lipidios

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Lipídeos e Membranas

Capítulo 9

9 Lipídeos e Membranas

Os lipídeos são biomoléculas que exibem uma grande variedade estrutural. Moléculas como as gorduras e óleos, fosfolipídeos, esteróides e carotenóides, que diferem grandemente tanto em suas estruturas como em suas funções são considerados lipídeos. São compostos orgânicos heterogêneos pouco solúveis em água, mas solúveis em solventes não-polares. Alguns lipídeos estão combinados com outras classes de compostos, tais como proteínas (lipoproteínas) e carboidratos (glicolipídeos).

Os lipídeos participam como componentes não-protéicos das membranas biológicas, precursores de compostos essenciais, agentes emulsificantes, isolantes, vitaminas (A, D, E, K), fonte e transporte de combustível metabólico, além de componentes de biossinalização intra e intercelulares.

9.1 Classificação dos lipídeos

Os lipídeos são freqüentemente classificados nos seguintes grupos:

• Ácidos graxos e seus derivados

• Triacilgliceróis.

• Fosfolipídeos (glicerofosfolipídeos e esfingosinas)

• Esfingolipídeos (contêm moléculas do aminoálcool esfingosina)

• Isoprenóides (moléculas formadas por unidades repetidas de isopreno, um hidrocarboneto ramificado de cinco carbonos) constituem os esteróides, vitaminas lipídicas e terpenos.

A. Ácidos graxos e seus derivados

Os ácidos graxos são ácidos monocarboxílicos de longas cadeias de hidrocarbonetos acíclicas, não-polares, sem ramificações e, em geral, número par de átomos de carbono. Podem ser saturados, monoinsaturados (contém uma ligação dupla) ou poliinsaturados (contêm duas ou mais ligações duplas). Os mais abundantes contêm

C16 e C18 átomos. Em geral, as duplas ligações nos ácidos graxos

214 • Motta • Bioquímica poliinsaturados estão separadas por um grupo metileno,

−CH=CH−CH2−CH=CH−, para evitar a oxidação quando expostos em meio contendo oxigênio. Como as ligações duplas são estruturas rígidas, as moléculas que as contêm podem ocorrer sob duas formas isoméricas: cis e trans. Os isômeros cis ocorrem na maioria dos ácidos graxos naturais. Os ácidos graxos são componentes importantes de vários tipos de moléculas lipídicas. As estruturas e nomes de alguns ácidos graxos estão ilustrados na Tabela 9.1. Em geral, são representados por um símbolo numérico que designa o comprimento da cadeia. Os átomos são numerados a partir do carbono da carboxila. A numeração 16:0 designa um ácido graxo com C16 sem ligações duplas, enquanto 16:1representa um ácido graxo com C16 e ligação dupla em C9. Os átomos C2 e C3 dos ácidos graxos são designados α e β, respectivamente.

Figura 9.1 Estrutura e nomenclatura dos ácidos graxos. Os ácidos graxos consistem de uma longa cauda hidrocarbonada e um terminal com um grupo carboxílico. Na nomenclatura IUPAC, os carbonos são numerados a partir do carbono carboxílico. Na nomenclatura comum, o átomo de carbono adjacente ao carbono carboxílico é designado α, e os carbonos seguintes são nomeados β, γ, δ, etc. O átomo de carbono mais distante do carbono carboxílico é chamado carbono ω, independente do tamanho da cadeia. O ácido graxo mostrado, laureato (ou dodecanoato), tem 12 carbonos e não contêm duplas ligações.

Outro sistema de numeração também é utilizado na nomenclatura dos ácidos graxos onde o C1 é o mais distante do grupo carboxila

(sistema de numeração ω ômega):

O C CH2

CH2 CH2

CH2 CH2

CH2 CH2

CH2 CH2

CH2 CH3

Ácido graxo

Grupo acil graxo

Cadeia hidrocarbonada

9 Lipídeos e membranas • 215

Tabela 9.1 – Alguns ácidos graxos de ocorrência natural

Símbolo numérico Estrutura Nome comum

Ácidos graxos saturados

24:0 CH3(CH2)22COOH Ácido lignocérico Ácidos graxos insaturados

Além das gorduras provenientes da dieta, o homem pode sintetizar a maioria dos ácidos graxos, mas é incapaz de produzir o ácido linoléico e o ácido linolênico. Esses dois últimos são denominados ácidos graxos essenciais e são obtidos da dieta. Os ácidos graxos essenciais são precursores para a biossíntese de vários metabólitos importantes. A dermatite é um sintoma precoce em indivíduos com dietas pobres em ácidos graxos essenciais. Outros sinais da deficiência incluem demora na cura de ferimentos, reduzida resistência a infecções, alopecia (perda de cabelo) e trombocitopenia (redução do número de plaquetas, um componente essencial nos processos de coagulação sangüínea).

