O que são Lipídios: Funções e Tipos

Lipídeos, qualquer um de um grupo diversificado de compostos orgânicos, incluindo gorduras, óleos, hormônios e certos componentes de membranas que estão agrupados porque não interagem de forma apreciável com a água. Um tipo de lipídio, os triglicerídeos, é sequestrado como gordura nas células adiposas, que servem como depósito de armazenamento de energia para os organismos e também fornecem isolamento térmico. Alguns lipídios, como os hormônios esteróides, servem como mensageiros químicos entre células, tecidos e órgãos, e outros comunicam sinais entre sistemas bioquímicos dentro de uma única célula. As membranas das células e organelas (estruturas dentro das células) são estruturas microscopicamente finas formadas a partir de duas camadas de moléculas fosfolipídicas. As membranas funcionam para separar células individuais de seus ambientes e para compartimentar o interior da célula em estruturas que realizam funções especiais. Esta função compartimentadora é tão importante que as membranas, e os lipídios que as formam, devem ter sido essenciais para a origem da própria vida.

A água é o meio biológico – a substância que torna possível a vida – e quase todos os componentes moleculares das células vivas, sejam eles encontrados em animais, plantas ou microorganismos, são solúveis na água. Moléculas como proteínas, ácidos nucléicos e carboidratos têm afinidade com a água e são chamadas de hidrofílicas (“water-loving”). Os lipídios, no entanto, são hidrófobos (“amantes da água”). Alguns lipídios são amphipáticos – parte de sua estrutura é hidrofílica e outra parte, geralmente uma seção maior, é hidrofóbica. Os lipídios anfípticos apresentam um comportamento único na água: eles formam espontaneamente agregados moleculares ordenados, com suas extremidades hidrofílicas no exterior, em contato com a água, e suas partes hidrofóbicas no interior, protegidas da água. Esta propriedade é fundamental para seu papel como componentes fundamentais das membranas celular e organelar.

Embora os lipídios biológicos não sejam grandes polímeros macromoleculares (por exemplo, proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos), muitos são formados pela ligação química de várias pequenas moléculas constituintes. Muitos destes blocos de construção molecular são semelhantes, ou homólogos, em estrutura. As homologias permitem que os lipídios sejam classificados em alguns grupos principais: ácidos graxos, derivados de ácidos graxos, colesterol e seus derivados, e lipoproteínas. Este artigo cobre os principais grupos e explica como essas moléculas funcionam como moléculas de armazenamento de energia, mensageiros químicos e componentes estruturais das células.

O que é um lipídio?

Um lipídio é qualquer um dos vários compostos orgânicos que são insolúveis na água. Eles incluem gorduras, ceras, óleos, hormônios e certos componentes das membranas e funcionam como moléculas de armazenamento de energia e mensageiros químicos. Junto com proteínas e carboidratos, os lipídios são um dos principais componentes estruturais das células vivas.

Por que os lipídios são importantes?

Os lipídios são um grupo diversificado de compostos e servem a muitas funções diferentes. A nível celular, os fosfolipídios e o colesterol são alguns dos componentes primários das membranas que separam uma célula de seu ambiente. Os hormônios derivados de lipídios, conhecidos como hormônios esteróides, são mensageiros químicos importantes e incluem a testosterona e os estrogênios. A nível de organismo, os triglicerídeos armazenados nas células adiposas servem como depósitos de armazenamento de energia e também fornecem isolamento térmico.

O que são jangadas lipídicas?

Balsas lipídicas são possíveis áreas da membrana celular que contêm altas concentrações de colesterol e glicosfingolipídios. A existência de jangadas lipídicas não foi conclusivamente estabelecida, embora muitos pesquisadores suspeitem que tais jangadas existam de fato e possam desempenhar um papel na fluidez da membrana, na comunicação célula a célula e na infecção por vírus.

Ácidos graxos

Os ácidos graxos raramente ocorrem como moléculas livres na natureza, mas geralmente são encontrados como componentes de muitas moléculas lipídicas complexas, tais como gorduras (compostos de armazenamento de energia) e fosfolípidos (os componentes lipídicos primários das membranas celulares). Esta seção descreve a estrutura e as propriedades físicas e químicas dos ácidos graxos. Ela também explica como os organismos vivos obtêm ácidos graxos, tanto de suas dietas quanto através da decomposição metabólica das gorduras armazenadas.

Estrutura

Os ácidos graxos biológicos, membros da classe de compostos conhecidos como ácidos carboxílicos, são compostos de uma cadeia de hidrocarbonetos com um grupo carboxílico terminal (COOH). O fragmento de um ácido carboxílico que não inclui o grupo hidroxila (OH) é chamado de grupo acyl. Sob condições fisiológicas na água, este grupo ácido normalmente perdeu um íon de hidrogênio (H+) para formar um grupo carboxil de carga negativa (COO-). A maioria dos ácidos graxos biológicos contém um número uniforme de átomos de carbono porque o caminho biossintético comum a todos os organismos envolve a ligação química de duas unidades de carbono (embora quantidades relativamente pequenas de ácidos graxos de número ímpar ocorram em alguns organismos). Embora a molécula como um todo seja hidrossolúvel em virtude de sua cadeia de hidrocarbonetos hidrofóbicos, o carboxilato com carga negativa é hidrófilo. Esta forma comum de lipídios biológicos – uma que contém partes hidrofóbicas e hidrofílicas bem separadas – é chamada de anfíbia.

Além dos hidrocarbonetos de cadeia reta, os ácidos graxos também podem conter pares de carbonos ligados por uma ou mais ligações duplas, ramos de metila ou um anel de ciclopropano de três carbonos próximo ao centro da cadeia do carbono.

Ácidos graxos saturados

Os ácidos graxos mais simples são cadeias lineares não ramificadas de grupos CH2 ligados por ligações simples carbono-carbono com um grupo terminal de ácido carboxílico. O termo saturado indica que o número máximo possível de átomos de hidrogênio são ligados a cada carbono na molécula. Muitos ácidos graxos saturados têm um nome trivial ou comum, assim como um nome sistemático quimicamente descritivo. Os nomes sistemáticos são baseados na numeração dos átomos de carbono, começando com o carbono ácido. A tabela dá os nomes e as fontes biológicas típicas dos ácidos graxos saturados mais comuns. Embora as cadeias tenham geralmente entre 12 e 24 carbonos, vários ácidos graxos de cadeia mais curta são bioquimicamente importantes. Por exemplo, o ácido butírico (C4) e o ácido capróico (C6) são lipídios encontrados no leite. O óleo de palma, uma importante fonte dietética de gordura em certas regiões do mundo, é rico em ácidos graxos que contêm 8 e 10 carbonos (C8 e C10).

Ácidos graxos insaturados

Os ácidos graxos insaturados têm uma ou mais ligações duplas carbono-carbono. O termo insaturado indica que menos do que o número máximo possível de átomos de hidrogênio são ligados a cada carbono na molécula. O número de ligações duplas é indicado pelo nome genérico – monoinsaturadas para moléculas com uma ligação dupla ou polinsaturadas para moléculas com duas ou mais ligações duplas. O ácido oleico é um exemplo de um ácido graxo monoinsaturado. Os ácidos graxos monoinsaturados representativos comuns juntamente com seus nomes e fontes típicas estão listados na tabela. O prefixo cis-9 no nome sistemático de ácido palmitoleico denota que a posição da dupla ligação está entre os carbonos 9 e 10. Duas conformações possíveis, cis e trans, podem ser tomadas pelos dois grupos CH2 imediatamente adjacentes aos carvões de dupla ligação. Na configuração cis, a que ocorre em todos os ácidos graxos insaturados biológicos, os dois carbonos adjacentes ficam do mesmo lado dos carbonos de dupla ligação. Na configuração trans, os dois carbonos adjacentes ficam em lados opostos dos carbonos de dupla ligação.

Os ácidos graxos contendo mais de uma ligação dupla carbono-carbono (ácidos graxos polinsaturados) são encontrados em quantidades relativamente pequenas. As ligações duplas múltiplas são quase sempre separadas por um grupo CH2 (-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-), um motivo de espaçamento regular que é o resultado do mecanismo biossintético pelo qual as ligações duplas são introduzidas na cadeia de hidrocarbonetos. A tabela lista os ácidos graxos polinsaturados mais comuns, linoleicos e araquidônicos, juntamente com vários que são menos comuns. O ácido araquidônico (C20) é de particular interesse como precursor de uma família de moléculas, conhecidas como eicosanóides (do grego eikosi, “vinte”), que inclui prostaglandinas, tromboxanos e leucotrienos. Estes compostos, produzidos por células sob certas condições, têm propriedades fisiológicas potentes, como explicado na seção Mensageiros intracelulares e extracelulares. Os animais não podem sintetizar dois ácidos graxos importantes, o ácido linoleico (um ácido graxo ômega-6) e o ácido alfa-linolênico (um ácido graxo ômega-3), que são os precursores dos eicosanóides e por isso devem obtê-los na dieta a partir de fontes vegetais. Por esta razão, estes precursores são chamados de ácidos graxos essenciais.

