Compus Gradul de indulcire

Glucoza 1 Acesulfam 200 Alitam 2000 Aspartam 180 Zaharina 350 Sucraloza 600

Biochimie descriptivă / Biochimie și toxicologie - Cursurile 5 și 6 Îndulcitorii artificiali Se cunoaşte faptul că o alimentaţie sănătoasă determină o stare bună de funcţionare a organismului. Populaţia utilizează alimentele pentru a suplini necesarul de vitamine şi de substanţe nutritive. Un procent semnificativ din populația umană consumă mai multe calorii decât necesarul zilnic. Acest fapt conduce la supraponderabilitate şi implicit la un stil de viaţă neadecvat. Îndulcitorii artificiali sunt de obicei adăugaţi la alimentele procesate cu scopul de a obţine un gust dulce fără a adăuga calorii. Aceast fapt este posibil prin folosirea unor compuşi care mimează interacţiunea zaharozei cu receptorii de gust. Avantajul este acela că aceşti compuşi sunt folosiţi în concentraţii relativ mici şi ca atare nu intervin într-un mod marcant în metabolismul energetic. Monozaharidele care apar frecvent în natură (fructoza) sunt un pic mai dulci decât zaharoza. Mierea, care conţine în principal fructoză, glucoză (în funcţie de raportul fructoză : glucoză are loc cristalizarea produsului apicol; în cazul unei cantităţi mai mare de glucoză, are loc precipitarea acesteia datorită solubilităţii mai mici a acestui component în apă, iar mierea capătă o constituţie solidă) şi maltoza care este de 1,5 ori mai dulce decât zahărul.

Cum este măsurat gradul de indulcire al unui produs? Deocamdată nu există un sistem mai performant de detecţie decât receptorii umani. Pentru măsurarea acestui parametru se dizolvă compusul de testat se prepară o serie de soluții diluate consecutiv şi se compară acestea cu soluţia de referinţă conţinând glucoza. Compuşii foarte dulci (vezi tabel) trebuie diluaţi corespunzător pentru a permite o comparaţie cu etalonul. Ciclamatul de sodiu (de 30-50 de ori mai dulce decât zaharoza) sau calciu sunt compuşi care sunt utilizaţi în diverse preparate (farmaceutice sau alimentare) cu scopul reducerii numărului de calorii. Unul dintre cei mai vechi îndulcitori artificiali este zaharina, a fost descoperită în 1879. În anii ’70, cercetătorii au demonstrat că dozele mari de zaharină pot cauza apariţia cancerului la şoareci. Aceste doze însă erau extrem de mari şi nu pot fi atinse de către consumatori şi din acest motiv nu reprezintă un risc pentru aceştia.

Aspartamul ingredientul activ din doi îndulcitori artificiali (Nutrasweet sau Equal) a fost aprobat pentru utilizare la scară largă încă din 1981, iar în zilele noastre este unul dintre cei mai folosiţi îndulcitori. Comparativ cu zaharina, care nu este metabolizată de organismul uman, aspartamul este scindat în componenţii săi: aspartat, fenilalanina şi metanol. Dat fiind faptul că aspartatul şi fenilalanina pot fi metabolizaţi mai departe, aspar-

tamul nu este lipsit de calorii. Metanolul rezultat nu este toxic, deoarece cantitatea eliberată prin scindarea aspartamului este comparabilă cu cantitatea de alcool rezultată prin presarea fructelor. Unul din dezavantajele utilizării aspartamului este instabilitatea termică a acestuia, fapt care îl face necorespunzător pentru industria panificaţiei şi hidroliza lentă a acestuia în băuturi. Neotamul este un derivat al aspartamului, fiind de circa 8000 de ori mai dulce decât zaharoza. Are stabilitate mai mare decât aspartamul şi nu produce fenilalanina atunci când este metabolizat. Utilizarea neotamului a fost permisă în Europa începând din anul 2002. Îndulcitorul este folosit în compoziţia budincilor, sucurilor, gemurilor sau jeleurilor. Acest îndulcitor poate fi găsit şi în prăjituri, deserturi îngheţate sau gumă de mestecat.

Acesulfamul este utilizat de multe ori în combinaţie cu aspartamul, deoarece cei doi compuşi acţionează sinergic. În situația în care sarea de potasiu a acesulfamului este utilizată singură, în cantitățile necesare pentru a atinge gradul de îndulcire dorit, aceasta lasă un gust specific. Sarea nu este metabolizată sau stocată în organism. După ce este consumată, aceasta este rapid absorbită și excretată nemodificată. Ceilalţi îndulcitori artificiali sunt derivaţi ai zaharurilor (sucraloza este un derivat al zaharozei) sau aspartamului (alitamul). Sucraloza este de asemenea un îndulcitor cunoscut sub numele de tricloro-zaharoză. Acest derivat de zaharoză rezultă prin înlocuirea selectivă a trei hidroxil grupe cu atomi de clor. Sucraloza nu este metabolizată sau stocată în organism. După ce este consumată, aceasta este absorbită rapid și apoi excretată rapid sub formă nemodificată.

