Università di Roma Tor Vergata Scienze della Nutrizione Umana

Biochimica della Nutrizione - Prof.ssa Luciana Avigliano

A.A. 2013-14 (1 parte 2014)

LIPIDI acidi grassi - saturi, - monoinsaturi - polinsaturi - con doppi legami coniugati - a catena ramificata - trans-insaturi struttura, fonte alimentare, funzione, metabolismo, raccomandazioni nutrizionali

LIPIDI

a differenza di carboidrati, proteine, acidi nucleici

v  hanno strutture chimiche differenti fra loro; sebbene tutte

presentano una componente di natura idrocarburica (idrocarburi: costituiti da carbonio e idrogeno)

v  sono pertanto composti apolari o anfipatici, scarsamente solubili in acqua

v  non sono composti polimerici

v  alla diversa natura chimica corrisponde una diversa funzione

LIPIDI: classi in base alla struttura chimica

v  ACIDI GRASSI acidi carbossilici a lunga catena v  TRIACILGLICEROLI (o TRIGLICERIDI

glicerolo (alcol trivalente) esterificato con tre molecole di acido grasso v  FOSFOLIPIDI contengono un gruppo fosforico polare

- GLICEROFOSFOLIPIDI (contengono glicerolo)

- SFINGOFOSFOLIPIDI (contengono sfingosina, amminoalcol di C18)

v  STEROIDI - precursore degli steroidi: colesterolo

appartengono alla classe dei terpeni derivati dalla polimerizzazione dell’ isoprene (molecola a 5 atomi di C)

VITAMINE LIPOSOLIBILI

LIPIDI DI INTERESSE ALIMENTARE

triacilgliceroli (o trigliceridi) 95% GRASSI fosfolipidi 3-6% COLESTEROLO

libero o esterificato nei grassi di origine animale

VITAMINE LIPOSOLUBILI A, D, E, K

LIPIDI ESSENZIALI da introdurre con la dieta

VITAMINE LIPOSOLUBILI (A ,E, K)

ACIDI GRASSI POLINSATURI: acido linoleico; - acido alfa linolenico

LIPIDI E SALUTE

ECCESSO v  Malattie cardiovascolari v  Obesità CARENZA v  Carente apporto vitaminico v  Carente apporto acidi grassi essenziali v  Alterato sviluppo dell’apparato nervoso nel neonato

Evolution of Occidental dietary content in specific macronutrients and prevalence of obesity and diabetes in United States.

Compiled from FAO, AGROSTAT.PC,; Centers for Disease Control and Prevention, National Center for Health Statistics Gastroenterol Res Pract. 2011 Molendi-Coste O, Legry V & Leclercq IA

bevande

obesità adulti

grassi

diabete

fruttosio

sovrappeso bambini

STRUTTURA

Acidi carbossilici, per lo più a numero pari di atomi di C Catena lineare idrocarburica CH3−CH2−CH2−CH2− Gruppo carbossilico −COOH (pKa = 4,5 −COO−)

ACIDI GRASSI

2HC

gruppo carbossilico polare

catena Idrocarburica lineare apolare CH2

CH2 CH2

3HC

2HC

Formula generale CH3−(CH2)n−COOH CH3−(CH2)n−COO−

Sono sostanze ANFIPATICHE In acqua formano monostrati, denominati MICELLA

Testa polare Catena idrocarburica apolare

SAPONE sale di sodio o di potassio R-COO-Na+ oppure R-COO-K+

H2O

Gli acidi grassi non si trovano liberi

ma in forma legata

nelle altre classi di lipidi

-  in genere tramite legame estere

GLI ACIDI GRASSI SONO CLASSIFICATI

DA UN PUTNO DI VISTA CHIMICO IN BASE ALLA

STRUTTURA DELLA CATENA IDROCARBURICA

I doppi legami sono in genere nella forma stereoisomera cis Il legame cis, a differenza del legame trans, genera un angolo rigido

nella catena idrocarburica

CLASSI IN BASE ALLA STRUTTURA DELLA CATENA IDROCARBURICA

SATURI - senza doppi legami, catena satura in H, completamente ridotta MONOINSATURI - un doppio legame POLINSATURI - almeno due doppi legami