Os ácidos graxos trans polinsaturados, embora não produzidos biosinteticamente por mamíferos, são produzidos por microorganismos no intestino de ruminantes como vacas e cabras, e também são produzidos sinteticamente pela hidrogenação parcial de gorduras e óleos na fabricação de margarinas (as chamadas gorduras trans). Há evidências de que a ingestão de gorduras trans pode ter efeitos metabólicos deletérios.

Grupos substitutos

Além dos ácidos graxos muito comuns com cadeias de acilo saturadas ou insaturadas retas, muitos ácidos graxos são modificados quimicamente por substitutos na cadeia de hidrocarbonetos. Por exemplo, a glândula de preening dos patos segrega um ácido graxo de 10 carbonos com grupos de metil (CH3) em substituição a um dos hidrogênios nos carbonos 2, 4, 6, e 8. Algumas bactérias produzem ácidos graxos que têm um grupo metilo no átomo de carbono mais distante do grupo ácido ou no penúltimo carbono. Outras bactérias incorporam um anel ciclopropano perto do centro da cadeia de acyl. A bactéria que causa a tuberculose (Mycobacterium tuberculosis) sintetiza uma família inteira de ácidos graxos ciclopropano contendo ácidos graxos chamada α – ácidos micólicos. Ácidos graxos similares são encontrados em bactérias relacionadas. Um terceiro constituinte comum é um grupo hidroxila (OH). Os ácidos monoidroxil são encontrados tanto em plantas quanto em animais em quantidades relativamente pequenas, mas são mais prevalentes em bactérias.

Propriedades físicas

Os ácidos graxos puros formam cristais que consistem de camadas empilhadas de moléculas, com cada camada a espessura de duas moléculas estendidas. As moléculas de uma camada são dispostas de modo que as cadeias de hidrocarbonetos hidrofóbicos (tementes à água) formam o interior da camada e os grupos de ácidos carboxílicos hidrofílicos (amantes da água) formam as duas faces. Para um ácido graxo específico, os detalhes da embalagem molecular podem variar, dando origem a diferentes formas de cristais conhecidos como polimorfos.

As temperaturas de fusão dos ácidos graxos saturados de interesse biológico estão acima de 27 °C (81 °F) e aumentam com o aumento do comprimento da cadeia de hidrocarboneto. Moléculas monoinsaturadas e polinsaturadas derretem a temperaturas substancialmente mais baixas do que suas análogas saturadas, com as temperaturas de fusão mais baixas ocorrendo quando as ligações duplas de carbono-carbono estão localizadas perto do centro da cadeia de hidrocarboneto, como na maioria das moléculas biológicas. Como resultado, essas moléculas formam líquidos viscosos à temperatura ambiente.

O caráter hidrofóbico da cadeia de hidrocarbonetos da maioria dos ácidos graxos biológicos excede a natureza hidrofílica do grupo ácido carboxílico, tornando a solubilidade da água dessas moléculas muito baixa. Por exemplo, a 25 °C (77 °F), a solubilidade em gramas de ácido graxo por grama de solução é de 3 × 10-6. A solubilidade da água diminui exponencialmente com a adição de cada átomo de carbono à cadeia de hidrocarboneto. Esta relação reflete a energia necessária para transferir a molécula de um solvente hidrocarboneto puro para a água. Com cada grupo CH2, por exemplo, é necessária mais energia para pedir moléculas de água ao redor da cadeia de hidrocarbonetos do ácido graxo, o que resulta no efeito hidrofóbico.

Em água pura, o grupo de carboxilato pode dissociar um íon de hidrogênio com carga positiva apenas em um grau muito pequeno:

R―COOH → RCOO⁻ + H⁺.

Aqui R representa a cadeia de hidrocarboneto. O íon carboxilato, com carga negativa, é mais polar que o ácido não-dissociado. O RCOOH pode ser convertido completamente ao íon RCOO- adicionando um número igual de moléculas de uma base como o hidróxido de sódio (NaOH). Isto substitui efetivamente o H+ pelo Na+ para dar o sal do ácido graxo, que é um sabão. A propriedade detergente muito útil dos sabonetes deriva do fato de que os ânions RCOO- na água formam espontaneamente agregados estáveis e esféricos chamados micelas. O interior destas estruturas, formado pelas cadeias de hidrocarbonetos, é um excelente solvente no qual a graxa e a sujeira hidrofóbica de todos os tipos podem ser sequestradas. O diâmetro de cada micela é aproximadamente o dobro do comprimento do ácido graxo estendido. As dispersões de micelas na água podem ser feitas bastante concentradas e exibem grande poder de limpeza. Estas dispersões são estáveis e geralmente se parecem muito com água pura. As bolhas e espumas na superfície das dispersões de sabão são o resultado da adsorção espontânea de íons RCOO- na interface entre a dispersão aquosa e o ar, com o resultado de que as interfaces ar-água são energeticamente estabilizadas e podem, portanto, ser expandidas mecanicamente.

Propriedades químicas

A porção mais quimicamente reativa de ácidos graxos é o grupo carboxil ácido (COOH). Ele reage com álcoois (R′OH) para formar produtos conhecidos como ésteres (RCOOR′) e libera água no processo. Esta ligação éster é a principal ligação covalente que liga os ácidos graxos moieties a outros grupos nos lipídios mais complexos discutidos em outras seções deste artigo. Uma segunda ligação química, que ocorre com muito menos freqüência nos lipídios biológicos envolvendo ácidos graxos, é a ligação éter (R′-O-R). As ligações éteres são quimicamente mais estáveis do que as ligações ésteres.

A parte de hidrocarbonetos de uma molécula de ácidos graxos é bastante resistente ao ataque químico, a menos que as ligações duplas de carbono-carbono estejam presentes. Diversos tipos diferentes de moléculas reagem com tal dupla ligação. Por exemplo, quando um catalisador como a platina está presente, o gás hidrogênio se soma à dupla ligação para dar um ácido graxo saturado. Os halogênios (cloro, bromo e iodo) e seus derivados como o ácido hidroiodíco (HI) também reagem com a dupla ligação para formar ácidos graxos saturados, mas nestes casos, um ou dois átomos do halogênio substituem um ou dois dos hidrogênios normalmente encontrados na cadeia de acilo saturado. As ligações duplas de carbono-carbono também podem reagir com oxigênio tanto em processos não enzimáticos quanto em reações de oxidação catalisadas enzimaticamente. Este processo gera uma variedade de produtos, alguns dos quais contribuem para o cheiro rançoso em produtos estragados de carne e vegetais. Em geral, quanto mais insaturado for o ácido graxo, mais facilmente ele é oxidado.

Fontes biológicas

Os ácidos graxos são encontrados em sistemas biológicos como moléculas livres ou como componentes de lipídios mais complexos. Eles são derivados de fontes dietéticas ou produzidos pelo metabolismo, como descrito abaixo.

Digestão de ácidos graxos dietéticos

A principal fonte de ácidos graxos na dieta são os triglicerídeos, genericamente chamados de gorduras. Em humanos, a gordura constitui uma parte importante da dieta, e em alguns países ela pode contribuir até 45% do consumo de energia. Os triglicerídeos consistem em três moléculas de ácidos graxos, cada uma ligada por uma ligação de éster a um dos três grupos OH de uma molécula de glicerol. Depois que os triglicerídeos ingeridos passam pelo estômago e para o intestino delgado, detergentes chamados sais biliares são secretados pelo fígado através da vesícula biliar e dispersam a gordura como micelas. As enzimas pancreáticas chamadas lipases hidrolisam as gorduras dispersas para dar monoglicérides e ácidos graxos livres. Estes produtos são absorvidos pelas células que revestem o intestino delgado, onde são resintetizados em triglicerídeos. Os triglicerídeos, juntamente com outros tipos de lipídios, são então secretados por estas células em lipoproteínas, grandes complexos moleculares que são transportados na linfa e no sangue para os órgãos receptores. Em detalhes, o processo de absorção de triglicérides ou gordura de fontes dietéticas é bastante complexo e difere um pouco dependendo da espécie animal.