Îndulcitorii naturali De exemplu, rebaudiozida A (un îndulcitor din stevie cu putere de îndulcire de

aproximativ 300 de ori mare decât zaharoza) are în componenţă un resturi de glucoză ataşate la o unitate centrală prin legături eterice (glicozidice) sau esterice. Folosirea acestui compus sau extractelor ce conțin acest îndulcitor în America de Sud constituie o tradiție. De asemenea, ștevia este folosită de mulți ani și în Japonia.

Glicirizina este un glicozid care este de 50 de ori mai dulce decât zaharoza. Acest compus poate fi extras din rădăcina de lemn dulce, Glycyhrrhiza glabra. Planta este originară din Turcia, Irak, Spania, Grecia și nordul Chinei. Glicirizina are o istorie lungă de utilizare atât ca îndulcitor cât și ca un remediu pe bază de plante. Studiile au demonstrat că glicirizina inhibă o enzimă care inactivează în mod normal producerea cortizolului, astfel încât consumul de lemn dulce sau glicirizină poate ridica nivelul de cortizol din organism. Cortizolul se remarcă prin proprietăți anti-inflamatorii, astfel încât glicirizina poate fi benefică în tratarea unor afecțiuni, dar un nivel ridicat de cortizol poate determina retenție de apă, hipertensiune arterială, precum și pierderea ionilor de potasiu și calciu. Fitodulcina este un compus rezultat prin hidroliza enzimatică a unei glicozide care se realizează în fermentația frunzelor de hortensie (utilizat în Japonia pentru a produce un ceai dulce-răcoritor, băutură care se consumă în special în timpul ceremoniei unui festival budist). Puterea de îndulcire a fitodulcinei este de cel puțin 400 de ori mai mare decât a zaharozei, deși compusul se remarcă printr-o întârziere a senzației de dulce și printr-un gust licoros.

Polizaharidele Polizaharidele joacă un rol important în stocarea energiei şi menţinerea integrităţii

structurale a organismului. Amidonul este un polimer al glucozei abundent în granulele mici din numeroase

plante într-o formă semicristalină. Aceste granule, care sunt formate în plastidele legate de membranele celulare, au forma şi aparenţa caracteristică care variază de la o plantă la alta. Amidonul este intâlnit sub două forme: a) Amiloza, forma liniară a amidonului, constă din resturi de glucoză unite prin legături

-1,4-glicozidice. Conformaţia liniară extinsă nu este posibilă deoarece lanţurile au tendinţa de a se împacheta sub forma unui helix. Una dintre primele structuri helice ale acestui biopolimer a fost descoperită în 1943 şi anume structura de helix cu orientare spre stânga a amilozei care înfăşoară molecula de pentaiodură (I5

-),

Sucraloza

Amiloza

complexul albastru amidon-iod. Acest helix conţine 6 resturi de monozaharid pe rotaţie, care are întoarcerea de 0,8 nm şi un diametru de aproximativ 14 nm.

b) Amilopectina, forma ramificată a amidonului posedă o legătură -1,6-glicozidică la 30 de legături -1,4-glicozidice (comparativ cu glicogenul care are o legătură -1,6 la 10 legături -1,4). Amidonul este polizaharidul cel mai ingerat de către om. Ambele forme ale amidonului sunt hidrolizate de -amilaza, o enzimă secretată de glandele salivare şi de pancreas.

Glicogenul (amidonul animal) este unul dintre cei mai întâlniţi homopolimeri din celula animală şi constituie o sursă de glucoză. Lanţul liniar al glicogenului este format prin intermediul legăturilor -1,4-glicozidice. Ramificaţiile se realizează prin formarea unor grupări glicozidice de tip -1,6 în timpul depozitării glucozei, dar în condiţiile ce impun consum de energie aceste legături se clivează enzimatic. Glicogenul este depozitat în citoplasma celulelor animale şi la anumite nivele în lizozomi sub forma unor particule mari de 100-200 MDa. Aceste particule se disting la microscopul electronic sub forma unor particule mai mici cu mase de 20-40 MDa.

Celuloza, un alt polizaharid al glucozei, are un rol structural în plante. Celuloza conferă ţesuturilor vegetale rezistenţa mecanică şi elasticitatea, formând un schelet al plantelor. Celuloza este unul dintre cei mai des întâlniţi compuşi organici din biosferă. Celuloza nu se întâlneşte în stare pură în natură. Fibrele de bumbac conţin 92-95% celuloză, iar la diferitele tipuri de lemn procentul de celuloză variază între 40 şi 60%. În lemn alături de celuloză este întâlnită şi hemiceluloza. Aceasta este un amestec complex de pentozani (xilani, arabani), hexozani, acid poliuronic (pectine) şi gume vegetale. Acest polimer liniar este format prin intermediul legăturilor -1,4-glicozidice. Fibrele de celuloză sunt rezultatul interacţiunilor dintre lanţuri liniare de polizaharid care sunt în principal dictate de legături de hidrogen, conferind astfel o rezistenţă deosebită. În contrast cu legăturile -1,4-glicozidice, cele -1,4-glicozidice determină o arhitectură diferită (helix) care este potrivită rezervelor de zaharuri. Deşi vertebratele nu posedă o enzimă capabilă să hidrolizeze legăturile -1,4-glicozidice din celuloză, tractul digestiv al erbivorelor conţine microorganisme simbiotice care conţin un set de enzime numite celulaze, enzime care permit digestia acestui polimer. Degradarea celulozei este un

Amilopectina

chitina

proces lent datorită împachetării mari a moleculei (prezenţei legăturilor de hidrogen), fapt care nu permite accesul ușor al acestui substrat în situsul activ al enzimei (celulazei). Din acest motiv bovinele trebuie să rumege materialul vegetal iar descopunerea copacilor de către fungi sau alte microorganisme se face în decursul a câtorva ani.