Altri classi

Acidi grassi trans-insaturi Acidi grassi con doppi legami coniugati Acidi grassi a catena ramificata

sono composti neutri, completamente apolari, insolubili in acqua Ruolo: - Fonte energetica (β-ossidazione mitocondriale) - Riserva di energia

O H-O−C-R3

O H-O−C-R1

O H-O−C-R2

H-C-O-H H-C-O-H

H-C-O-H

H

H

+

glicerolo

CH2-O−C-R1 CH-O−C-R2 CH2 -O−C-R3

O

O

O à + 3 H2O

acile II

II

II

II

II

II +

+

Legame estere

-  fonte energetica costituiscono la maggior parte dei lipidi

assunti con la dieta

-  riserva di energia (tessuto adiposo)

Sono composti ridotti e quindi liberano più energia quando vengono ossidati

Sono idrofobi e quindi immagazzinati in forma anidra Il glicogeno lega una quantità di acqua doppia del suo peso

In un individuo sedentario normopeso circa 20 % maschi circa 26 % donna

- produzione di calore (grasso bruno) - isolamento termico (grasso sottocutaneo)

CERE

Acido grasso a lunga catena esterificato ad un alcool a lunga catena totalmente idrofobiche: funzione idrorepellente di protezione

palmitato di miricile

In natura: buccia frutta, foglie, insetti, penne uccelli, pelliccia di animali

Nell’uomo: soltanto nel sebo

FOSFOLIPIDI

–X

(X= serina, etanolammina, colina, inositolo)

parte apolare acido grasso

parte polare

RUOLO DEI FOSFOLIPIDI

I.  Strutturale nelle membrane

cellulari II. Precursori di regolatori

metabolici (eicosanoidi: prostaglandine, leucotrieni)

III. Trasporto plasmatico di

lipidi: lipoproteine

apoB100

esteri del colesterolo

fosfolipidi

TG colesterolo libero (non esterificato)

Numerazione degli atomi di Carbonio degli acidi grassi

- con i numeri: inizio dal C carbossilico (metile terminale n)

- con le lettere dell’alfabeto greco: Inizio dall’atomo di C vicino al gruppo carbossilico (metile terminale ω)

CH3-(CH2)n-CH2-CH2-CH2-CH2-COO- n 5 4 3 2 1 ω δ γ β α

CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COO- 10 9 posizione doppio legame: indicata

con il simbolo delta maiuscolo seguito dai numeri soprascritti Δ9

c = cis; t = trans

acido grasso: identificato da due numeri indicanti il numero di atomi di carbonio ed il numero dei doppi legami, separati dal simbolo “due punti”:

C18:1cΔ9

NOMENCLATURA

nome comune nome sistematico ( suffisso oico) C4:0 acido butirrico C16:0 acido palmitico acido esadecanoico CH3(CH2)14COOH C18:0 acido stearico acido ottadecanoico CH3(CH2)16COOH C20:0 acido eicosanoico CH3(CH2)18COOH C18:1cΔ9 acido oleico acido cis9-ottadecenoico C18:2cΔ9,12 acido linoleico acido cis 9,12-ottadecadienoico C18:3cΔ9,12,15 acido α-linolenico ac ido cis 9,12,15-ottadecatrienoico C20:4cΔ5,8,11,14 acido arachidonico acido cis 5,8,11,14-eicosatetraenoico C20:5cΔ5,8,11,14,17 acido cis 5,8,11,14,17-eicosapentenoico

in forma ionica, più corretta palmitato invece di acido palmitico stearato invece di acido stearico oleato invece di acido oleico etc.

