presenti nella dieta.
Questi acidi grassi polinsaturi sono essenziali per l'uomo, poiché rappresentano i precursori per la formazione di varie sostanze endogene. Negli oli vegetali (olio di girasole, olio di soia, olio di lino) così come negli oli di pesce, gli acidi grassi polinsaturi sono presenti in concentrazioni significativamente più elevate rispetto ai grassi animali.
Solubilità in grassi e solubilità in acqua
Come altre acidi, anche un acido grasso si dissocia parzialmente in acqua; si formano ioni H+, rendendo la soluzione acida. Inoltre, si forma il cosiddetto anione dell'acido grasso. Questa molecola unisce due proprietà opposte:
- La lunga "coda" è altamente solubile nei grassi e poco solubile in acqua - è chiamata lipofila (amica dei grassi) o idrofobica (che evita l'acqua).
- La piccola "testa", invece, è ben solubile in acqua (idrofila) e poco solubile nei grassi (lipofobica).
Grazie a queste due proprietà opposte, gli acidi grassi possono emulsionare sostanze lipofile, cioè disperderle in acqua. Anche i saponi sono costituiti da acidi grassi e funzionano secondo lo stesso principio.
Acidi grassi come portatori di energia
Dopo il glucosio, gli acidi grassi sono il secondo combustibile più importante per la produzione di energia cellulare. Si formano sotto l'influenza di ormoni come l'adrenalina attraverso la scissione dei grassi neutri immagazzinati nelle cellule adipose in glicerina e acidi grassi (lipolisi).
Attraverso una sequenza ripetuta di reazioni nei mitocondri, la cosiddetta β-ossidazione, la catena degli acidi grassi viene accorciata di due atomi di carbonio alla volta, producendo NADH, FADH2 e Acetil-CoA. L'Acetil-CoA entra quindi nel ciclo dell'acido citrico e viene ulteriormente elaborato insieme ai coenzimi ridotti. Dall'acido palmitico, un acido grasso con 18 atomi di carbonio, possono essere rigenerati in totale 131 molecole di ATP.
Questo dimostra ancora una volta che la formazione di Acetil-CoA, il ciclo dell'acido citrico e la catena respiratoria rappresentano vie metaboliche interconnesse che non servono solo alla degradazione dei metaboliti del glucosio.
Fisiologicamente, non tutte le molecole di Acetil-CoA prodotte durante la degradazione dei grassi vengono inserite nel ciclo dell'acido citrico. Una parte viene utilizzata per la sintesi dei cosiddetti corpi chetonici, che possono essere utilizzati anche per l'approvvigionamento energetico.
Come già accennato, la maggior parte delle cellule del corpo preferisce il glucosio come fonte di energia, tuttavia esistono eccezioni:
Le cellule del muscolo cardiaco e le cellule della corteccia renale preferiscono utilizzare i corpi chetonici rispetto al glucosio. È noto che le cellule nervose, in caso di carenza prolungata di glucosio, possono sostituire il loro combustibile preferito con i corpi chetonici.
Lipogenesi
Come già illustrato, il corpo può immagazzinare l'energia in eccesso sotto forma di grasso. Questo vale anche per un eccesso di carboidrati o proteine. Nel corpo, il grasso può formarsi dalla glucosio nel seguente modo (lipogenesi):
Da un intermedio della glicolisi, il gliceraldeide-3-fosfato, viene formata la componente glicerina dei grassi neutri. L'altra componente, gli acidi grassi, può essere sintetizzata dall'Acetil-Coenzima A.
Altri lipidi
Oltre ai grassi neutri descritti, i lipidi (grassi e sostanze simili ai grassi) includono altre sostanze con le seguenti proprietà comuni:
- Si dissolvono male in acqua
- e bene in solventi organici come cloroformio o etere.
I due rappresentanti più importanti di questo gruppo sono il colesterolo e i cosiddetti fosfolipidi.
Colesterolo
Il colesterolo è un composto significativo per l'organismo, che viene prodotto nel corpo e assunto attraverso alimenti di origine animale. Nelle piante, il colesterolo non è presente.
Il colesterolo è
- un componente essenziale delle membrane cellulari,
- precursore degli ormoni steroidei (vedi sotto) e
- precursore degli acidi biliari (vedi sotto).