Celuloza (legături -1,4-glicozidice)

Glicogenul (legături -1,4-glicozidice)

Chitina este principala componentă

structurală a exoscheletului nevertebratelor (crustaceelor, insectelor-paianjenilor) sau este prezentă în peretele celular a multor fungi şi alge. Abundenţa sa este comparabilă cu cea a celulozei. Chitina este un homopolimer în care monomerii (N-acetil-D-glucozamina) sunt uniţi prin intermediul legăturilor -1,4-glico-zidice.

Glicozamino-glicanii sunt polizaharide localizate pe suprafaţa celulelor animale

sau în matricea extracelulară. Majoritatea glicozamino-glicanilor au în componenţa lor dizaharide conţinând un monozaharid care are o grupare aminică (glucozamina sau galactozamina). Alături de aceste grupări pe această unitate structurală de dizaharidă există şi grupări încărcate negativ (carboxilat sau sulfat).

Principalii glucozamino-glicani sunt: sulfatul de condroitină; sulfatul de cheratan; sulfatul de dermatan; heparina; sulfatul de hiparan; hialuronatul.

Heparina este o heteropolizaharidă care previne coagularea sângelui. Se găseşte în special în celulele din pereţii arterelor şi este utilizată intravenos după operaţii sau în tratamentul trombozei. De asemenea, heparina este utilizată pentru introducerea unor materiale în circuitul sangvin. Heparinele cu masă moleculară mică sunt folosite la tratarea bolilor coronariene (angina sau infarctul miocardic acut).

Inulina, este o fructo polizaharidă, formată din legături 2-1 fructozidice (n = 2-60, n-numărul de molecule de fructoză). În plus, la capătul lanțului posedă de obicei o legătură 1-2 glicozidică cu un rest de D-glucoză. Acest polimer este utilizat pe scară largă în industria alimentară pentru a modifica textura, înlocuitor de grăsime sau ca îndulcitor cu puține calorii. În plus, acesta are mai multe aplicații în industria farmaceutică. Cele mai importantă caracteristici ale inulinei sunt utilizarea acestui polimer ca agent de diagnosticare a funcției renale si drept agent de stabilizare a proteinelor.

Derivaţi ai zaharurilor cu potenţială activitate biologică

Streptomicina este un antibiotic produs de actinomicete (microorganisme din sol înrudite cu ciupercile inferioare) utilizat în special contra bacteriilor gram-negative (în particular cele responsabile de apariţia tuberculozei).

Gentamicina este un antibiotic din clasa aminoglico-zidelor care este produs în decursul fermentaţiei microspo-rilor Purpurea. Acest antibiotic a fost primul compus utilizat împotriva Pseudomonei. Acest antibiotic inhibă biosinteza proteinelor prin legarea la ribozomii bacteriei.

Lipidele Lipidele (grec. lipos, grăsime) constituie o altă clasă de molecule prezente în toate celulele. În contrast cu proteinele, polizaharurile sau acizii nucleici (care sunt polimeri) aceste substanţe sunt relativ simple. Una din cele mai importante funcţii ale lipidelor este aceea de a se situa în membrana celulelor (matricea membranară) sub forma unor agregate. Funcţiile biologice ale lipidelor sunt diverse (la fel ca şi structura lor chimică). Grăsimile şi uleiurile constituie rezerva principală de energie din multe organisme. Fosfolipidele şi sterolii sunt elemente structurale majore ale membranelor biologice. Alte lipide, deşi prezente în cantităţi relativ mici, joacă roluri importante de cofactori, purtători de electroni, pigmenţi care absorb lumina, ancora hidrofobă pentru proteine, chaperoni (proteine care ajută la împachetarea altor proteine – sunt implicate în controlul calităţii în reticulul endoplasmatic), agenţi de emulsifiere în tractul digestiv, hormoni şi mesageri intracelulari.