ACIDI GRASSI MONOINSATURI (MUFA)

acido oleico acido cis-9-ottadecenoico (18:1cΔ9)

CH3-(CH2)7-CH2-CH2-(CH2)7-COOH

acido stearico (18:0)

10 9

CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH 10 9

Olio vergine di oliva o prima spremitura : ricco in vitamina E e polifenoli che prevengono l’ossidazione dell’olio durante la conservazione e sono ritenuti responsabili dei suoi effetti benefici

il più abbondante acido grasso presente sia nei grassi animali che vegetali.

ISOMERIA CIS Il legame cis, a differenza del legame trans, genera un angolo rigido nella catena idrocarburica

Tipico dell’olio di oliva di cui costituisce l’80% degli acidi grassi

ACIDI GRASSI POLINSATURI

Acido linoleico e acido α-linolenico sono acidi grassi essenziali

acido linolenico: C18 n-6 (ω6) acido α-linolenico: C18 n-3 (ω3) Sono i precursori degli acidi polinsaturi a lunga catena rispettivamente della serie n-6 e n-3

CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)-COOH

acido α-linolenico (ALA) (18:3cisΔ9,12,15)

16 15 13 12…… 10… 9

n-3 (ω 3)

ACIDI GRASSI POLINSATURI (PUFA)

CH3-(CH2)7-CH2-CH2-(CH2)7-COOH acido stearico (18:0) 10… 9

CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH acido oleico (18:1cisΔ9) (serie n-9) 10 9

CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH acido linoleico (18:2cisΔ9,12) 13 12…… 10… 9

n-6 (ω 6)

acido grasso essenziale: alimenti di origine vegetale, olio di mais, soia, girasole

acido grasso essenziale: alimenti di origine vegetale, olio di lino, soia, germe di grano, noci

Numerazione classica: posizione del doppio legame a partire dal carbossile più comune per i PUFA: posizione del primo doppio legame a partire dal metile terminale (n- oppure ω)

acido linoleico ed acido α-linolenico sono nutrienti essenziali non sono cioè sintetizzati dal nostro organismo ma devono essere assunti con la dieta Sono i precursori degli acidi polinsaturi a lunga catena Acido linoleico precursore della serie n-6 (ω6) Acido α-linolenico precursore della serie n-3 (ω3) PIANTE sintetizzano i precursori ma non sono in grado di produrre derivati Acido linoleico sintetizzato da piante terrestri

Acido α-linolenico sintetizzato principalmente da piante che crescono in acque fredde e perciò componente della catena alimentare di pesci ed animali marini ANIMALI non sintetizzano i precursori (che devono essere assunti da fonti vegetali) ma sintetizzano i loro derivati

Acidi grassi polinsaturi serie n-6

Gli acidi grassi polinsaturi a lunga catena (in genere 20-24 C) sono sintetizzati dai precursori per desaturazioned ed allungamento della catena (in seguito ad aggiunta di acetil CoA al C1); la catena rimane invariata dal C9 in giù

Precursore: ac. linoleico (18:2 cisΔ9,12)

CH3-(CH2)3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH2-COOH

Derivato più abbondante: acido arachidonico (20:4 cisΔ5,8,11,14)

usato per la sintesi degli eicosanoidi (prostaglandine, leucotrieni,..)

15 14 12 11…… 9 8 6 5

n-6

CH3-(CH2)3 -CH2 -CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH 13 12…… 10 9

n-6

6 3 7 4

DA NOTARE - il C3 ed il C4 sono diventati rispettivamente il C 5 ed il C6. Si sono formati due ulteriori doppi legami - nella struttura vi è la sequenza -CH2-CH=CH- nell’acido arachidonico è ripetuta 4 volte (i diversi doppi legami sono separati da un gruppo -CH2- )

Lo stesso meccanismo si applica alla serie n-3 gli atomi di carbonio corrispondenti nel precursore e nei derivati sono scritti con lo stesso colore

CH3-CH2-CH=CH-CH2 -CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH 16 15 13 12…… 10 9 7 6 4 3

n-3 Precursore: acido α-linolenico (C18:3cisΔ9,12,15)

CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH2-COOH n-3

Derivato: acido eicosapentaenoico EPA (C20:5 cisΔ5,8,11,14,17)

usato per la sintesi degli eicosanoidi ( prostaglandine, leucotrieni,..)

