7.3: Lipídios

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Objetivos de

Descreva a composição química dos lipídios
Descreva as características únicas e as diversas estruturas dos lipídios
Compare e contraste triacilglicérides (triglicérides) e fosfolipídios
Descreva como os fosfolipídios são usados para construir membranas biológicas

Embora sejam compostas principalmente de carbono e hidrogênio, as moléculas lipídicas também podem conter oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo. Os lipídios têm propósitos numerosos e diversos na estrutura e funções dos organismos. Eles podem ser uma fonte de nutrientes, uma forma de armazenamento de carbono, moléculas de armazenamento de energia ou componentes estruturais de membranas e hormônios. Os lipídios compreendem uma ampla classe de muitos compostos quimicamente distintos, os mais comuns dos quais são discutidos nesta seção.

Ácidos graxos e triacilglicérides

Os ácidos graxos são lipídios que contêm hidrocarbonetos de cadeia longa terminados com um grupo funcional de ácido carboxílico. Por causa da longa cadeia de hidrocarbonetos, os ácidos graxos são hidrofóbicos (“temem a água”) ou não polares. Os ácidos graxos com cadeias de hidrocarbonetos que contêm apenas ligações simples são chamados de ácidos graxos saturados porque têm o maior número possível de átomos de hidrogênio e, portanto, são “saturados” com hidrogênio. Os ácidos graxos com cadeias de hidrocarbonetos contendo pelo menos uma ligação dupla são chamados de ácidos graxos insaturados porque têm menos átomos de hidrogênio. Os ácidos graxos saturados têm uma espinha dorsal de carbono reta e flexível, enquanto os ácidos graxos insaturados têm “dobras” em seu esqueleto de carbono porque cada ligação dupla causa uma curva rígida do esqueleto de carbono. Essas diferenças na estrutura dos ácidos graxos saturados versus insaturados resultam em propriedades diferentes para os lipídios correspondentes nos quais os ácidos graxos são incorporados. Por exemplo, os lipídios que contêm ácidos graxos saturados são sólidos à temperatura ambiente, enquanto os lipídios que contêm ácidos graxos insaturados são líquidos.

Um triacilglicerol, ou triglicerídeo, é formado quando três ácidos graxos estão quimicamente ligados a uma molécula de glicerol (Figura\(\PageIndex{1}\)). Os triglicérides são os principais componentes do tecido adiposo (gordura corporal) e são os principais constituintes do sebo (óleos para a pele). Eles desempenham um importante papel metabólico, servindo como moléculas eficientes de armazenamento de energia que podem fornecer mais do que o dobro do conteúdo calórico de carboidratos e proteínas.

Um diagrama que mostra um triglicérido é feito de um glicerol e três ácidos graxos. O glicerol é uma cadeia de 3 carbonos com um OH em cada carbono. O H em cada OH é destacado. Os ácidos graxos são longas cadeias de carbono com um C que tem um OH e um O de ligação dupla na extremidade. O OH desse C está destacado. Três ácidos graxos são mostrados. Cada ácido graxo se liga a um dos O's dos grupos OH em cada carbono no glicerol. O resultado é um triglicérido (ou gordura neutra) e 3 moléculas de água. — Figura\(\PageIndex{1}\): Os triglicerídeos são compostos por uma molécula de glicerol ligada a três ácidos graxos por uma reação de síntese de desidratação.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Explique por que os ácidos graxos com cadeias de hidrocarbonetos que contêm apenas ligações simples são chamados de ácidos graxos saturados.

Fosfolípidos e membranas biológicas

Os triglicerídeos são classificados como lipídios simples porque são formados a partir de apenas dois tipos de compostos: glicerol e ácidos graxos. Em contraste, os lipídios complexos contêm pelo menos um componente adicional, por exemplo, um grupo fosfato (fosfolipídios) ou uma fração de carboidratos (glicolipídios). A figura\(\PageIndex{2}\) mostra um fosfolipídio típico composto por dois ácidos graxos ligados ao glicerol (um diglicérido). As duas cadeias de carbono de ácidos graxos podem estar saturadas, ambas insaturadas ou uma de cada. Em vez de outra molécula de ácido graxo (como nos triglicérides), a terceira posição de ligação na molécula de glicerol é ocupada por um grupo fosfato modificado.