Armazenamento

Após o transporte através da circulação, os triglicerídeos são novamente hidrolisados em ácidos graxos no tecido adiposo. Lá eles são transportados para as células adiposas, onde novamente são resintetizados em triglicerídeos e armazenados como gotículas. A gordura ou tecido adiposo consiste essencialmente de células, em que o interior de cada célula é amplamente ocupado por uma gotícula de gordura. Os triglicerídeos nestas gotículas estão disponíveis para o corpo sob demanda, conforme comunicado ao tecido adiposo por mensageiros hormonais.

Vários animais armazenam os triglicerídeos de diferentes maneiras. Nos tubarões, por exemplo, a gordura é armazenada no fígado, mas nos peixes ósseos é depositada nas fibras musculares e ao redor delas. Os insetos armazenam gordura em um órgão especial chamado corpo adiposo. O desenvolvimento de tecido adiposo verdadeiro só é encontrado em animais mais altos.

Biossíntese

Nos mamíferos, os ácidos graxos são sintetizados em células adiposas e hepáticas a partir da glicose através de um caminho bastante complexo. Em essência, os seis carbonos de uma molécula de glicose são oxidados a um par de fragmentos de ácido carboxílico de dois carbonos chamado acetato. O ponto de partida para a biossíntese é um grupo de acetato quimicamente ligado a uma molécula de CoA (coenzima A). O processo de construção da cadeia de acilo de um ácido graxo começa então, basicamente através da adição química seqüencial de fragmentos de dois carbonos de acetato de CoA para gerar, por exemplo, o palmitato de ácido graxo saturado com 16 carbonos. Este processo é catalisado por uma enzima complexa conhecida como ácido graxo sintetase. O alongamento da cadeia de carbono do palmitato e a introdução de ligações duplas de carbono-carbono são realizados posteriormente por outros sistemas enzimáticos. O processo geral é basicamente o mesmo em organismos que variam de bactérias a humanos.

Derivados de Ácidos Graxos

Triglicérides

Estrutura

Os triglicerídeos (nome químico triacylglycerol), o principal meio de armazenar ácidos graxos em sistemas biológicos, são uma classe de compostos que consistem de glicerol (um álcool trihidroxi de trêscarbonetos) com um ácido graxo ligado a cada um dos três grupos OH por uma ligação éster. Um exemplo de um triglicerídeo típico é a tristearina. Como esta molécula contém apenas um tipo de ácido graxo, é referida como um triglicerídeo simples. Quase todas as moléculas de triglicerídeos que ocorrem naturalmente, no entanto, contêm mais de um tipo de ácido graxo; quando dois ou mais em uma determinada molécula são diferentes, ele é chamado de triglicerídeo misto. Para qualquer combinação específica de três ácidos graxos, três moléculas diferentes são possíveis, dependendo de qual dos três ácidos graxos está ligado ao carbono central do glicerol. Considerando os números de ácidos graxos saturados, monoinsaturados e polinsaturados comuns, é evidente que existem muitos triglicérides diferentes.

Propriedades físicas

Os triglicerídeos são substâncias hidrofóbicas que são solúveis apenas em alguns solventes orgânicos. Ao contrário de muitos outros tipos de lipídios complexos, eles não possuem cargas elétricas e, portanto, são chamados de lipídios neutros. A estrutura molecular de alguns triglicerídeos que foram estudados em cristais indica que as cadeias de acilo nos 1 e 2 carbonos de glicerol, juntamente com os próprios 1 e 2 carbonos de glicerol, formam uma linha reta. O carbono 3 projeta-se em ângulo reto em relação a esta linha, mas a cadeia de acilo em seu glicerol se dobra no carbono carboxil para ficar ao lado da cadeia de acilo no carbono 1. As moléculas de triglicerídeos se parecem muito com um garfo de afinação e, quando embaladas juntas, produzem cristais em camadas.

As temperaturas de derretimento dos triglicerídeos misturados são aproximadamente uma média das temperaturas de derretimento de seus ácidos graxos constituintes. Em triglicerídeos simples, as temperaturas de derretimento aumentam com o aumento do comprimento da cadeia de acilo mas diminuem com o aumento do número de ligações duplas. Os triglicerídeos derretidos são geralmente óleos bastante viscosos. Do ponto de vista fisiológico, é importante que a maioria dos triglicerídeos armazenados sejam fluidos à temperatura corporal, a fim de permitir sua rápida mobilização como fonte de energia. A liquidez também é importante, pois as gorduras armazenadas subcutâneas desempenham uma função isolante que não deve interferir com a mobilidade do organismo e de suas partes.

Ceras

Um segundo grupo de lipídios neutros que são de importância fisiológica, embora sejam um componente menor dos sistemas biológicos, são as ceras. Essencialmente, as ceras consistem de um ácido graxo de cadeia longa ligado através de um éster de oxigênio a um álcool de cadeia longa. Essas moléculas são completamente insolúveis em água e geralmente sólidas a temperaturas biológicas. Sua natureza fortemente hidrofóbica permite que elas funcionem como repelentes à água nas folhas de algumas plantas, nas penas e nas cutículas de certos insetos. As ceras também servem como substâncias armazenadoras de energia em plâncton (plantas e animais aquáticos microscópicos) e em membros superiores da cadeia alimentar aquática. O plâncton aparentemente utiliza a biossíntese das ceras para ajustar sua densidade flutuante e, portanto, sua profundidade no oceano. Tem sido sugerido que uma importante fonte de petróleo encontrada em sedimentos do mar profundo tem origem na deposição de plâncton morto rico em cera ao longo de vastos períodos de tempo. Baleias e muitos peixes também armazenam grandes quantidades de ceras.

Lípidos de membranas biológicas

As três principais classes de lipídios que formam a matriz de membranas biológicas do bolo são glicerofosfolípidos, esfingolípidos e esteróis (principalmente o colesterol). A característica mais importante das moléculas nos dois primeiros grupos é sua estrutura anfipática – regiões hidrofílicas (polares) e hidrofóbicas (não polares) bem separadas. Geralmente, sua forma é alongada, com uma extremidade ou cabeça hidrofílica presa a uma moleza hidrofóbica por uma região de polaridade intermediária de curta intervenção. Devido à segregação de polaridade e não polaridade, as moléculas anfípticas em qualquer solvente irão espontaneamente formar agregados que minimizam os contatos energeticamente desfavoráveis (mantendo regiões de moléculas diferentes) e maximizam os contatos favoráveis com o solvente (mantendo regiões semelhantes de moléculas juntas). A disposição molecular do agregado depende do solvente e dos detalhes da estrutura amphipática do lipídio.

Na água, as micelas formadas por sabões (os sais de sódio ou potássio dos ácidos graxos) são um desses agregados. A porção polar ou hidrofílica das moléculas de sabão forma a superfície da micela, enquanto as cadeias de hidrocarbonetos formam seu interior e são, portanto, completamente protegidas do contato energeticamente desfavorável com a água, como descrito na seção Ácidos graxos: Propriedades físicas. Os lipídios de membrana biológica, entretanto, não formam micelas esféricas na água, mas formam estruturas lamelares (estratificadas) topologicamente fechadas. As cabeças polares das moléculas componentes formam as duas faces da lamela, enquanto as moieties hidrofóbicas formam seu interior. Cada lamela é assim duas moléculas em espessura, com o longo eixo das moléculas componentes perpendicularmente ao plano do bocal.

Outros tipos de agregados também são formados na água por certos lipídios anfípticos. Por exemplo, os lipossomos são coleções artificiais de lipídios dispostos em uma camada de bico, tendo uma superfície interna e uma externa. Os bílis lipídicos formam uma esfera que pode aprisionar uma molécula no interior. A estrutura dos lipossomos pode ser útil para proteger moléculas sensíveis que devem ser entregues por via oral.

Glicerofosfolípidos

Os lipídios desta classe são os mais abundantes em membranas biológicas. Nos glicerofosfolípidos, os ácidos graxos são ligados através de um éster de oxigênio aos carbonos 1 e 2 de glicerol, a espinha dorsal da molécula. O fosfato é ligado ao carbono 3, enquanto qualquer um dos vários substitutos possíveis também está ligado à fracção fosfática. Os glicerofosfolipídios são glicerol anfipático e o fosfato formam a extremidade polar da molécula, enquanto as cadeias de hidrocarbonetos formam a extremidade não polar. Embora os ácidos graxos possam ser quaisquer dos comuns em sistemas biológicos, geralmente os ligados ao carbono 1 são saturados e os ligados ao carbono 2 são insaturados. As várias combinações de dois ácidos graxos dão origem a muitas moléculas diferentes com o mesmo grupo substituto. Como isto é verdade para cada grupo de cabeça, existem ao todo cerca de mil tipos possíveis de glicerofosfolipídios. A grande maioria é encontrada nas membranas biológicas.