Grăsimile şi uleiurile, sursa de energie universală pentru organismele vii, sunt derivaţi ai acizilor graşi. Oxidarea celulară a acizilor graşi (la CO2 şi H2O) este un proces exoterm. Acizii graşi sunt acizi carboxilici a căror catene variază între 4 şi 36 atomi de carbon. Aceşti acizi pot fi saturaţi (având catena liniară sau ramificată) sau nesaturaţi (având în componenţă una sau mai multe legături duble). Poziţia legăturilor duble este indicată prin litera ∆ având indici care reprezintă poziţia acestei legături (un acid gras nesaturat, de exemplu acidul ecosadienoic, cu două legături duble între atomii de carbon 4 şi 5 respectiv 8 şi 9 va fi reprezentat cu 20:2 ∆4,8). Cei mai des întâlniţi acizi graşi sunt liniari şi au catena cuprinsă între 12 şi 24 atomi de carbon. Dintre aceştia acizii graşi care au în catenă 16 sau 18 atomi de carbon (palmitic şi stearic) sunt întâlniţi în plantele superioare şi animale. Acizii graşi nesaturaţi reprezintă mai mult de jumătate din totalul de lipide al plantelor şi animalelor. În mod normal catena acizilor graşi conţine un număr par de atomi de carbon acesta fiind rezultatul sintezei acestor compuşi. Acizii graşi saturaţi sunt molecule flexibile fapt datorat rotaţiei libere în jurul legăturilor C-C.

Triacilglicerolii sunt esteri ai acizilor graşi cu glicerina. Funcţia triacilglicerolilor este aceea de “rezervor” energetic al animalelor şi din acest motiv sunt lipidele cele mai abundente.

Majoritatea triglicerolilor au în componenţă cel puţin 2 sau 3 tipuri diferite de acizi graşi (saturaţi sau nesaturaţi) şi sunt denumiţi în acord cu poziţia lor pe restul de glicerină. Grasimile şi uleiurile sunt amestecuri complexe de triacilgliceroli a căror compoziţie în acizi graşi diferă de la un organism la altul. Uleiurile din plante sunt mai bogate în acizi graşi nesaturaţi decât cele din animale. Triacilglicerolii sunt mai stabili la oxidare faţă de polizaharuri sau proteine. Mai mult, aceştia sunt compuşi nepolari şi pot fi depozitaţi în formă anhidră, pe când glicogenul leagă de două ori mai multă apă faţă de greutatea sa. În comparaţie cu glicogenul, grăsimile pun la dispoziţie de 6 ori mai multă energie decât glicogenul hidratat.

Palmitoil-linoleil-stearoil-glicerina Adipocitele (celule care intră în componenţa ţesutului adipos) sunt specializate pentru sinteza şi depozitarea triacilglicerolilor. În timp ce alte tipuri de celule au câteva granule de grăsime dispersate în citozol, adipocitele pot fi aproape în totalitate acoperite cu globule de grăsime. Ţesutul adipos este abundent în stratul subcutanar şi în cavitatea abdominală. Conţinutul de grăsime al oamenilor (aproximativ 21% pentru bărbaţi şi 26% pentru femei) permite acestora să supravieţuiască în condiţii de înfometare timp de 2-3 luni. Stratul subcutanar de grăsime asigură protecţia termică, în special în cazul animalelor acvatice (balena, pinguin etc). Glicerofosfolipidele (fosfogliceridele) sunt o componentă a membranelor biologice. Acestea sunt esteri micşti ai glicerinei cu acizii graşi (de obicei poziţia 1 este ocupată de un acid gras saturat, iar poziţia 2 de un acid gras nesaturat) şi un rest al acidului fosforic.

Grupări polare care apar în glicero-fosfo-lipide

În mod curent pe gruparea fosforil este grefată o grupare polară. Din acest motiv glicerofosfolipidele sunt molecule amfifile (cu o “coadă” alifatică şi un “cap” polar). Prin

autoorganizarea acestora se pot forma membrane, entităţi necesare tuturor celulelor pentru o funcţionare adecvată. În organismul uman fosfolipidele joacă rolul de agenţi de emulsifiere (în bilă) sau de agenţi de umezire aflaţi la suprafaţa unor organe (în plămâni, intestine sau rinichi). Fosfolipidele formează ansamble cu lipoproteinele circularorii (LDL sau HDL) permiţând transportul nutrienţilor mai greu solubili în organism.

Fosfatidil-etanolamina este o lipidă zwitterionică care are tendinţa de a nu forma straturi bilipidice şi care este cea mai abundentă fosfolipidă din celulele eucariote. Fosfatidil-etanolamina (cefalina) se găseşte în special în membranele din ţesuturile creierului, unde alcătuiesc circa 50% din totalul conţinutului de fosfolipide. Fosfatidil-colina (lecitina, în greacă ”lekihos” = gălbenuş de ou) este cea mai abundentă fosfolipidă din plante şi animale, atingând în unele situaţii cantităţi mai mari de 50% din totalul lipidelor aflate în straturile bilipidice. În particular, se află într-o proporţie considerabilă în stratul exterior al membranei celulare. De asemenea, este fosfolipidul principal care circulă în plasmă, unde este o componentă principală a lipoproteinelor (HDL). Pe de altă parte este prezentă în cantităţi modeste (mai puţin de 10%) sau chiar absentă în membranele microorganismelor. Prin intermediul grupei sale încărcate pozitiv fosfatidil-colina permite livrarea radicalilor metil spre ficat. Aceste reacţii de metilare sprijină o serie de căi metabolice şi sunt necesare pentru procesul de duplicare a genelor, etapă care precede diviziunea celulară. Comparativ cu alte lipide, fosfatidil-colina joacă un rol important în activarea celulelor, proliferarea, maturarea sau regenerarea acestora. În zile noastre lecitina este frecvent folosită în industria alimentară, drept agent de emulsifiere, drept agent de curgere în industria ciocolatei, stabilizator în panificaţie, potenţiator de aromă sau supliment în alimentaţia animalelor. Dipalmitoil-fosfatidil-colina este o componentă majoră a lipidelor prezente pe suprafaţa celulelor pulmonare. Fosfatidil serina este o fosfolipidă componentă a membranei celulare care este localizată îndeosebi în stratul lipidic interior al acesteia. Fosfatidil serina este importantă pentru funcţiile cognitive ale creierului (memoria, învăţarea sau reînprospătarea informației; starea de spirit). Datorită instabilităţii reduse în apă, suplimentele bogate în fosfatidil serină sunt în formă solidă (pudre, cereale sau batoane). De asemenea, fosfatidil serina poate fi sintetizată în organism.