Os pontos de fusão dos ácidos graxos elevam com o aumento do comprimento da cadeia hidrocarbonada. Os ácidos graxos saturados com dez ou mais átomos de carbono são sólidos em temperatura ambiente. Todos os insaturados são líquidos nesta temperatura.

Uma das mais importantes reações dos ácidos graxos é a formação de ésteres:

R−COOH + R’−OH ' R−COO−R’ + H2O

Essa reação é reversível; ou seja, sob condições favoráveis um éster de ácido graxo pode reagir com a água para formar um ácido graxo e um álcool.

B. Triacilgliceróis

Os triacilgliceróis (triglicerídeos) são ésteres de ácidos graxos com o glicerol. A porção ácido graxo presente nos ésteres lipídicos é designada grupo acila. Dependendo do número de grupos hidroxila do glicerol esterificados com ácidos graxos, os acilgliceróis são denominados monoacilgliceróis, diacilgliceróis e triacilgliceróis.

Estes compostos são também conhecidos como mono−, di− e

216 • Motta • Bioquímica triglicerídeos. São os lipídeos mais abundantes no transporte e armazenamento de ácidos graxos. Os ácidos graxos presentes nos triacilgliceróis naturais podem ser iguais (triacilgliceróis simples) ou diferentes (triacilgliceróis mistos).

Triacilglicerol

A maioria dos ácidos graxos presentes nos triacilgliceróis são mono ou poliinsaturados em configuração cis. O ponto de fusão desses compostos são determinados, fundamentalmente, pela natureza dos ácidos graxos presentes na molécula.

Em animais, os triacilgliceróis (geralmente chamados de gorduras) têm vários papéis. Primeiro, são as principais formas de armazenamento e transporte de ácidos graxos. As moléculas de triacilgliceróis armazenam energia mais eficientemente que o glicogênio por várias razões:

• Os triacilgliceróis hidrofóbicos são armazenados na forma de gotículas de gordura não hidratadas em células do tecido adiposo. O glicogênio (outra molécula de armazenamento de energia) ligase com substancial quantidade de água de hidratação (2 gramas de água por grama de glicogênio). Assim, os triacilgliceróis armazenam uma quantidade muito maior de energia que o glicogênio hidratado.

• As moléculas de triacilgliceróis são mais reduzidas que as dos carboidratos e, desse modo, sua oxidação libera o dobro em energia que a oxidação dos açúcares, ou seja, 38,9 kJ·g−1 (gordura) e 17,2 kJ·g−1 (açúcares).

Segunda importante função da gordura é o isolamento térmico contra baixas temperaturas, pois é uma pobre condutora de calor. Como o tecido adiposo, com seu elevado conteúdo de triacilgliceróis, é encontrado na camada subcutânea previne a perda de calor.

Nas plantas, os triacilgliceróis constituem uma importante reserva de energia em frutas e sementes. Como essas moléculas contêm consideráveis quantidades de ácidos graxos insaturados (exemplos, oléico e linoléico) são chamados óleos vegetais. Sementes ricas em óleos incluem amendoim, milho, açafrão e feijão de soja. Abacate e azeitonas são frutas com alto conteúdo em gorduras.

C. Ceras

As ceras são misturas complexas de lipídeos não-polares.

Funcionam como um revestimento de proteção em folhas, caules, frutos e na pele de animais. Os ésteres são compostos de ácidos graxos de cadeia longa e álcoois de cadeia longa como constituintes proeminentes da maioria das ceras. Exemplos bem conhecidos de ceras incluem a cera de carnaúba e a cera de abelha. O constituinte

2CHCH CHO2
OO
CO C O C O
2CHCH CH22
3CHCH CH33

Glicerol 3 Ácidos graxos

9 Lipídeos e membranas • 217 principal da cera de carnaúba é o éster de melissil ceronato. O triacontanoil palmitato é o principal componente da cera de abelha. As ceras também contêm hidrocarbonetos, álcoois, ácidos graxos, aldeídos e esteróis (álcoois esteróides).