Um desenho de um fosfolipídio como um grande círculo com 2 retângulos projetando-se da parte inferior. O círculo é rotulado como cabeça hidrofílica e contém glicerol (que contém 3 carbonos). Ligado a um desses carbonos está um fosfato (que é um fósforo ligado a 4 átomos de oxigênio). Os retângulos na parte inferior são ambos longas cadeias de carbono rotuladas como caudas hidrofóbicas. Uma das cadeias é uma linha reta em zigue-zague e é rotulada como ácido graxo saturado. O outro tem uma ligação dupla que cria uma curva na linha; isso é rotulado como ácido graxo insaturado. — Figura\(\PageIndex{2}\): Esta ilustração mostra um fosfolipídio com dois ácidos graxos diferentes, um saturado e outro insaturado, ligados à molécula de glicerol. O ácido graxo insaturado tem uma leve torção em sua estrutura devido à ligação dupla.

A estrutura molecular dos lipídios resulta em um comportamento único em ambientes aquosos. A figura\(\PageIndex{1}\) mostra a estrutura de um triglicérido. Como todos os três substituintes na coluna vertebral do glicerol são longas cadeias de hidrocarbonetos, esses compostos são apolares e não são significativamente atraídos pelas moléculas polares de água — eles são hidrofóbicos. Por outro lado, fosfolipídios como o mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\) têm um grupo fosfato carregado negativamente. Como o fosfato é carregado, ele é capaz de atrair fortemente as moléculas de água e, portanto, é hidrofílico ou “amante da água”. A porção hidrofílica do fosfolipídio é frequentemente chamada de “cabeça” polar e as longas cadeias de hidrocarbonetos como “caudas” não polares. Diz-se que uma molécula que apresenta uma porção hidrofóbica e uma porção hidrofílica é anfipática. Observe a designação “R” dentro da cabeça hidrofílica representada na Figura\(\PageIndex{2}\), indicando que um grupo de cabeças polares pode ser mais complexo do que uma simples porção de fosfato. Os glicolipídios são exemplos nos quais os carboidratos estão ligados aos grupos da cabeça dos lipídios.

A natureza anfipática dos fosfolipídios permite que eles formem estruturas funcionais únicas em ambientes aquosos. Conforme mencionado, as cabeças polares dessas moléculas são fortemente atraídas pelas moléculas de água, e as caudas não polares. Por causa de seus comprimentos consideráveis, essas caudas são, de fato, fortemente atraídas uma pela outra. Como resultado, conjuntos energeticamente estáveis e em grande escala de moléculas fosfolipídicas são formados nos quais as caudas hidrofóbicas se reúnem em regiões fechadas, protegidas do contato com a água pelas cabeças polares (Figura\(\PageIndex{3}\)). As mais simples dessas estruturas são micelas, conjuntos esféricos contendo um interior hidrofóbico de caudas de fosfolipídios e uma superfície externa de grupos de cabeças polares. Estruturas maiores e mais complexas são criadas a partir de lâminas de bicamadas lipídicas, ou membranas unitárias, que são grandes conjuntos bidimensionais de fosfolipídios reunidos de ponta a ponta. As membranas celulares de quase todos os organismos são feitas de camadas de bicamadas lipídicas, assim como as membranas de muitos componentes intracelulares. Essas lâminas também podem formar esferas de bicamadas lipídicas que são a base estrutural de vesículas e lipossomas, componentes subcelulares que desempenham um papel em várias funções fisiológicas.

Uma lâmina lipídica bicamada é quando há duas fileiras de fosfolipídios uma sobre a outra formando uma superfície plana. As cabeças polares de todos os fosfolipídios estão voltadas para fora da folha e as caudas não polares estão voltadas para dentro. Essa bicamada lipídica também pode formar uma esfera. A bicamada lipídica forma a superfície da esfera; as cabeças polares estão na parte externa da esfera e revestem o espaço interno da esfera. Os lipídios também podem formar uma esfera de camada única, onde a parte externa da esfera são as cabeças polares e as caudas não polares preenchem o centro da esfera. — Figura\(\PageIndex{3}\): Os fosfolipídios tendem a se organizar em solução aquosa formando lipossomas, micelas ou lâminas de bicamadas lipídicas. (crédito: modificação da obra de Mariana Ruiz Villarreal)

Exercício\(\PageIndex{2}\)

Como a natureza anfipática dos fosfolipídios é significativa?