Do ponto de vista das propriedades físicas, a maior diferença entre várias moléculas reside no substituto particular. Isto se deve em parte aos diferentes tamanhos dos vários tipos e em parte às diferenças em suas cargas elétricas. As fosfatidilcolinas e as fosfatidilanolaminas são zwitterionicas, o que significa que elas têm uma carga negativa e uma positiva sobre o grupo substituto. O ácido fosfatidico, a fosfatidilserina e o fosfatidilinositol têm uma carga líquida negativa. As diferenças na composição de ácidos graxos também contribuem para diferenças nas propriedades físicas de uma série de moléculas com o mesmo substituto. Na presença de um excesso de água, as moléculas formam agregados com uma variedade de geometrias, a mais comum das quais é a camada de bico.

Nos bileiros, muitos glicerofosfolípidos, bem como a esfingomielina (discutida abaixo) podem estar em qualquer um dos dois estados, gel ou cristalino líquido. No estado de gel sólido, as moléculas lipídicas em cada metade do bico estão dispostas em uma malha bidimensional, com suas duas cadeias de acilo na forma estendida. Com a aplicação do calor, o gel se converte no estado líquido cristalino a alguma temperatura característica da mistura lipídica. Neste estado, as moléculas em cada metade do bico permanecem em uma malha bidimensional bastante regular, mas são livres para girar em torno de seus eixos longos e deslizar lateralmente através da camada. Suas cadeias de acilo agora sofrem um movimento considerável, levando a conformações dobradas transientemente. Estes movimentos dão ao bileiro um comportamento quasi-líquido característico dos bileiros em todas as membranas biológicas.

Esfingolipídios

Uma segunda grande classe de lipídios geralmente associada às membranas que circundam as células é a dos esfingolipídios. Os esfingolipídios são baseados em um álcool amínico de 18 carbonos, esfingosina e, em muito menor grau, em um análogo de 20 carbonos, a fitosfingosina. Todos os membros genéricos desta classe, exceto um, têm um açúcar simples ou complexo ligado ao álcool sobre o carbono 1. O único membro desviante é a esfingomielina, uma molécula com um grupo de fosforilcolina (o mesmo grupo de cabeça polar que na fosfatidilcolina) em vez da meada de açúcar, tornando-a um análogo da fosfatidilcolina. Todos os esfingolipídeos têm, além do açúcar, um ácido graxo ligado ao grupo amino de esfingosina. Entre os esfingolipídios, apenas a esfingomielina, um fosfolipídeo, é um componente importante das membranas biológicas.

O principal fator que determina as propriedades físicas dos esfingolipídios é o grupo substituto ligado ao carbono 1 da esfingosina. Pequenas variações nas propriedades dependem do componente específico do ácido graxo. Os glicosfingolipídios, todos contendo um açúcar ligado ao carbono 1 da esfingosina, têm propriedades físicas que dependem principalmente da complexidade e composição deste substituto. Dois tipos genéricos de glicosfingolipídios são reconhecidos: os glicosfingolipídios neutros, que contêm apenas açúcares neutros, e os gangliosídeos, que contêm um ou mais resíduos de ácido siálico ligados ao açúcar. Muitas centenas de diferentes glicosfingolipídios foram isolados, e muitos outros tipos não identificados provavelmente existem. Os glicosfingolipídios são encontrados exclusivamente na superfície externa da membrana celular, onde suas frações de açúcar freqüentemente atuam como antígenos e como receptores de hormônios e outras moléculas de sinalização.

O colesterol e seus derivados

O colesterol pode ser a pequena molécula de origem biológica mais intensamente estudada. Não apenas sua complexa via biossintética e os produtos fisiologicamente importantes derivados dela são de interesse científico, mas também a forte correlação em humanos entre os altos níveis de colesterol no sangue e a incidência de ataque cardíaco e derrame cerebral (doenças que são as principais causas de morte em todo o mundo) é de suma importância médica. O estudo desta molécula e de sua origem biológica resultou em mais de uma dúzia de Prêmios Nobel.

O colesterol é um membro proeminente de uma grande classe de lipídios chamados isoprenoides que são amplamente distribuídos na natureza. O nome da classe deriva do fato de que essas moléculas são formadas pela condensação química de uma molécula simples de cinco carbonos, o isopreno. Os isoprenóides abrangem diversas moléculas biológicas como os hormônios esteróides, esteróis (colesterol, ergosterol e sitosterol), ácidos biliares, as vitaminas lipossolúveis (A, D, E e K), fitotol (um componente lipídico do pigmento fotossintético clorofila), os hormônios juvenis dos insetos, os hormônios vegetais (gibberelinas) e o poliisopreno (o principal componente da borracha natural). Muitos outros isoprenóides de importância biológica desempenham um papel mais subtil em biologia.

Estrutura e propriedades

Os esteróis são componentes principais das membranas biológicas em eucariotas (organismos cujas células têm um núcleo), mas são raros em procariotas (células sem núcleo, como as bactérias). O colesterol é o principal esterol dos animais, enquanto o principal esterol dos fungos é o ergosterol e o das plantas é o sitosterol. A característica de cada uma destas três moléculas importantes são quatro anéis de carbono fundidos rigidamente formando o núcleo do esteróide e um grupo hidroxila (OH) ligado ao primeiro anel. Uma molécula se distingue da outra pelas posições das ligações duplas carbono-carbono e pela estrutura da cadeia lateral do hidrocarboneto no quarto anel.

O colesterol e seus parentes são moléculas hidrofóbicas com solubilidade em água extremamente baixa. A hidrofobicidade geral é negligenciavelmente afetada pelo grupo OH hidrofílico. A estrutura do colesterol é tal que ele não forma agregados na água, embora faça calçadeira entre as moléculas das membranas biológicas, com seu grupo OH localizado na interface água-membrana. A estrutura rígida do colesterol em anel fundido acrescenta rigidez aos bicos fosfolípidos cristalinos líquidos e os fortalece contra rupturas mecânicas. Assim, o colesterol é um componente importante da membrana que envolve uma célula, onde sua concentração pode aumentar até 50 por cento em peso.

Biossíntese

A biossíntese do colesterol pode ser dividida em quatro etapas. O primeiro estágio gera um composto de seis carbonos chamado ácido mevalônico a partir de três unidades de acetato de dois carbonos (derivado da oxidação de moléculas de combustível – por exemplo, glicose) na forma de acetil-CoA, o mesmo bloco inicial usado para formar ácidos graxos biológicos descritos na seção Ácidos graxos: Biossíntese. No segundo estágio, o mevalonato é convertido em uma molécula de cinco carbonos de isopentenil pirofosfato em uma série de quatro reações. A conversão deste produto em um composto de 30-carbono, squalene, no terceiro estágio requer a condensação de seis moléculas de isopentenil pirofosfato. Na quarta etapa, a molécula linear de squalene é formada em anéis em uma seqüência de reação complexa para dar o colesterol de 27-carbono.

Derivados biossintéticos

Duas classes de moléculas importantes, os ácidos biliares e os hormônios esteróides, são derivados do colesterol em vertebrados. Esses derivados são descritos abaixo.

Ácidos biliares

Os ácidos biliares e seus sais são detergentes que emulsificam as gorduras no intestino durante a digestão. Eles são sintetizados a partir do colesterol no fígado por uma série de reações que introduzem um grupo hidroxila no anel B e anel C e encurtam a cadeia lateral acilo do anel D para sete carbonos com o carbono terminal alterado para um grupo carboxila. A molécula resultante, ácido chólico – assim como o ácido fenodeoxicólico (um parente próximo sem o OH no anel C)- são normalmente encontrados na forma de seus sais, nos quais os aminoácidos taurina e glicina estão quimicamente ligados ao grupo carboxil de cadeia lateral. Estes detergentes são secretados do fígado para a vesícula biliar, onde são armazenados antes de serem liberados através do duto biliar para o intestino delgado. Após realizar uma ação emulsificante que é essencial na digestão da gordura (descrita na seção Ácidos graxos), eles são reabsorvidos no intestino delgado inferior, devolvidos através do sangue para o fígado e reutilizados. Este processo cíclico, chamado de circulação enterohepática, trata de 20 a 30 gramas de ácidos biliares por dia em seres humanos. A pequena fração que escapa desta circulação é perdida nas fezes. Esta é a principal via de excreção do colesterol (embora uma fração menor seja perdida através da remoção normal de células mortas da pele).