18 17 15 14…… 12 11 9 8 6 5

20 19 17 16…… 14 13 11 10 8 7 5 4 CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH2- COOH n-3

Derivato: acido docosaesaenoico DHA (C22:6 cisΔ 4,7,10,13,16,19 ) nei fosfolipidi del sistema nervoso

PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE

Il legame cis, a differenza del legame trans, genera un angolo rigido nella catena idrocarburica

Le catene idrocarburiche sono molecole flessibili dato che il legame singolo C-C ha grande libertà di rotazione; ma la conformazione a più bassa energia è quella completamente estesa. Le catene possono raggrupparsi a dare strutture regolari. Il doppio legame genera un angolo rigido (se il doppio legame è trans la molecola risulta lineare come la forma satura). Gli acidi grassi cis insaturi si possono impacchettare meno degli acidi grassi saturi per diminuita possibilità di interazioni di van der Waals tra le catene idrocarburiche CONSEGUENZA BIOLOGICA: LA FLUIDITA’ DI MEMBRANA DIPENDE DALLA STRUTTURA E DAL GRADO DI INSATURAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

Grassi propriamenti detti: solidi a temperatura ambiente Oli: liquidi a temperatura ambiente

Il punto di fusione dipende dalla natura degli acidi grassi

↑ allungamento della catena degli acidi grassi

↑ rapporto acido grassi saturi / acidi grassi insaturi

↑ isomeria trans / isomeria cis

PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE DEI TRIGLICERIDI

v  (auto)ossidazione favorita da luce ed aria inibita da antiossidanti (vit E) perossido: formato per l’attacco dell’ossigeno alla posizione allilica, più prona a generare radicali

conseguente formazione di aldeidi ed acidi grassi volatili (rancidità) Nell’organismo: ossidazione di membrane cellulari e lipoproteine

REATTIVITÀ CHIMICA DEGLI ACIDI GRASSI INSATURI

v  idrogenazione A livello commerciale viene usata per produrre grassi di maggiore consistenza da grassi vegetali insaturi

FONTI

ALIMENTARI

ACIDI GRASSI SATURI più comuni

Corta catena (C4:0-C6:0) Grassi del latte vaccino

acido butirrico e derivati acido esaenoico

Media catena (C8:0-C14:0) Oli tropicali (cocco, palma)

acido laurico (C12:0) (termine industriale: oli vegetali) acido miristico (C14:0)

Lunga catena ≥ C16 nei grassi animali e

acido palmitico (C16:0) vegetali acido stearico (C18:0) burro di cacao

C12:0, C14:0

C18:0, C16:0 C4:0-C6:0

palma (frutto) C16:0: palmisti (semi) C12:0, C14:0

C18:0, C16:0

burro di cacao

stearico 37%, palmitico 25% oleico 34%, linoleico 3%

acido oleico (18:1 n- 9) olio di oliva, olio arachide acido linoleico (18:2 n- 6) olio di soia, olio di mais, olio di girasole

acido α-linolenico (18:3 n- 3) olio di soia, noci, germe di grano, semi di lino

olio di semi di lino: molto ricco di acido α-linolenico (fino al 58%)

olio di soia: ac. linoleico. 50% α-linolenico 8%

germe di grano α-linolenico 8%

n- 3: FONTI DIETETICHE

acido α-linolenico (ALA) maggior fonte di n-3 della dieta EPA e DHA: pesce grasso (salmone, tonno, sardine, trota) oli di pesce, frutti di mare, sulla base della catena alimentare e del fitoplancton (alghe) all’origine

Acido arachidonico fonti dietetiche: carne ed uova

Salmone 1700- 2100 (atlantico) mg EPA+ DHA/100 mg di parte edibile (650 mg EPA; 1200 mg DHA)