Glicerofosfolipidele pot fi scindate enzimatic de către fosfolipaze. Acestă clasă de enzime scindează selectiv legăturile esterice ale glicerofosfolipi-delor. Fosfolipaza A2 (izolată din pancreas sau rinichi, veninul de şarpe sau al albinelor) clivează restul acidului gras de la carbonul 2 al glicerinei. Compusul rezultat (lizofosfolipidul) este un detergent puternic sau un marker tumoral (în fluidul ascitic sau plasmă) pentru cancerul ovarian. Lizofosfolipidul asistă la scindarea altor lipide prin ruperea globulelor de grăsime şi desfacerea acestora în micelii de dimensiuni reduse. Lecitina este secretată la nivelul ficatului, secretată în bilă iar mai târziu secretată la nivelul intestinului, unde este scindată de fosfolipaza A2, contribuind la procesul de digestie a grăsimilor.

Plasmogenii sunt glicerofosfolipide care au grefate resturi de acizi nesaturaţi la atomul de carbon din poziţia 1 a glicerolului. Plasmogenii constituie o clasă importantă de lipide localizate în membrana ţesutului nervos. Cei mai cunoscuţi plasmogeni sunt derivaţi ai etanol-aminei, serinei sau colidinei. Datorită restului vinilic aceşti compuşi se pare că joacă un rol în protejarea celulei de radicalii de oxigen liberi. O serie de reacţii metabolice care conduc la plasmogeni se desfăşoară în peroxizomi şi din acest motiv o serie de boli peroxizomale pot fi puse pe seama

împiedicării biosintezei acestor compuşi. Sfingolipidele sunt derivaţi de sfingozină (amino-alcool cu 18 atomi de carbon) şi sunt abundente în ţesutul nervos. În general acest tip de lipide se concentrează în partea exterioară a membranei plasmatice. Derivaţii N-acil-sfingozinici sunt cunoscuţi sub numele de ceramide. În urma ataşării restului acil la gruparea amino a sfingozinei se formează o legătură amidică care este rezistentă la hidroliză în soluţie alcalină, iar pe baza acestei proprietăţi pot fi diferenţiaţi de acil-gliceroli care au legături esterice.

a unei

Există 3 tipuri de ceramide: a) Sfingomielinele sunt ceramide care au

o grupare fosfocolinică (sau fosfo-etanol-aminică). Acestea constituie 10-20% din totalul lipidelor membra-nanei celulare. Sfingomielinele sunt componente ale membranei mielinice (care înconjoară axonii celulelor nervoase). Boala Niemann-Pick (NPD) este o tulburare de stocare a lipidelor ca urmare a deficienței unei enzime lizozomale numită sfingomielinază acidă. NPD de tip A, care este o tulburare fatală ce apare în copilărie și este caracterizată de hepatosplenomegalie și probleme neurodegenerative, progresive, cauze care conduc la deces la varste fragede (de 2-3 ani).

b) Cerebrozidele sunt glicofosfolipide (ceramide) ce conţin o monohexoză (glucoză sau galactoză) legată prin intermediul unei legături 1-O--glicozidice de o grupare alcoolică primară a N-acil-sfingozinei (N-sfingoid). În plante monozaharida este de regulă glucoza, iar în animale acest zahar este galactoza, deşi acest rest poate varia în funcţie de ţesut, glucoza fiind prezentă în cerebrozidele din sânge. În plante sfingoidul este de obicei fitosfingozina, în animale sfingozina sau dihidrosfingozina (sfinganina). Cerebrozidele conţin frecvent cantităţi însemnate de acizi graşi cu catenă lungă (acidul behenic-22:0, lignoceric-24:0, nervonic-24:1 sau 2-hidroxi-acizi graşi cum ar fi acizii 2-hidroxi-nervonic şi -hidroxi cerebronic 24:0). Sinteza cerebrozidelor presupune acilarea psihozinei sau transferul glucozei sau galactozei la o molecula de ceramidă.