Ormoni steroidei
Gli ormoni steroidei derivano da un sistema ad anelli di idrocarburi, lo scheletro steroideo, e possono essere classificati in base al numero di atomi di carbonio.
Gli ormoni steroidei più importanti sono i cosiddetti adrenocorticosteroidi idrocortisone, cortisone, aldosterone e progesterone così come gli ormoni sessuali estrogeno e testosterone.
La sintesi degli ormoni steroidei, che avviene nella corteccia surrenale e nelle gonadi, parte dal colesterolo. La loro degradazione avviene nel fegato.
Poiché gli ormoni steroidei sono lipofili, penetrano nella cellula e si legano a specifici recettori ormonali. Il complesso ormone-recettore che si forma entra nel nucleo cellulare, attiva la trascrizione di specifici geni e quindi la produzione delle proteine corrispondenti. Gli ormoni steroidei sono ampiamente diffusi e sono stati trovati, ad esempio, anche nei lieviti e nelle piante superiori.
Gli steroidi sintetici sono
- contraccettivi (metodi di controllo delle nascite che sopprimono l'ovulazione),
- cortisone e numerosi derivati sintetici del cortisone, gli steroidi più comunemente usati,
e anabolizzanti, che stimolano la sintesi proteica e vengono somministrati per la crescita muscolare. Sono derivati dell'ormone sessuale maschile testosterone. Oggi gli anabolizzanti sono usati negli atleti di alto livello (doping). Il rischio per la salute è molto alto, poiché questi steroidi causano gravi effetti collaterali fisici e psicologici. Il Comitato Olimpico Internazionale (CIO) ha vietato l'uso degli anabolizzanti nel 1974. Numerosi atleti sono stati esclusi dalle competizioni a causa di test positivi.
Acidi biliari
Gli acidi biliari sono composti simili agli steroidi che si trovano nella bile umana.
Nelle cellule epatiche, dal colesterolo si formano gli acidi biliari primari, l'acido colico e l'acido chenodesossicolico, che dopo ulteriori trasformazioni vengono secreti nell'intestino come acidi biliari "coniugati". Attraverso la "idrossilazione" batterica nell'intestino, si formano gli acidi biliari secondari, l'acido desossicolico e l'acido litocolico.
Gli acidi biliari sono indispensabili per l'emulsione dei grassi, l'attivazione delle lipasi, l'assorbimento degli acidi grassi e di altre sostanze, come le vitamine, nell'intestino. Circa il 90-95% degli acidi biliari secreti vengono riassorbiti nell'intestino tenue e riportati al fegato attraverso la vena porta, da dove vengono nuovamente secreti nella bile (ciclo enteroepatico).
Idealmente, c'è un equilibrio tra il colesterolo assunto o prodotto e il colesterolo escreto o elaborato. Se questa regolazione fallisce, i livelli di colesterolo nel siero del sangue aumentano.
Fosfolipidi
I fosfolipidi hanno una struttura simile ai grassi neutri (trigliceridi). Il fosfolipide più noto è lecitina.
La loro funzione principale è come componenti delle membrane cellulari.
Proteine
"Tutto ciò che l'uomo è, lo è grazie alle sue proteine."
Questa affermazione un po' semplificata sottolinea che le proteine sono di fondamentale importanza sia per la struttura che per la funzione dell'essere umano.
- La forma di un essere umano si basa essenzialmente sulle proteine, poiché sono i componenti principali di quasi tutti gli organi.
- Come componenti principali della muscolatura, le proteine consentono la mobilità dell'uomo.
- Le proteine formano le "porte" di ogni membrana cellulare e garantiscono così l'individualità della cellula, controllando il trasporto di sostanze dentro e fuori la cellula.
Inoltre, le proteine sono fondamentali per la funzionalità dell'organismo sotto forma di enzimi.
Gli enzimi
Il metabolismo accelera le sue reazioni utilizzando sostanze ausiliarie vitali, i cosiddetti enzimi (biocatalizzatori).
Sono essenziali per costruire complesse strutture biologiche nella cellula e garantire il loro funzionamento ordinato.
Aminoacidi come componenti delle proteine
Le proteine sono composte da diversi aminoacidi. Tutti gli aminoacidi hanno fondamentalmente la stessa struttura di base. Un atomo di carbonio centrale è legato a quattro gruppi o atomi diversi:
- un gruppo COOH,
- un gruppo NH2 (gruppo amminico),
- un atomo di idrogeno
- e un residuo variabile.