Hormônios esteróides

Os hormônios esteróides consomem uma fração muito pequena do colesterol total disponível no organismo, mas eles são muito importantes fisiologicamente. (Veja abaixo Funções biológicas dos lipídios.) Existem cinco classes principais, todas derivadas do colesterol: as progestinas (ativas durante a gravidez), os glicocorticoides (promovendo a síntese da glicose e suprimindo reações inflamatórias), os mineralocorticoides (regulando o equilíbrio iônico), os estrogênios (promovendo as características sexuais femininas) e os andrógenos (promovendo as características sexuais masculinas). Com exceção da progesterona, todas estas moléculas biologicamente ativas intimamente relacionadas têm em comum uma cadeia lateral encurtada no anel D e, em alguns casos, um grupo OH oxidado no anel A. As moléculas individuais são sintetizadas sob demanda pela placenta em mulheres grávidas, pelo córtex adrenal e pelas gônadas.

Regulamentação do metabolismo do colesterol

Os altos níveis de colesterol no sangue foram reconhecidos como um fator de risco primário para doenças cardíacas. Por esta razão, muitas pesquisas têm se concentrado no controle da biossíntese do colesterol, no seu transporte no sangue e no seu armazenamento no corpo. O nível geral de colesterol no organismo é o resultado de um equilíbrio entre a ingestão alimentar e a biossíntese celular por um lado e, por outro lado, a eliminação do colesterol do organismo (principalmente como seus produtos metabólicos, ácidos biliares).

Como a ingestão dietética de colesterol aumenta em pessoas normais, há uma diminuição correspondente na absorção pelo intestino e um aumento na síntese e excreção dos ácidos biliares – que normalmente representam cerca de 70% do colesterol perdido do organismo. Os detalhes moleculares destes processos de controle são mal compreendidos.

A regulação da biossíntese do colesterol no fígado e outras células do corpo é melhor compreendida. A enzima inicial que forma o mevalonato no primeiro estágio da biossíntese é controlada por dois processos. Um é a inibição da síntese desta enzima pelo próprio colesterol ou por um derivado dele. O outro é a regulação da atividade catalítica da enzima pela fosforilação/defosforilação em resposta a sinais intracelulares. Vários agentes farmacológicos também inibem a enzima, com o resultado de que níveis insalubres de colesterol podem ser reduzidos durante um período de tempo.

Transporte e armazenamento

O corpo humano normal contém cerca de 100 gramas de colesterol, embora esta quantidade possa variar consideravelmente entre pessoas saudáveis. Aproximadamente 60 gramas deste total estão se movendo dinamicamente através do organismo. Como o colesterol é insolúvel na água, a base dos fluidos corporais, ele é transportado pelo sistema circulatório através do transporte de partículas no sangue chamadas lipoproteínas. Estes complexos microscópicos (descritos na seção Lipoproteínas) contêm tanto lipídios quanto proteínas que podem acomodar o colesterol e ainda permanecer solúveis no sangue.

O colesterol é absorvido pelas células do revestimento intestinal, onde é incorporado a complexos lipoproteicos chamados quilomícrons e depois secretado na circulação linfática. A linfa entra finalmente na corrente sanguínea, e as lipoproteínas são transportadas para o fígado. O colesterol, seja derivado da dieta ou recém-sintetizado pelo fígado, é transportado no sangue em lipoproteínas (VLDL e LDL) para os tecidos e órgãos do corpo. Ali, o colesterol é incorporado às membranas biológicas ou armazenado como ésteres-moléculas de colesteril formadas pela reação de um ácido graxo (mais comumente oleato) com o grupo hidroxil do colesterol. Os ésteres de colesterol são ainda mais hidrofóbicos do que o próprio colesterol, e nas células coalescem em gotículas análogas às gotículas de gordura nas células adiposas.

O colesterol é perdido das células dos tecidos periféricos por transferência para outro tipo de lipoproteína circulante (HDL) no sangue e depois é devolvido ao fígado, onde é metabolizado aos ácidos biliares e aos sais.

Lipoproteínas

As lipoproteínas são complexos lipídico-protéicos que permitem que todos os lipídios derivados de alimentos ou sintetizados em órgãos específicos sejam transportados por todo o corpo pelo sistema circulatório. A estrutura básica destes agregados é a de uma gota de óleo composta de triglicerídeos e ésteres de colesteril rodeada por uma camada de proteínas e lipídios anfípticos – muito semelhante à de uma micela, uma estrutura esférica descrita na seção Ácidos graxos. Se a concentração de uma ou outra lipoproteína torna-se muito alta, então uma fração do complexo torna-se insolúvel e é depositada nas paredes das artérias e capilares. Este acúmulo de depósitos é chamado de aterosclerose e, em última instância, resulta em bloqueio de artérias críticas para causar um ataque cardíaco ou derrame. Devido à gravidade desta condição, muita pesquisa está focada nas lipoproteínas e suas funções. A ênfase na discussão a seguir é, portanto, colocada nas lipoproteínas humanas.

Classificação e formação

Existem quatro classes principais de lipoproteínas circulantes, cada uma com sua própria composição protéica e lipídica característica. Elas são quilômeros, lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDL), lipoproteínas de baixa densidade (LDL) e lipoproteínas de alta densidade (HDL). Dentro de todas estas classes de complexos, os vários componentes moleculares não estão quimicamente ligados entre si, mas simplesmente associados de forma a minimizar os contatos hidrofóbicos com a água. A característica mais marcante de cada classe são as quantidades relativas de lipídios e proteínas. Como a composição lipídica e proteica se reflete na densidade de cada lipoproteína (sendo as moléculas lipídicas menos densas que as proteínas), a densidade, um atributo facilmente mensurável, forma a base operacional da definição das classes de lipoproteínas. A medição da densidade também fornece a base para a separação e purificação das lipoproteínas do plasma para estudo e diagnóstico. A tabela apresenta um resumo das características das classes de lipoproteínas e mostra a correlação entre composição e densidade.

Os principais componentes lipídicos são triglicerídeos, colesterol, ésteres colesterílicos e fosfolipídios. O núcleo hidrofóbico da partícula é formado pelos triglicerídeos e pelos ésteres de colesteril. As cadeias de acilo gorduroso destes componentes são insaturadas e, portanto, a estrutura do núcleo é líquida à temperatura corporal. A tabela dá mais detalhes sobre os nove diferentes componentes protéicos, chamados apoproteínas, das classes de lipoproteínas. Com exceção do LDL, que contém apenas um tipo de apoproteína, todas as classes têm múltiplos componentes de apoproteínas. Todas as apoproteínas, como os fosfolípidos, são anfípidas e interagem favoravelmente tanto com lipídios quanto com água. Segue-se uma consideração mais detalhada do caráter e das funções destas partículas de lipoproteínas.

.

Quilomícronos

Os quilometros são as maiores lipoproteínas, com diâmetros de 75-600 nanômetros (nm; 1 nm = 10-9 metros). Eles têm a menor relação proteína/lipídio (sendo cerca de 90% lipídicos) e, portanto, a menor densidade. Os quilomícronos são sintetizados pelas células absorventes do revestimento intestinal e são secretados por estas células no sistema linfático, que une a circulação sanguínea na veia subclávia. O triglicérido, o éster colesteril e o teor de colesterol livre dessas partículas é derivado da digestão da gordura alimentar. Seus principais destinos nas áreas periféricas são: músculo cardíaco, músculo esquelético, tecido adiposo e tecido mamário lactante. A transferência de triglicérides e ésteres colesterílicos para os tecidos esgota os agregados lipídico-protéicos destas substâncias e deixa restos de quilomícrons, que eventualmente são absorvidos pelo fígado. Os resíduos lipídicos e de proteínas são usados para formar VLDL e LDL, descritos abaixo.

Lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDL)

VLDL é uma classe de lipoproteínas sintetizada pelo fígado que é análoga aos quilomícrons secretados pelo intestino. Sua finalidade também é fornecer triglicerídeos, ésteres de colesteril e colesterol aos tecidos periféricos. O VLDL está largamente esgotado de seu conteúdo de triglicerídeos nesses tecidos e dá origem a um remanescente de lipoproteínas de densidade intermediária (IDL), que é devolvido ao fígado na corrente sanguínea. Como seria de se esperar (ver tabela), as mesmas proteínas estão presentes tanto em VLDL quanto em IDL.

Lipoproteínas de baixa densidade (LDL)

As lipoproteínas de baixa densidade são derivadas de VLDL e IDL no plasma e contêm uma grande quantidade de colesterol e ésteres de colesteril. Seu papel principal é fornecer essas duas formas de colesterol aos tecidos periféricos. Quase dois terços do colesterol e seus ésteres encontrados no plasma (sangue livre de glóbulos vermelhos e brancos) estão associados ao LDL.