Aringa 1800 mg / 100 g Tonno 700-1500 mg / 100g Trota 900- 1200 mg / 100g Pesce azzurro 300 mg EPA- 500 mg DHA/ 100 g

Why and How Meet n-3 PUFA Dietary Recommendations? Gastroenterol Res Pract. 2011

Evolution of fatty acids consumption in

European Union.

saturi

monoinsaturi

ω3

PUFA ω6

ω6/ω3

METABOLISMO

1.  Biosintesi

CLASSI IN BASE AL METABOLISMO 3 classi metabolicamente non interconvertibili

SATURI E MONOINSATURI (sintetizzati ex novo)

acido palmitico (16:0) → acido palmitoleico (16:1 n-7) acido stearico (18:0) → acido oleico (18:1 n- 9)

CLASSE n-6 (sintetizzati a partire da precursore essenziale)

precursore: acido linoleico (LA 18:2 n-6) → acido arachidonico (C20:4 n-6) CLASSE n-3 (sintetizzati a partire da precursore essenziale)

precursore: acido α-linolenico (ALA 18:3 n-3) → acido eicosapentaenoico (EPA C20:5 n-3) → acido docosaesaenoico (DHA C22:6 n-3)

BIOSINTESI DEGLI ACIDI GRASSI SATURI E MONOINSATURI acido oleico C18:1 cΔ9

ALLUNGAMENTO E DESATURAZIONE DELL’ACIDO PALMITICO

RETICOLO ENDOPLASMATICO: 1° tappa: allungamento: ac.palmitico + acetilCoA → ACIDO STEARICO C18:0 2° tappa: desaturazione:

acido stearico + NADH + steroilCoA (Δ-9) desaturasi → ACIDO OLEICO

Acido oleico: substrato preferito di

acilCoA colesterolo acil transferasi (ACAT) → esteri colesterolo → assemblaggio VLDL

diacil glicerolo acil transferasi → biosintesi trigliceridi

SINTESI EX NOVO: acetilCoA → ACIDO PALMITICO

Glucosioà piruvato à CH3-CO-SCoA à CH3-(CH2)14-COOH

Nel citosol (epatociti, adipociti) per azione della acido grassi sintasi

Cocnvert steroilCoA (Δ-9) desaturasi (SCD) ubiquitaria,

alta espressione nel fegato e nel cervello

↑ dieta ricca in carboidrati (glucosio, fruttosio) ↑ insulina ↓ PUFA (che abbassano i livelli nucleari di fattori trascrizionali (SRE-

BP1c) responsabili della induzione degli enzimi glicolitici e lipogenici da parte dell’insulina

Regolazione della biosintesi

acido linoleico ed acido α-linolenico sono nutrienti essenziali

Piante sono in grado di desaturare in posizione Δ12 e Δ15 ma non in posizione Δ 5 e Δ 6 sintetizzano i precursori ma non i derivati Animali in grado di desaturare in posizione Δ5 e Δ6 ma non in posizione Δ12 e Δ15 sintetizzano i derivati

serie n-9 serie n-6 serie n-3

CH3-CO ∼ SCoA ↓ C18:1 Δ 9 C18:2 Δ 9,12 C18:3 Δ 9,12,15 acido oleico acido linoleico (LA) acido α-linolenico ↓ ↓ ↓ acido eicosatrienoico acido arachidonico acido eicosapentaenoico C20:3 Δ 5, 8, 11 ARA C20:4 Δ 5, 8, 11,14 EPA C20:5 Δ 5, 8,11,14,17

↓ acido docosaesaenoico

DHA C22:6 Δ 4,7,10,13,16,19

Aumenta il numero di doppi legami

MEMBRANA PLASMATICA Fosfolipidi → C20 → (ciclossigenasi, lipossigenasi) → eicosanoidi