Structura de bază a sfingolipidelor

În boala Gaucher, cantități anormale de cerebrozide se acumulează în ganglionii limfatici ficat, splină și măduvă osoasă. Enzima defectă este glucocerebrozidaza. Excesul de lipide, stocate în celule Gaucher dilatate este tipic bolii, interferă cu funcția acestor celule și se manifestă sub forma a două sindroame distincte: (a) o formă

cerebrală acută afectează în principal copiii, care aparent sunt normali la naștere, dar în curând devin apatici și retardați; extinderea abdomenului lor este urmată de simptome severe ale sistemului nervos, iar decesul survine în primului an de viață. (b) O formă mai cronică, care poate deveni evidentă la orice vârstă, se caracterizează printr-o extindere a splinei, prin anemie, și printr-o pigmentare maro inconsistentă a pielii; forma oaselor prezintă modificări caracteristice, și interferențele cu procesul de calcifiere poate conduce la fracturi și deformări osoase.

c) Gangliozidele sunt ceramide care au ataşate oligozaharide (ce conţin şi resturi de acid sialic, asemeni glicoproteinelor). Glicolipidele cu o moleculă de acid sialic sunt numite monosialogangliozide (indice M), iar cele cu două molecule de acid sialic sunt numite disialogangliozide (D). Gangliozidele (cunoscute - aproximativ 60) sunt în principal componenţi ai membranei celulare şi constituie 6% din lipidele creierului. GM1, GD1a şi GD2a sunt principalele gangliozide din creier. Gangliozidele sunt receptori pentru proteine toxice (toxinele holerică, tetanusului sau botulinică).

Rest de carbohidrat din galactozida GM2 (Glc = glucoza, Gal = galactoza, GalNAc =

(N-acetil-galactozamida, Neu5Ac = N-acetil-neuraminidat sau acidul sialic)

Sterolii au roluri fiziologice importante Sterolii sunt substanţe comune localizate în membrana organismelor eucariote, unde aceştia joacă un rol important în asigurarea stabilităţii, dar mai puţin întâlnite la procariote. Colesterolul este cel mai cunoscut sterol deoarece acest compus poate fi asociat cu ateroscleroza. În plante şi alge se află în cantitate apreciabilă sitosterolul (70%) şi stigma-sterolul (20%). Drojdiile acumulează o cantitate mare de steroli (peste 10% din masa uscată), în timp ce ficomicetele (ciupercile parazite inferioare) conţin exclusiv ergosterol. Acest sterol este majoritar şi în alte drojdii sau ciuperci.

Moleculele acestor steroli posedă un element structural comun – trei nuclee de șase atomi de carbon condensate (ciclurile A, B şi C) la este ataşat un nucleu de ciclopentan (ciclul D).

Colestrolul liber constituie o componentă majoră a membranarelor celulelor animale (reprezintă un procent de 30-40% din totalul lipidelor) şi a lipoproteinelor din plasma sangvină. Datorită grupării –OH colesterolul are un caracter amfifilic moderat. Prezenţa celor patru nuclee conferă colesterolului o rigiditate crescută comparativ cu celelalte lipide. În glandele cortico-suprarenale colesterolul participă la sinteza hormonilor steroidici (glucocorticoide, aldosterone şi androgeni sau estrogeni). Colesterolul poate fi de asemenea esterificat cu acizii graşi. În forma esterificată este depozitat în citoplasma celulelor sau poate circula în sânge (în componenţa lipoproteine-lor). În contrast, în creier şi alte ţesuturi nervoase, unde colesterolul este o componentă a membranei mielinice, cantitatea de colesterol esterificat este foarte mică.

Glicozida a ergosterolului

Gruparea –OH din poziţia 3 a sterolului poate forma o legătură O-glicozidică la gruparea -OH din poziţia 1 a unei hexoze (de obicei glucoză). Glicozidele steolilor sunt răspândite în plante sau alge. Mai mult, hidroxilul din poziţia 6 a hexozei respective poate fi esterificat cu acizi graşi în scopul producerii sterol glicozidelor acilate. Colesterolul poate fi transformat în acizi biliari (primari sau conjugaţi), acizi care sunt secretaţi în căile biliare, unde intră în componenţa bilei (sub forma de săruri). De exemplu, acidul taurocolic permite absorbţia mai eficientă a colesterolului. acidul taurocolic

Ergosterolul este un precursor al vitaminei D3. Această moleculă este întâlnită în plante şi drojdii. În cazul în care ergosterolul este iradiat cu lumină ultraviolet (UV) rezultă vitamina D3 prin deschiderea ciclului B, compus cu proprietăţi antirahitice.

Plantele, drojdiile şi ciupercile conţin şi alţi steroli. Glucocorticoizii naturali sau sintetici (cortizolul, cortico-sterona, dexametazona, betametazona etc) influenţează metabolismul carbohidraţilor, proteinelor şi lipidelor și implicit o varietate largă de funcţii vitale, incluzând reacţiile inflamatorii şi capacitatea de a face faţă stresului. Glucocorticoizii sunt sintetizaţi în zona fasciculară a cortexului suprarenal. Aldosterona controlează excreţia de săruri şi apă din rinichi. Androgenii (hormonii sexuali masculini) şi estrogenii (hormonii sexuali femini) afectează dezvoltarea şi funcţiile sexuale. Testosteronul se formează din androstendionă, sub acţiunea unei enzime, în celulele Leydig, din testicule. Este responsabil de virilizare în timpul vieţii embrionare şi iniţiază şi menţine caracterele secundare masculine în decursul vieţii. Este sintetizat şi de ovare, majoritatea fiind convertit la estradiol, iar restul este secretat în sânge. În celulele ţintă este transformat în dihidrotestosteronă (androgen).