È attraverso questo residuo (R) che si differenziano i 20 aminoacidi presenti nelle proteine umane.
Di questi 20 amminoacidi, otto sono essenziali, il che significa che, similmente agli acidi grassi essenziali, non possono essere sintetizzati dal corpo.
Devono quindi essere assunti attraverso la dieta. Gli aminoacidi non essenziali, invece, possono essere prodotti dal corpo.
Gli aminoacidi essenziali includono valina, fenilalanina, leucina, isoleucina, treonina, triptofano, metionina e lisina. Per i neonati, anche arginina e istidina sono essenziali.
La concatenazione degli aminoacidi
Quando due aminoacidi reagiscono tra loro, si forma un dipeptide. Il legame formato con la perdita di acqua è chiamato legame peptidico.
Ogni peptide ha un'estremità libera, a cui possono essere aggiunti ulteriori aminoacidi.
Se a un dipeptide si aggiunge un terzo aminoacido, si forma un tripeptide.
Se si aggiungono ulteriori aminoacidi, si parla di polipeptidi (poli = numerosi).
I polipeptidi con più di 100 aminoacidi sono definiti proteine. La maggior parte delle proteine umane è composta da 100 a 500 aminoacidi.
Poiché 20 diversi aminoacidi sono utilizzati per la sintesi proteica e il loro ordine è variabile, si ottiene una grande varietà di proteine diverse.
Per la funzionalità di una proteina, ad esempio come enzima, è cruciale che la catena di aminoacidi si ripieghi in una struttura tridimensionale.
Si può immaginare questa struttura come un gomitolo di lana. Se questa struttura spaziale viene persa, ad esempio a causa del calore, la proteina perde la sua funzione biologica.
In questo modo, durante la disinfezione e la sterilizzazione, le proteine, inclusi i virus proteici, possono essere rese inattive dal calore. Si parla quindi di denaturazione termica delle proteine.
Metabolismo delle proteine e degli aminoacidi
Durante la digestione, le proteine vengono scomposte nei loro componenti, gli aminoacidi, che raggiungono il fegato attraverso la vena porta.
Anche nel corpo, le proteine vengono costantemente degradate (catabolismo proteico), liberando aminoacidi.
Questi aminoacidi liberati possono essere riutilizzati in vari modi a seconda delle necessità dell'organismo.
In primo luogo, possono servire per la sintesi di proteine endogene (anabolismo proteico), ad esempio durante la crescita o i processi di riparazione.
Inoltre, alcuni aminoacidi possono essere convertiti in altri aminoacidi, a seconda di quali sono attualmente carenti.
Solo gli aminoacidi essenziali non possono essere prodotti attraverso processi di conversione, ma devono essere forniti attraverso la dieta.
Il ruolo chiave degli enzimi e dei coenzimi
La vita di ogni singola cellula del corpo è indissolubilmente legata a innumerevoli reazioni chimiche che avvengono costantemente al suo interno.
Nelle reazioni anaboliche, le molecole più piccole vengono unite in unità più grandi, formando nuovi legami.
Tali reazioni sono spesso associate a un apporto energetico, fornito dall'"accumulatore cellulare" ATP.
Nelle reazioni cataboliche, invece, i legami esistenti vengono spezzati, liberando energia.
Questa energia serve generalmente a rigenerare l'ATP consumato.
L'efficienza di questa conversione energetica in ATP non è tuttavia completa, per cui si genera anche calore.
Le reazioni anaboliche hanno un ruolo significativo nel metabolismo costruttivo, poiché servono alla costruzione di nuove strutture.
Al contrario, il metabolismo energetico avviene prevalentemente attraverso reazioni cataboliche.
Per il funzionamento del metabolismo, sono cruciali i composti organici del carbonio, che tuttavia reagiscono molto lentamente tra loro.
Pertanto, ogni cellula possiede strumenti che accelerano quasi ogni catena di reazioni chimiche: i suddetti enzimi (biocatalizzatori).
Enzimi e coenzimi
Chimicamente, gli enzimi appartengono al gruppo delle proteine. Le sostanze che vengono trasformate da un enzima sono chiamate substrati.
Nel corso della reazione enzimatica, il substrato viene chimicamente modificato attraverso la formazione di nuovi legami o la scissione di quelli esistenti.