(prostaglandine, trombossani, leucotrieni)

fegato, astrociti, endotelio vascolare di retina e cervello RETICOLO ENDOPLASMATICO LA e ALA subiscono cicli alternati di - desaturazione (Δ-6 desaturasi e Δ-5 desaturasi) ed - allungamento + acetilCoA (elongasi) PEROSSISOMA sintesi DHA (beta ossidazione di C24)

BIOSINTESI DEGLI ACIDI GRASSI POLINSATURI

Produzione di PUFA (highly unsatured fatty acid) mantenuta entro stretti ambiti

DIETA apporto calorico, composizione in lipidi

↑ dieta ricca in acido grassi saturi o mono insaturi (burro, trioleina)

↓ dieta ricca in PUFA (oli vegetali, oli marini) (alti introiti di EPA o DHA portano a diminuzione di acido arachidonico ed eicosanoidi n-6 derivati) (inibizione a feedback dai prodotti della stessa o altra serie)

ORMONI ↑ insulina (glucosio) (diminuiti livelli nel diabete tipo 1) si può considerare enzima lipogenico ↓ glucagone ↓ adrenalina ↓ ACTH ↓ glucocorticoidi

Δ 6 DESATURASI: ENZIMA CHIAVE che catalizza la 1° tappa limitante

COMPETIZIONE tra SUBSTRATI n-9, n-6, n-3

Affinità della desaturasi in vitro: n-3 >n-6 >n-9

MA nella dieta occidentale si ha assunzione di - alte dosi di acido oleico - alte dosi di acido linoleico (sintesi dell’acido arachidonico prevale su

assunzione) - basse dosi di n-3

controllo enzimatico importante quando la via biosintetica è la principale fonte di PUFA

ANIMALI: erbivori > onnivori >carnivori UOMO: vegetariani-vegani >onnivori> mangiatori di pesce via biosintetica prevalente rispetto alla assunzione ed aumenta la espressione di desaturasi

ALA: scarsamente incorporato in fosfolipidi e indirizzato verso l’ossidazione,

5-10% ALA → EPA 1% - <5% ALA → DHA

La biosintesi endogena di DHA è sufficiente nell’adulto sano

La biosintesi endogena potrebbe essere insufficiente:

§  Nati pretermine §  Gravidanza, allattamento §  Senescenza (potrebbe diminuire già dopo i 30-40 anni) §  Diabete §  Resistenza alla insulina §  Alcolismo §  Alterazione dei perossisomi

DHA si può considerare un nutriente “condizionatamente essenziale”

per cui l’interesse nutrizionale è focalizzato sulla serie n-3

Acido linoleico incorporato nei fosfolipidi dei tessuti e dei depositi adiposi e costituisce una forma di riserva

METABOLISMO 2. catabolismo

CATABOLISMO DEGLI ACIDI GRASSI

β-OSSIDAZIONE con produzione di CH3-CO-SCoA

coinvolti nella biosintesi e nella degradazione dei PUFA

Piccoli organelli circondati da una singola membrana che contengono enzimi coinvolti in numerose reazioni, tra cui reazioni coinvolte nel metabolismo energetico (metabolismo lipidico, basi azotate,…)

2. MITOCONDRI

Degradazione di acidi grassi lunghezza C18-C16

β-OSSIDAZIONE PEROSSISOMIALE A differenza della β-ossidazione mitocondriale ²  non richiede carnitina ²  acil CoA ossidasi: utilizza O2àH2O2 (catalasi 2 H2O2 à H2O + O2) E’ utilizzata per la - β-ossidazione di acidi grassi C>20 - sintesi DHA - acidi grassi a catena ramificata - sintesi degli acidi biliari dal colesterolo ( 27 à C24)

Livelli ematici di acidi grassi con un numero di atomi di C >22 usati come diagnosi prenatale o neonatale di alterazione perossisomiale Disordini perossisomiali sono gravi (sindrome di Zellweger con incapacità di trasportare acidi grassi nei perossisomi è mortale nel 1° anno di vita)