D. Fosfolipídeos

Os fosfolipídeos são os principais componentes lipídicos estruturais das membranas. Além disso, vários fosfolipídeos são agentes emulsificantes (composto que promove a dispersão coloidal de um líquido em outro) e agentes surfactantes (composto que reduz a tensão superficial de uma solução, como detergentes). Os fosfolipídeos exercem essas funções pois são moléculas anfifílicas. Apesar das diferenças estruturais, todos os fosfolipídeos são constituídos de “caudas” apolares alifáticas de ácidos graxos e “cabeças” polares que contêm fosfato e outros grupos carregados ou polares.

Figura 9.2 (a) Glicerol−3−fosfato e (b) fosfatidato. O fosfatidato consiste de glicerol−3−fosfato com dois grupos acil graxo (R e R) esterificado nos grupos hidroxila em C1 e C2.

Quando os fosfolipídeos são suspensos em água, eles espontaneamente rearranjam em estruturas ordenadas. Os grupos hidrofóbicos são orientados no interior para excluir a água. Simultaneamente, os grupos das cabeças polares são orientados para a água. Quando as moléculas de fosfolipídeos estão presentes em concentrações suficientes, elas formam bicamadas lipídicas. Essa propriedade dos fosfolipídeos e de outras moléculas lipídicas anfifílicas, é a base da estrutura das membranas biológicas.

OC O
H CCH CH 2
OP O

(R )1(R )2 Fosfatidato

H CCH CH 2
OP O

Cabeça polar

(hidrófila)

Caudas apolares (hidrofóbicas)

Glicerol-3-fosfato (a) (b)

218 • Motta • Bioquímica

Existem dois tipos de fosfolipídeos: os glicerofosfolipídeos e as esfingomielinas.

1. Glicerofosfolipídeos ou fosfoglicerídeos. São moléculas que contêm glicerol, ácidos graxos, fosfato e um álcool (exemplo, colina). São os principais componentes lipídicos das membranas celulares. O glicerofosfolipídeo mais simples, o ácido fosfatídico, o precursor de todas as outras moléculas de glicerofosfolipídeos, consiste de glicerol−3−fosfato, cujas posições C1 e C2 são esterificadas com dois ácidos graxos. Os glicerofosfolipídeos são classificados de acordo com o álcool esterificado ao grupo fosfato. Alguns dos mais importantes são: fosfatidilcolina (lecitina), fosfatidiletanolamina (cefalina), fosfatidilinositol, fosfatidilglicerol e fosfatidilserina. Os ácidos graxos frequentemente encontrados nos glicerofosfolipídeos tem entre 16 e 20 átomos de carbono. Os ácidos graxos saturados ocorrem geralmente no C1 do glicerol. A posição C2 do glicerol é freqüentemente ocupada por ácidos graxos insaturados.

Um derivado do fosfoinositol denominado fosfatidil−4,5−bifosfato

(PIP2), é encontrado em pequenas quantidades nas membranas e é um importante componente na transdução de sinal. O sistema do fosfoinositídeo iniciado quando certos hormônios ligam-se às membranas dos receptores específicos na superfície externa da membrana plasmática, é descrito no Capítulo 4: Introdução ao metabolismo.

2. Esfingomielinas. As esfingomielinas diferem dos fosfoglicerídeos por conterem esfingosina em lugar de glicerol. Como

COC O
CHCH CH 2
OP O CH CH N CH

R Fosfatidilcolina

CH3

COC O
CHCH CH 2
OP O CH CH NH

R Fosfatidiletanolamina

COC O
CHCH CH 2
OP O CH CH CH OH

R Fosfatidilglicerol

2 OH

COC O
CHCH CH 2
OP O CH CH COO

R Fosfatidilserina

9 Lipídeos e membranas • 219 as esfingomielinas também são classifcadas como esfingolipídeos, suas estruturas e propriedades são descritas mais adiante.

Figura 9. Estrutura da esfigomielina. (a) A estrutura da esfingosina é derivada da serina e palmitato. (b) A ligação de um segundo grupo acila e uma fosfatidilcolina (ou fosfoetanolamina) produz uma esfingomielina.