Lipoproteínas de alta densidade (HDL)

As lipoproteínas desta classe são as menores, com um diâmetro de 10,8 nm e a maior relação proteína/lipídeo. A alta densidade resultante dá seu nome a esta classe. O HDL desempenha um papel primordial na remoção do excesso de colesterol das células e no seu retorno ao fígado, onde é metabolizado em ácidos biliares e sais que são eventualmente eliminados através do intestino. O LDL e o HDL juntos são os principais fatores para manter o equilíbrio do colesterol no organismo. Devido à alta correlação entre os níveis de colesterol no sangue e a aterosclerose, as altas proporções de HDL e colesterol (principalmente como encontrado no LDL) se correlacionam bem com uma menor incidência desta doença em humanos.

Funções, origens e reciclagem das apolipoproteínas

As nove classes de apoproteínas listadas na tabela são sintetizadas nas células da mucosa do intestino e no fígado, sendo o fígado responsável por cerca de 80% da produção.

Os quilomicrons são sintetizados na mucosa intestinal. As células deste tecido, embora capazes de produzir a maioria das apoproteínas, são a principal fonte de apoB (a forma B-48) e apoA-I. O componente apoC-II dos quilomícrons é um ativador de uma enzima plasmática que hidrolisa o triglicerídeo destes complexos. Esta enzima, chamada lipoproteína lipase, reside na superfície celular e torna os ácidos graxos dos triglicerídeos disponíveis para a célula para o metabolismo energético. Até certo ponto, a enzima também é ativada pelo apoC-II, presente em pequenas quantidades nos quilomícrons.

VLDL, o portador de lipoproteínas para triglicerídeos sintetizados no fígado e destinados ao uso no coração e no músculo, tem um complemento de cinco apoproteínas. Entre elas estão o apoB-100, uma proteína que desempenha um papel estrutural no complexo, e o apoC-I, -II, e -III. As duas primeiras ativam as enzimas lecitina colesterol acyltransferase (LCAT) e lipoproteína lipase. Curiosamente, o apoC-III, um componente menor dos quilomícrons e VLDL, inibe a lipoproteína lipase. Após a descarga dos triglicerídeos, os restos de VLDL retornam ao fígado.

O LDL contém uma única apoproteína e é o principal portador de colesterol para o tecido periférico como o esterol livre e os ésteres. A descarga do conteúdo lipídico deste complexo requer o reconhecimento da apoproteína LDL B-100 por um receptor localizado na superfície das células receptoras. Quando a proteína é ligada ao receptor, o complexo receptor-LDL é engolfado pela célula em um processo conhecido como endocitose. A LDL endocitose descarrega seu conteúdo dentro da célula, e a B-100 é degradada em aminoácidos livres que são usados para sintetizar novas proteínas ou são metabolizados como uma fonte de energia. A elucidação do processo de absorção celular do LDL por Michael Brown e Joseph Goldstein lhes rendeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1985.

A principal função do HDL com seu complemento de apoproteínas é absorver o colesterol das células do corpo e entregá-lo ao fígado para sua excreção final como ácidos biliares e sais. As principais apoproteínas são A-I, um ativador LCAT, e A-II. Todas as apoproteínas HDL têm sua origem biossintética no fígado. Quando o HDL é secretado por este órgão, é um discoídeo pequeno e achatado, sem colesterol, mas contendo fosfolipídios e as apoproteínas. Nos tecidos periféricos, o HDL capta o colesterol das membranas superficiais das células e, através da agência LCAT, o converte em ésteres usando cadeias de acyl a partir da fosfatidilcolina.

Funções biológicas dos lipídios

A maioria dos lipídios em sistemas biológicos funciona como fonte de energia metabólica armazenada ou como matrizes estruturais e barreiras de permeabilidade em membranas biológicas. Quantidades muito pequenas de lipídios especiais atuam como mensageiros intracelulares e extracelulares, tais como hormônios e feromônios. Os lipídios amhipáticos, as moléculas que permitem que as membranas formem compartimentos, devem ter estado entre os progenitores dos seres vivos. Esta teoria é apoiada por estudos de vários organismos simples e unicelulares, nos quais se pensa que até um terço do genoma codifica as proteínas da membrana e as enzimas da biossíntese lipídica da membrana.

Fonte de energia celular

Os ácidos graxos que são armazenados no tecido adiposo como triglicérides são uma importante fonte de energia em animais superiores, assim como a glicose, um simples carboidrato de seis carbonos. Em humanos saudáveis e bem alimentados, apenas cerca de 2% da energia é derivada do metabolismo das proteínas. Grandes quantidades de lipídios são armazenadas em tecido adiposo. No homem americano médio, cerca de 25% do peso corporal é gordura, enquanto apenas 1% é composto por glicogênio (um polímero de glicose). Além disso, a energia disponível para o corpo a partir do metabolismo oxidativo de 1 grama de triglicerídeo é mais que o dobro da energia produzida pela oxidação de um peso igual de carboidrato, como o glicogênio.

Armazenamento de triglicérides em células adiposas

Em animais superiores e humanos, o tecido adiposo composto por adipócitos (células gordurosas) é amplamente distribuído sobre o corpo – principalmente sob a pele, ao redor de vasos sanguíneos profundos e na cavidade abdominal e, em menor grau, em associação com os músculos. Os peixes bony têm tecido adiposo distribuído principalmente entre as fibras musculares, mas os tubarões e outros peixes cartilaginosos armazenam lipídios no fígado. A gordura armazenada no tecido adiposo surge da ingestão dietética de gordura ou carboidratos em excesso às necessidades energéticas do corpo. Um excesso dietético de 1 grama de triglicerídeo é armazenado como 1 grama de gordura, mas apenas cerca de 0,3 grama de excesso dietético de carboidrato pode ser armazenado como triglicerídeo. O processo inverso, a conversão do excesso de gordura em carboidrato, é metabolicamente impossível. Em humanos, o excesso de ingestão alimentar pode tornar o tecido adiposo a maior massa do corpo.

O excesso de triglicérides é entregue ao tecido adiposo por lipoproteínas no sangue. Ali, os triglicerídeos são hidrolisados para libertar ácidos graxos e glicerol através da ação da enzima lipoproteína lipase, que é ligada à superfície externa das células adiposas. A apoproteína C-II ativa esta enzima, assim como as quantidades de insulina que circulam no sangue após a ingestão de alimentos. Os ácidos graxos livres liberados são então absorvidos pelas células adiposas e ressintetizadas em triglicerídeos, que se acumulam em uma gotícula de gordura em cada célula.

Mobilização dos ácidos graxos

Em tempos de estresse quando o corpo requer energia, os ácidos graxos são liberados das células adiposas e mobilizados para uso. O processo começa quando os níveis de glucagon e adrenalina no sangue aumentam e estes hormônios se ligam a receptores específicos na superfície das células adiposas. Esta ação de ligação inicia uma cascata de reações na célula que resulta na ativação de mais uma lipase que hidrolisa triglicérides na gotícula de gordura para produzir ácidos graxos livres. Estes ácidos graxos são liberados no sistema circulatório e entregues ao músculo esquelético e cardíaco, assim como ao fígado. No sangue, os ácidos graxos são ligados a uma proteína chamada albumina sérica; no tecido muscular são absorvidos pelas células e oxidados em dióxido de carbono (CO2) e água para produzir energia, como descrito abaixo. Não está claro se é necessário um mecanismo especial de transporte para permitir a entrada dos ácidos graxos livres nas células a partir da circulação.

O fígado absorve uma grande fração dos ácidos graxos. Lá eles são em parte resintetizados em triglicerídeos e são transportados em lipoproteínas VLDL para os músculos e outros tecidos. Uma fração também é convertida em pequenas moléculas de cetona que são exportadas via circulação para tecidos periféricos, onde são metabolizadas para produzir energia.

Oxidação dos ácidos graxos

Dentro da célula muscular, os ácidos graxos livres são convertidos em um tioestre de uma molécula chamada coenzima A, ou CoA. (Um tioéster é um composto no qual o oxigênio de ligação em um éster é substituído por um átomo de enxofre). A oxidação dos tioésteres de ácido graxo-CoA ocorre na verdade em corpos vesiculares discretos chamados mitocôndrias. A maioria das células contém muitas mitocôndrias, cada uma aproximadamente do tamanho de uma bactéria, variando de 0,5 a 10 m (micrometro; 1 m = um milionésimo de metro) de diâmetro; seu tamanho e forma diferem dependendo do tipo de célula em que ocorrem. A mitocôndria é circundada por um sistema de membrana dupla que envolve um espaço interior fluido chamado matriz. Na matriz encontram-se as enzimas que convertem os tioésteres de ácido graxo-CoA em CO2 e água (os produtos químicos residuais da oxidação) e também o trifosfato de adenosina (ATP), a moeda energética dos sistemas vivos. O processo consiste em quatro etapas sequenciais.