Ecosanoidele sunt derivaţi ai acidului arahidonic. Prostaglandinele (ecosanoidele) sunt compuşi cu 20 atomi de carbon (Grec. eikosi = douăzeci). Substanţele din această clasă

Cortizolul

Lipida amfifila

Grupe nepolare(hidrofobe)

Grupe polare(hidrofile)

Faza polara

(apoasa)

Faza nepolara

Lipozomunilamelar

acţionează la concentraţii foarte mici şi sunt implicate în producerea durerii şi a febrei, controlul presiunii arteriale şi reproducere. Acești compuși acţionează îndeosebi la nivel local, în apropierea celulelor care-i produc. Aspirina inhibă situsul activ al ciclooxigenazei (prin acetilarea serinei din poziţia 530). Produşii metabolismului arachidonatului variază în funcţie de natura ţesutului.

Lipide bistratificate În organismele vii lipidele sunt adesea în stare liberă, dar în majoritatea cazurilor

acestea sunt asociate cu alte molecule (de regulă cu alte lipide). Proprietăţile lipidelor bistratificate sunt importante deoarece acestea formează baza structurală a membranelor biologice. Aceste membrane constituie bariere care delimitează interiorul celulei de exteriorul acesteia. Membranele au structuri dinamice în care proteinele “plutesc” într-o mare de lipide. Componentele lipidice ale membranei formează o barieră permeabilă, în care componentele proteice alcătuiesc un sistem de transport. Alături de membrana externă celulele eucariotelor conţin de asemenea membrane interne care delimitează organitele celulare (mitocondria, cloroplastele, peroxizomii şi lizozomii). Membranele externe şi interne au trăsăturile esenţiale comune.

Formarea bistraturilor În soluţii apoase, moleculele amfifile (ex. detergenţii şi săpunurile) formează

micelii (agregate globulare care au resturile hidrofobe – lanţurile hidrocarbonate – în afara contactului cu apa). Acest aranjament molecular elimină contactele nefavorabile dintre apă şi părţile hidrofobe a moleculelor amfifile şi permite hidratarea părţilor polare (“capului” lipidei). Formarea straturilor bilipidice este un proces de auto-amsamblare. Creşterea straturilor bilipidice (ale fosfolipidelor) este un proces rapid în prezenţa mediilor apoase. Interacţiile hidrofobe constituie forţa majoră de formare a straturilor bilipidice. Aceste forţe hidrofobe nu intervin numai în cazul lipidelor ci şi în cazul proteinelor (procesul de împachetare) sau în cazul acizilor nucleici. Odată cu formarea stratului bilipidic moleculele de apă sunt expulzate către exterior, în timp ce lanţurile hidrofobe devin sechestrate în interiorul acestuia. Mai mult, forţele de atracţie de tip van der Waals dintre lanţurile hidrocarbonate favorizează împachetarea acestora. De asemenea, trebuie menţionate legăturile de hidrogen (de atracţie) dintre partea polară a lipidei şi moleculele de apă. Aşadar, straturile bilipidice sunt stabilizate de un spectru variat de interacţiuni, forţe care mediază interacţiile moleculare din sistemele biologice.

Strat bilipidic

Faza nepolara (resturi de acizi grasi, colesterol )

Faza polara(apoasa)

Amfifilii care sunt monostratificaţi (forma anionică a detergenţilor) formează micele sferice sau elipsoidale (partea hidrofilă fiind mai mare decât “coada” hidrofobă). Numărul de molecule care intră în componenţa unei micele este de ordinul sutelor.

Cele două lanţuri hidrocarbonate ale glicero-fosfolipidelor şi sfingolipidelor imprimă amfifililor o structură sub forma unui disc, care are în componenţă straturi bimoleculare. Motivul este acela că resturile de acizi graşi din interiorul unei fosfolipide sunt prea voluminoase pentru a permite organizarea acestora în interiorul unei micele. În contrast, sărurile acizilor graşi (palmitatul de sodiu, constituent al săpunurilor), care conţin numai un singur lanţ, sunt capabile să formeze micele. O importanţă biologică deosebită o reprezintă formarea straturilor bilipidice în favoarea micelelor. Aceste straturi bilipidice constituie bariere pentru moleculele polare şi au aproximativ 60-100 Å grosime şi se pot desfăşura pe distanţe de pâna la 1mm (în schimb micelele au o structură limitată, sferică, de obicei cu diametrul de circa 200 Å). Structura lor pot fi determinată prin microscopie electronică sau difracţia razelor X. O suspensie de fosfolipide (glicerofosfolipidele şi sfingomieline) poate forma lipozomi, vezicule inchise (umplute cu apă) care sunt constituite dintr-un singur bistrat. De regulă acestea au diametru de câteva sute de Å. Odată formaţi lipozomii sunt destul de stabili şi pot fi purificaţi prin centrifugare, dializă sau cromatografie (gel filtrare). Lipozomii servesc drept model pentru membranele biologice şi de asemenea pot fi folosiţi şi drept vezicule purtătoare de medicamente dat fiind faptul că aceştia se pot fixa pe diferite celule (prin fuziune cu membrana acestora).