Durante questo processo, si formano uno o più prodotti di reazione. L'efficacia di un enzima è determinata dal suo sito attivo.
Questo si forma grazie a una particolare piegatura della catena polipeptidica di cui è composto l'enzima. In questo modo, si crea una struttura sulla superficie che si adatta perfettamente al substrato.
Proprio come una chiave si adatta solo a una specifica serratura, anche il substrato si lega solo al sito attivo "del suo" enzima.
Affinché gli enzimi possano funzionare, la maggior parte necessita di un "aiutante" aggiuntivo, il cosiddetto coenzima.
Questo è necessario perché l'enzima stesso non partecipa direttamente alla reazione chimica, ma si limita a far incontrare i partner di reazione in modo adeguato.
Solo il coenzima viene modificato durante la reazione enzimatica, assorbendo o cedendo elettroni o atomi al substrato.
I coenzimi sono generalmente molecole organiche complesse e non sono proteine.
Spesso, i coenzimi derivano dalle vitamine.
La velocità con cui una singola molecola di enzima trasforma i substrati in prodotti è enorme. Può raggiungere diverse centinaia di migliaia di molecole di substrato al secondo.
Fattori che influenzano le reazioni enzimatiche
Molti enzimi lavorano non solo con i coenzimi, ma anche con specifici ioni come Mg2+, Fe2+ o Zn2+. In assenza di questi ioni, la funzione enzimatica è compromessa.
Inoltre, la temperatura corporea e il pH sono molto importanti per l'attività enzimatica. Con l'aumento della temperatura, la velocità di conversione del substrato di un enzima aumenta inizialmente in modo significativo.
A temperature elevate, come la febbre oltre i 41 °C, l'enzima viene danneggiato e la sua struttura proteica distrutta. In tal caso, la velocità di conversione scende quasi a zero.
La funzione enzimatica dipende anche dal pH. Per la maggior parte degli enzimi intracellulari, un pH di circa 7,2 è ottimale.
Gli enzimi che lavorano extracellularmente, come le pepsine che scindono le proteine nello stomaco, hanno invece un pH ottimale notevolmente diverso.
Ossidazione e riduzione
Il funzionamento degli enzimi e dei coenzimi può essere esemplificato da due forme di reazione metabolica particolarmente comuni:
- l'ossidazione (reazione di ossidazione)
- e la riduzione (reazione di riduzione)
Si parla di ossidazione quando una molecola cede elettroni. Questo avviene spesso attraverso la cessione di atomi di idrogeno, ovvero un elettrone e un protone ciascuno.
Un'ossidazione è possibile solo se un'altra sostanza riassorbe gli elettroni ceduti in una reazione di contro.
L'assorbimento di elettroni è chiamato riduzione. Spesso la riduzione avviene attraverso l'assorbimento di atomi di idrogeno, ovvero un elettrone e un protone ciascuno.
Nella reazione di ossidazione sopra descritta, avviene contemporaneamente la riduzione del coenzima coinvolto NAD+:
NAD+ + 2 H– + 2 elettroni >> NADH + H+.
NAD+ (Nicotinamide Adenina Dinucleotide) è un coenzima complesso derivato dalla vitamina acido nicotinico. Svolge nel metabolismo il ruolo più importante come trasportatore di elettroni o atomi di idrogeno.
Nell'ossidazione menzionata del lattato a piruvato, il coenzima NAD+ viene ridotto a NADH + H+.
In sostanza, NAD+ non assorbe entrambi gli atomi di idrogeno ceduti, ma un protone e due elettroni.
Ne consegue che le reazioni di ossidazione e riduzione sono indissolubilmente legate, si parla di reazioni redox.
Ogni volta che una sostanza viene ossidata, un'altra deve essere ridotta.
In condizioni adeguate, la reazione può avvenire anche in direzione opposta. In tal caso, il piruvato viene ridotto, cioè assorbe elettroni o atomi di idrogeno, e NADH viene ossidato. Durante questo processo, NADH cede due elettroni e un protone.
Indipendentemente dalla direzione della reazione, essa è sempre legata a un enzima specifico, nel caso menzionato alla LDH (lattato deidrogenasi).
Senza questo enzima, la reazione avviene estremamente lentamente e non si verifica alcuna conversione significativa del substrato.