O primeiro passo é o transporte do ácido graxo através do mais interno das duas membranas concêntricas mitocondriais. A membrana externa é muito porosa, de modo que os tioésteres de CoA permeiam livremente através dela. A membrana interna impermeável é uma matéria diferente; aqui as cadeias de ácido graxo são transportadas através da seguinte maneira. No lado citoplasmático da membrana, uma enzima catalisa a transferência do ácido graxo de CoA para uma molécula de carnitina, um aminoácido hidroxilado. O éster de carnitina é transportado através da membrana por uma proteína transferase localizada na membrana, e no lado da matriz uma segunda enzima catalisa a transferência do ácido graxo da carnitina de volta para a CoA. A carnitina que é re-formada pela perda do ácido graxo ligado é transferida de volta para o lado citoplasmático da membrana mitocondrial para ser reutilizada. A transferência de um ácido graxo do citoplasma para a matriz mitocondrial ocorre assim sem a transferência da própria CoA de um compartimento para o outro. Nenhuma energia é gerada ou consumida neste processo de transporte, embora a energia seja necessária para a formação inicial do ácido graxo – CoA tioestre no citoplasma.

A segunda etapa é a oxidação do ácido graxo em um conjunto de fragmentos de acetato de dois carbonos com ligações de tioéster com o CoA. Esta série de reações, conhecida como β-oxidação, ocorre na matriz da mitocôndria. Como a maioria dos ácidos graxos biológicos tem um número par de carbonos, o número de fragmentos de acetil-CoA derivados de um ácido graxo específico é igual a metade do número de carbonos na cadeia de acilo. Por exemplo, o ácido palmítico (C16) produz oito tioésteres de acetil-CoA. No caso de ácidos graxos raros não ramificados com um número ímpar de carbonos, forma-se um éster de CoA de três carbonos, bem como os dois tioésteres de acetil-CoA de dois carbonos. Assim, um ácido C17 produz sete acetil e um tioéster de CoA de três carboidratos. A energia nas sucessivas etapas de oxidação é conservada pela redução química (o oposto de oxidação) das moléculas que podem ser utilizadas posteriormente para formar o ATP. O ATP é o combustível comum usado em todas as máquinas da célula (por exemplo, músculos, nervos, sistemas de transporte de membranas e sistemas biossintéticos para a formação de moléculas complexas, como DNA e proteínas).

Os resíduos de dois carbonos de acetil-CoA são oxidados em CO2 e água, com conservação de energia química na forma de FADH2 e NADH e uma pequena quantidade de ATP. Este processo é realizado em uma série de nove reações catalisadas enzimaticamente no espaço da matriz mitocondrial. As reações formam um ciclo fechado, freqüentemente chamado de ácido cítrico, ácido tricarboxílico ou ciclo de Krebs (após seu descobridor, o Nobelista Sir Hans Krebs).

A etapa final é a conversão da energia química em NADH e FADH2 formada na segunda e terceira etapas em ATP por um processo conhecido como fosforilação oxidativa. Todas as enzimas participantes estão localizadas dentro da membrana interna mitocondrial – exceto uma, que está presa no espaço entre as membranas interna e externa. Para que o processo possa produzir ATP, a membrana interna deve ser impermeável aos íons hidrogênio (H+). Durante a fosforilação oxidativa, as moléculas de NADH e FADH2 são submetidas a uma série de reações de oxidação-redução ligadas. O NADH e o FADH2 são ricos em elétrons e desistem desses elétrons para o primeiro membro da cadeia de reação. Os elétrons então passam para baixo a série de reações de oxidação-redução e na última reação reduzem o oxigênio molecular (O2) para a água (H2O). Esta parte da fosforilação oxidativa é chamada de transporte de elétrons.

A energia química disponível nestas reações de transferência de elétrons é conservada pelo bombeamento de H+ através da membrana interna mitocondrial da matriz para o citoplasma. Essencialmente é criada uma bateria elétrica, com o citoplasma atuando como pólo positivo e a matriz mitocondrial como pólo negativo. O efeito líquido do transporte de elétrons é, portanto, converter a energia química da oxidação em energia elétrica da “bateria” transmembrana. A energia armazenada nesta bateria é, por sua vez, utilizada para gerar ATP a partir de difosfato de adenosina (ADP) e fosfato inorgânico pela ação de uma enzima complexa chamada ATP sintase, também localizada na membrana mitocondrial interna. Peter Mitchell recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1978 por sua descoberta da conversão da energia de transporte de elétrons em uma bateria transmembrana e pelo uso desta bateria para gerar ATP. É interessante que um processo similar forma a base da fotossíntese – o mecanismo pelo qual as plantas verdes convertem a energia luminosa do Sol em carboidratos e gorduras, os alimentos básicos tanto de plantas como de animais. Muitos dos detalhes moleculares do sistema de fosforilação oxidativa são agora conhecidos, mas ainda há muito a aprender sobre isso e sobre o processo igualmente complexo da fotossíntese.

A oxidação β também ocorre, em menor grau, dentro de pequenas organelas subcelulares chamadas peroxissomas em animais e glioxissomas em plantas. Nesses casos, os ácidos graxos são oxidados em CO2 e água, mas a energia é liberada como calor. Os detalhes bioquímicos e as funções fisiológicas destas organelas não são bem compreendidos.

Regulação da oxidação dos ácidos graxos

A taxa de utilização de acetil-CoA, o produto da oxidação β, e a disponibilidade de ácidos graxos livres são os fatores determinantes que controlam a oxidação dos ácidos graxos. As concentrações de ácidos graxos livres no sangue são reguladas por hormônios, com estimulação do glucagon e inibição da liberação de ácidos graxos insulínicos do tecido adiposo. A utilização no músculo da acetil-CoA depende da atividade do ciclo do ácido cítrico e da fosforilação oxidativa – as taxas de mangueiras, por sua vez, refletem a demanda por ATP.

No fígado, o metabolismo dos ácidos graxos livres reflete o estado metabólico do animal. Em animais bem alimentados, o fígado converte o excesso de carboidratos em ácidos graxos, enquanto que em animais em jejum a oxidação dos ácidos graxos é a atividade predominante, juntamente com a formação de cetonas. Embora os detalhes não sejam completamente compreendidos, é claro que no fígado o metabolismo dos ácidos graxos está fortemente ligado à síntese de ácidos graxos, de modo que um ciclo fechado de síntese de ácidos graxos e o metabolismo de volta à acetil-CoA é evitado.

Lípidos nas membranas biológicas

As membranas biológicas separam a célula de seu ambiente e compartimentam o interior da célula. As várias membranas que desempenham estes papéis vitais são compostas de aproximadamente igual porcentagem de peso de proteína e lipídios, sendo que os carboidratos constituem menos de 10% em algumas poucas membranas. Embora muitas centenas de espécies moleculares estejam presentes em qualquer uma das membranas, a organização geral dos componentes genéricos é conhecida. Todos os lipídios são amphipáticos, com suas porções hidrofílica (polar) e hidrofóbica (não-polar) localizadas em partes separadas de cada molécula. Como resultado, os componentes lipídicos das membranas são dispostos no que pode ser chamado de folheto bimolecular contínuo, ou bilayer. As porções polares das moléculas constituintes encontram-se nas duas faces do bico, enquanto as porções não-polares constituem o interior do bico. A estrutura lipídica do bico forma uma barreira impermeável para substâncias essenciais solúveis em água na superfície do bico.

Alguns componentes protéicos são inseridos no bocal, e a maior parte deles se estende por esta estrutura. Estas chamadas proteínas de membrana integral, ou intrínsecas, possuem aminoácidos com cadeias laterais não-polares na interface entre a proteína e a região central não-polar do bocal lipídico. Uma segunda classe de proteínas está associada com as superfícies polares do bocal e com as proteínas intrínsecas da membrana. Os componentes protéicos são específicos para cada tipo de membrana e determinam suas funções fisiológicas predominantes. O componente lipídico, além de sua função crítica de barreira, é na maioria das vezes fisiologicamente silencioso, embora derivados de certos lipídios de membrana possam servir como mensageiros intracelulares.

A característica mais notável da estrutura geral da biomembrana é que os componentes lipídicos e proteicos não estão covalentemente ligados uns aos outros ou às moléculas do outro grupo. Esta estrutura em forma de folha, formada apenas por associações moleculares, tem menos de 10 nm de espessura, mas muitas ordens de magnitude maiores em suas outras duas dimensões. As membranas são mecanicamente surpreendentemente fortes, mas exibem propriedades semelhantes a fluidos. Embora as superfícies das membranas contenham unidades polares, elas atuam como um isolante elétrico e podem suportar várias centenas de milhares de volts sem ruptura. Estudos experimentais e teóricos estabeleceram que a estrutura e estas propriedades incomuns são conferidas às membranas biológicas pelo bocal lipídico.