E. Esfingolipídeos

Os esfingolipídeos são a segunda maior classe de lipídeos de membranas em animais e vegetais. As moléculas de esfingolipídeos contêm um aminoálcool de cadeia longa. Em animais, o aminoálcool é a esfingosina. A fitoesfingosina é encontrada nos esfingolipideos das plantas. As moléculas mais simples desse grupo são as ceramidas, resultantes de ácidos graxos ligados ao grupo amino

(−NH2) no C2 da esfingosina. As ceramidas são precursoras das esfingomielinas e glicoesfingolipídeos.

1. Esfingomielina. O grupo álcool primário da ceramida é esterificado ao grupo fosfórico da fosfocolina ou fosfoetanolamina. A esfingomielina é encontrada na maioria das membranas plasmáticas das células animais. Como o nome sugere, a esfingomielina é encontrada em grande quantidade na bainha de mielina que reveste e isola os axônios em alguns neurônios. As suas propriedades isolantes facilitam a rápida transmissão dos impulsos nervosos.

2. Glicoesfingolipídeos. As ceramidas são também precursoras dos glicoesfingolipídeos (ou glicolipídeos). Nesses compostos, os monossacarídeos, dissacarídeos ou oligossacarídeos estão ligados por ligação O−glicosídica. Os glicoesfingolipídeos não possuem grupos fosfato e são não-iônicos. As classes mais importantes dos gliceroesfingolipídeos são os cerebrosídeos, os sulfatídeos e os gangliosídeos.

• Os cerebrosídeos são esfingolipídeos cujas cabeças polares consistem de monossacarídeo. Os galactocerebrosídeos, o exemplo mais comum dessa classe, são quase totalmente encontrados nas células das membranas do cérebro.

HOCH CH CH

Esfingosina

2 OH

Da serina Do palmitato

Fosfocolina

OP O CH CH N CHO2

CH3

HOCH CH CH2
CO

R Grupo acila

Esfingomielina

220 • Motta • Bioquímica

• Denomina-se sulfatídeo o cerebrosídeo sulfatado. Os sulfatídeos estão negativamente carregados em pH fisiológico.

• Os esfingolipídeos que possuem oligossacarídeos com um ou mais resíduos de ácido siálico (ácido N−acetilneuramínico) são chamados gangliosídeos. Os nomes dos gangliosídeos incluem letras e números subscritos. As letras M, D e T indicam que a molécula contém um, dois ou três resíduos de ácido siálico, respectivamente. Os números designam a seqüência de açúcares ligados a ceramida. Os gangliosídeos GM1, GM2 e GM3 são os mais conhecidos. Os gangliosídeos são componentes das membranas da superfície celular.

Os glicoesfingolipídeos podem atuar como receptores de certas toxinas protéicas bacterianas, como as que causam cólera, tétano e botulismo. Algumas bactérias também ligam-se aos receptores

OCH
OHCH CH
CO

Um cerebrosídeo

H CC NH

2CH OH

2HOCH

OCH
OHCH CH
CO

Um gangliosídeo

9 Lipídeos e membranas • 221 glicolipídicos, exemplo E. coli, Streptococcus pneumoniae e Neisseria gonorrhoeae, agentes causadores de infecções urinárias, pneumonia e gonorréia, respectivamente.

Figura 9.3 Representação das principais classes de lipídeos. Açúcar = mono ou oligossacarídeo, P = grupo fosfato.

F. Doenças do armazenamento de esfingolipídeos (esfingolipidoses)

São causadas por defeitos hereditários de enzimas necessárias para a degradação dos esfingolipídeos nos lisossomas e provocam o acúmulo desses compostos nas células. A mais comum é a doença de

Tay−Sachs, causada pela deficiência da β−hexoaminidase A, a enzima que degrada o gangliosídeo GM2. Como a célula acumula essa molécula, ocorre uma deterioração neurológica. Os sintomas da doença (cegueira, fraqueza muscular e retardo mental) geralmente aparecem alguns meses após o nascimento. Não existe terapia para as doenças de armazenamento dos esfingolipídeos e, portanto, são fatais.

Quadro 9.1. Doenças do armazenamento de esfingolipídeos

Doença Sintoma Esfingolipídeo acumulado Enzima deficiente

Doença de Tay−Sachs Cegueira, fraqueza muscular, retardo mental Gangliosídeo G β−Hexoaminidase A

Doença de Gaucher Retardo mental, esplenomegalia, hepatomegalia, erosão de ossos longos

Glicocerebrosídeo β−Glicosídeo

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