Mobilitatea lipidelor Transferul unei molecule de lipidă dintr-un monostrat în celălalt (în cazul unui

bistrat) este cunoscut sub denumirea de difuzie transversală sau “flip-flop”. Acest eveniment este destul de rar întâlnit dat fiind faptul că o asemenea mişcare presupune că partea hidrofilă a acestei lipide să străbată bariera hidrofobă a bistratului. Pentru fosfolipide rata de difuzie transversală are timpul de înjumătăţire de câteva zile (sau mai mult). În mod contrar, lipidele difuzează foarte uşor în planul unui monostrat din componenţa bistratului. Acest fenomen poartă numele de difuzie laterală. S-a estimat faptul că timpul difuziei laterale al unei lipide (din cadrul membranei celulei bacteriene) pe distanţa de 1µm este în jur de 1s. Datorită mobilităţii ridicate a lipidelor se poate considera faptul că bistratul lipidic este un fluid bidimensional.

Modalități de difuzie a lipidelor într-un bistrat Interiorul unui bistrat este în continuă mişcare datorită libertăţii de mişcare în jurul legăturilor C-C ale restului hidrocarbonat. Vâscozitatea bistratului creşte dramatic odată cu apropierea de capătul hidrofil (de la “capul” lipidei până la gruparea carbonil a legăturilor amidice sau esterice), a cărei mobilitate este contrânsă de interacţiile cu alte grupe polare sau încărcate.

(a) Difuzia transversală

zile

sec

(b) Difuzie laterală

Tranzitia intr-un strat bilipidic: in stanga lantul nepolar al lipidelor este mobil in planul bilipidei la T Tm; in dreapta lantul lipidic este mult mai ordonat la TTm

O membrană biologică are în compoziţie o diversitate de lipide (cu diferite lungimi sau grade de nesaturare). În condiţii fiziologice lanţurile cu mobilitate mai mare vor umple “golurile” din bistrat.

Bacteriile (E. coli) au în componenţă 2 membrane (interioară – bariera de permeabilitate şi exterioară – protecţie suplimentară). Acelaşi număr de membrane este întâlnit şi în cazul mitocondriilor sau porilor nucleari. Mai mult archea şi peroxizomii au în componenţă numai o singură membrană.

Fluiditatea bistraturilor este dependentă de temperatură Dacă un bistrat este răcit la o tempe-ratura mai mică de aşa-numită tempe-ratură de tranziţie acesta suferă modifi-cări devenind asemeni unui gel. Peste această temperatură de tranziţie lipidele “mobile” sunt în stadiul de “cristal

lichid”, stadiu în care lipidele sunt ordonate într-o anumită direcţie. Temperatura de tranziţie (Tm) a unui bistrat creşte odată cu lungimea lanţului şi

cu gradul de saturare al acizilor graşi din componenţa lipidelor. Temperaturile de tranziţie ale membranelor biologice variază între 10 şi 40 ºC. Bacteriile reglează fluiditatea membranei lor variind numărul de legături duble şi lungimea lanţurilor acizilor graşi. Pe baza proprietăţii de mai sus (temperatura de tranziţie) se pot insera fragmente de ADN circular (plasmide) în diverse microorganisme (E coli, drojdie) variind brusc temperatura. Astfel plasmidele pot fi introduse în E coli prin incubarea acestora cu bacteriile la 42 ºC, timp de 45-90 secunde. După răcire pe gheață, acestea sunt “captate” în interiorul bacteriilor. Aceste plasmide au și o portiune de genă care permite sinteza unei enzime care conferă rezistență la un antibiotic (ampicilină, cloramfenicol sau kanamicină). Acest lucru permite amplificarea (multiplicarea) ADN-ului sau producerea proteinelor de interes în microorganisme în medii de cultură selective (cu antibiotice).

Colesterolul formează complecşi specifici cu câteva fosfolipide. Acest sterol nu formează un bistrat şi ca atare reduce interacţiunile care au loc în mod normal între două resturi de acizi graşi (din acilgliceroli) micşorând fluiditatea membranei (plasticizează membrana).

Tabel 1. Distribuţia tipurilor de lipide în diverse membrane (raportat la totalul de conținut în lipide) Membrana

plasmatică (ficat)

Membrana plasmatică

(celule roșii)

Membrana mielinică

Membrane mitocondriale

Membranele reticulului

endoplasmatic

Membrane E. Coli

Colesterol 17 23 22 3 6 0 Fosfatidiletanolamina 7 18 15 25 17 70 Fosfatidilseina 4 7 9 2 5 urme Fosfatidilcolina 24 17 10 39 40 0 Sfingomielină 19 18 8 0 5 0 Glicolipide 7 3 28 urme urme 0 Alte lipide 22 13 8 21 27 30