Composição do bico lipídico

A maioria das membranas biológicas contém uma variedade de lipídios, incluindo os vários glicerofosfolipídios como a fosfatidilcolina, -etanolamina, -serina, -inositol e -glicerol, bem como a esfingomielina e, em algumas membranas, os glicosfingolipídios. (Estes compostos são descritos na seção Derivados de ácidos graxos.) Colesterol, ergosterol e sitosterol (descritos na seção Colesterol e seus derivados) são esteróis encontrados em muitas membranas. As quantidades relativas desses lipídios diferem mesmo no mesmo tipo de célula em diferentes organismos, como mostra a tabela sobre a composição lipídica das membranas dos glóbulos vermelhos de diferentes espécies de mamíferos. Mesmo em uma única célula, as composições lipídicas da membrana que envolve a célula (a membrana plasmática) e as membranas das várias organelas dentro da célula (como os microsomos, mitocôndrias e núcleo) são diferentes, como mostra a tabela sobre várias membranas em uma célula do fígado de rato.

Por outro lado, as composições lipídicas de todas as células de um tipo específico em um determinado organismo em um determinado momento de sua vida são idênticas e, portanto, características. Durante a vida de um organismo, pode haver mudanças na composição lipídica de algumas membranas; o significado fisiológico dessas mudanças relacionadas à idade é desconhecido, no entanto.

Características físicas das membranas

Uma das características mais surpreendentes das membranas biológicas é o fato de que tanto as moléculas lipídicas quanto as proteicas, como as moléculas em qualquer líquido viscoso, estão em constante movimento. De fato, a membrana pode ser considerada um líquido bidimensional no qual os componentes proteicos andam como barcos. Entretanto, as moléculas lipídicas no bico devem ser sempre orientadas com suas extremidades polares na superfície e suas partes não polares na região central do bico. A estrutura do bileiro tem assim a orientação molecular de um cristal e a fluidez de um líquido. Neste estado líquido-cristalino, a energia térmica faz com que as moléculas lipídicas e proteicas se difundam lateralmente e também girem em torno de um eixo perpendicular ao plano da membrana. Além disso, os lipídios ocasionalmente giram de uma face do bocal da membrana para a outra e se fixam e se destacam da superfície do bocal a taxas muito lentas, mas mensuráveis. Embora estes últimos movimentos sejam proibidos às proteínas intrínsecas, tanto os lipídios quanto as proteínas podem apresentar movimentos de bobina limitados. Dentro desta mistura aparentemente aleatória e dinâmica de componentes, porém, há uma ordem considerável no plano da membrana. Esta ordem toma a forma de um “mosaico fluido” de complexos de associação molecular tanto de lipídios quanto de proteínas no plano da membrana. O plano da membrana biológica é assim compartimentado por estruturas de domínio, assim como o espaço tridimensional da célula é compartimentado pelas próprias membranas. Os mosaicos de domínio vão de dezenas de nanômetros (bilionésimos de metro) a micrometros (milionésimos de metro) e são estáveis em intervalos de tempo de nanossegundos a minutos. Além desta estrutura de domínio no plano, as duas monocamadas lipídicas que compõem o bocal de membrana frequentemente têm composições diferentes. Esta assimetria, combinada com o fato de que as proteínas intrínsecas da membrana não giram em torno de um eixo no plano da membrana, torna as duas metades do bocal em domínios separados.

Uma classe interessante de proteínas é ligada às membranas biológicas por um lipídio que está quimicamente ligado à proteína. Muitas destas proteínas estão envolvidas na sinalização intra e intercelular. Em alguns casos, defeitos em sua estrutura tornam as células cancerosas, presumivelmente porque os sinais que limitam o crescimento são bloqueados pelo erro estrutural.

Mensageiros intracelulares e extracelulares

Em organismos multicelulares (eucariotas), os mecanismos internos que controlam e coordenam as reações bioquímicas básicas estão conectados a outras células por meio de nervos e “mensageiros” químicos. O processo geral de recepção dessas mensagens e de conversão das informações que elas contêm em efeitos metabólicos e fisiológicos é conhecido como transdução de sinal. Muitos dos mensageiros químicos são lipídios e, portanto, são de especial interesse aqui. Há vários tipos de mensageiros externos. O primeiro deles são os hormônios como insulina e glucagon e os lipídios conhecidos coletivamente como hormônios esteróides. Uma segunda classe de moléculas lipídicas são os eicosanóides, que são produzidos nos tecidos e que provocam respostas celulares próximas ao seu local de origem. Eles são produzidos em níveis muito baixos e são virados muito rapidamente (em segundos). Os hormônios têm locais de ação que estão distantes de suas células de origem e permanecem na circulação por longos períodos (minutos a horas).

Hormônios esteróides

Os hormônios lipídicos invocam mudanças na expressão gênica; ou seja, sua ação é ligar ou desligar as instruções emitidas pelo ácido desoxirribonucleico (DNA) para produzir proteínas que regulam a biossíntese de outras proteínas importantes. Os esteróides são transportados na circulação vinculados individualmente a proteínas portadoras específicas que os direcionam para as células em determinados órgãos. Após permear as membranas externas destas células, o esteróide interage com uma proteína transportadora específica no citoplasma. Este complexo solúvel migra para o núcleo da célula, onde interage com o DNA para ativar ou reprimir a transcrição, o primeiro passo na biossíntese da proteína.

Todas as cinco principais classes de hormônios esteróides produzidos a partir do colesterol contêm os cinco anéis característicos de átomos de carbono da molécula mãe. Os progestógenos são um grupo de esteróides que regulam os eventos durante a gravidez e são os precursores dos outros hormônios esteróides. Os glicocorticoides, cortisol e corticosteronas promovem a biossíntese da glicose e atuam para suprimir a inflamação. Os mineralocorticoides regulam o equilíbrio iônico entre o interior e o exterior da célula. Os andrógenos regulam as características sexuais masculinas, e os estrogênios desempenham uma função análoga nas fêmeas. Os órgãos-alvo para esses hormônios estão listados na tabela.

Eicosanóides

Três tipos de moléculas de sinalização de ação local são derivadas biosinteticamente dos ácidos graxos polinsaturados C20, principalmente o ácido araquidônico. Os ácidos graxos de vinte carbonos são todos conhecidos coletivamente como ácidos eicosanóicos. As três classes quimicamente semelhantes são prostaglandinas, tromboxanos e leucotrienos. Os eicosanóides interagem com receptores de superfície celular específicos para produzir uma variedade de efeitos diferentes em diferentes tecidos, mas geralmente causam respostas inflamatórias e mudanças na pressão sanguínea, e também afetam a coagulação do sangue. Pouco se sabe sobre como esses efeitos são produzidos dentro das células dos tecidos-alvo. Entretanto, sabe-se que a aspirina e outros antiinflamatórios inibem ou uma enzima na via da biossíntese ou o receptor de eicosanóides na superfície celular.

Segundo mensageiros intracelulares

Com exceção dos hormônios esteróides, a maioria dos hormônios, tais como insulina e glucagon, interagem com um receptor na superfície celular. O receptor ativado gera então os chamados segundos mensageiros dentro da célula que transmitem as informações para os sistemas bioquímicos cujas atividades devem ser alteradas para produzir um efeito fisiológico particular. A magnitude do efeito final é geralmente proporcional à concentração dos segundos mensageiros.

Um importante sistema de sinalização intracelular de segundo mensageiro, o sistema fosfatidilinositol, emprega dois lipídios de segundo mensageiro, ambos derivados do fosfatidilinositol. Um é diacilglicerol (diglicérido), o outro é trifosfofosfinositol. Neste sistema, um receptor de membrana atua sobre uma enzima, a fosfolipase C, localizada na superfície interna da membrana celular. A ativação desta enzima por um dos agentes listados na tabela provoca a hidrólise de um fosfolipídeo de membrana menor, fosfatidilinositol bisfosfato. Sem deixar a camada de membrana, o diacilglicerol ativa em seguida uma enzima ligada à membrana, a proteína quinase C, que por sua vez catalisa a adição de grupos de fosfato a uma proteína solúvel. Esta proteína solúvel é o primeiro membro de uma seqüência de reação que leva à resposta fisiológica apropriada na célula. O outro produto de hidrólise da fosfolipase C, trifosfosfinositol, causa a liberação de cálcio das reservas intracelulares. O cálcio é necessário, além do triacilglicerol, para a ativação da proteína quinase C.

Referências

Britannica.com | Lipid