Isoprenóides e esteróis

Os isoprenóides são lipídios ramificados, também chamados de terpenóides, que são formados por modificações químicas da molécula de isopreno (Figura\(\PageIndex{4}\)). Esses lipídios desempenham uma ampla variedade de funções fisiológicas em plantas e animais, com muitos usos tecnológicos como produtos farmacêuticos (capsaicina), pigmentos (por exemplo, betacaroteno de laranja, xantofilas) e fragrâncias (por exemplo, mentol, cânfora, limoneno [fragrância de limão] e pineno [fragrância de pinheiro]). Os isoprenóides de cadeia longa também são encontrados em óleos e ceras hidrofóbicos. As ceras são normalmente resistentes à água e duras à temperatura ambiente, mas amolecem quando aquecidas e se liquefazem se aquecidas adequadamente. Em humanos, a principal produção de cera ocorre nas glândulas sebáceas dos folículos pilosos da pele, resultando em um material secretado chamado sebo, que consiste principalmente em triacilglicerol, ésteres de cera e hidrocarboneto esqualeno. Existem muitas bactérias na microbiota da pele que se alimentam desses lipídios. Uma das bactérias mais proeminentes que se alimentam de lipídios é o Propionibacterium acnes, que usa os lipídios da pele para gerar ácidos graxos de cadeia curta e está envolvido na produção de acne.

O alfa-pineno é um anel de carbono com projeções de carbono adicionais. A cânfora é um anel de carbono com projeções de carbono adicionais e um oxigênio de ligação dupla em um carbono. O isopreno é uma cadeia de 4 carbonos com outro carbono ligado ao carbono 2. O limoneno é um anel de carbono com um carbono ligado a uma extremidade e outro carbono ligado à outra extremidade; esse carbono tem 2 carbonos ligados a ele. O mentol é um anel de carbono com um carbono ligado a uma extremidade e outro carbono ligado à outra extremidade; esse carbono tem 2 carbonos ligados a ele. Mais um canto de carbono tem um grupo OH. O betacaroteno são dois anéis de carbono ligados por uma longa cadeia de carbono. — Figura\(\PageIndex{4}\): As moléculas de isopreno de cinco carbonos são quimicamente modificadas de várias maneiras para produzir isoprenóides.

Outro tipo de lipídios são os esteróides, estruturas complexas e aneladas encontradas nas membranas celulares; alguns funcionam como hormônios. Os tipos mais comuns de esteróides são os esteróis, que são esteróides que contêm um grupo OH. Estas são principalmente moléculas hidrofóbicas, mas também têm grupos hidroxila hidrofílicos. O esterol mais comum encontrado em tecidos animais é o colesterol. Sua estrutura consiste em quatro anéis com uma ligação dupla em um dos anéis e um grupo hidroxila na posição definidora do esterol. A função do colesterol é fortalecer as membranas celulares em eucariotos e em bactérias sem paredes celulares, como o Mycoplasma. Os procariontes geralmente não produzem colesterol, embora as bactérias produzam compostos semelhantes chamados hopanóides, que também são estruturas multianelares que fortalecem as membranas bacterianas (Figura\(\PageIndex{5}\)). Fungos e alguns protozoários produzem um composto similar chamado ergosterol, que fortalece as membranas celulares desses organismos.

O colesterol é feito de 3 hexágonos presos ao longo de suas bordas. O terceiro hexágono tem um pentágono preso ao longo de uma borda. O pentágono tem uma cadeia de carbono presa a ele. Hopene é feito de 4 hexágonos presos ao longo de suas bordas. O último hexágono tem um pentágono. O pentágono tem uma cadeia curta de carbono. — Figura\(\PageIndex{5}\): O colesterol e o hopeno (um composto hopanoide) são moléculas que reforçam a estrutura das membranas celulares em eucariotos e procariontes, respectivamente.

Link para a aprendizagem: lipossomas

Este vídeo fornece informações adicionais sobre fosfolipídios e lipossomas.

Exercício\(\PageIndex{3}\)

Como os isoprenóides são usados na tecnologia?

Foco clínico: Parte 2

O creme hidratante prescrito pelo médico de Penny era um creme tópico de corticosteroide contendo hidrocortisona. A hidrocortisona é uma forma sintética do cortisol, um hormônio corticosteróide produzido nas glândulas supra-renais, a partir do colesterol. Quando aplicado diretamente na pele, pode reduzir a inflamação e aliviar temporariamente pequenas irritações cutâneas, comichão e erupções cutâneas, reduzindo a secreção de histamina, um composto produzido pelas células do sistema imunológico em resposta à presença de patógenos ou outras substâncias estranhas. Como a histamina desencadeia a resposta inflamatória do corpo, a capacidade da hidrocortisona de reduzir a produção local de histamina na pele suprime efetivamente o sistema imunológico e ajuda a limitar a inflamação e os sintomas associados, como prurido (coceira) e erupções cutâneas.

Exercício\(\PageIndex{4}\)

O creme de corticosteroide trata a causa da erupção cutânea de Penny ou apenas os sintomas?

Conceitos principais e resumo

Os lipídios são compostos principalmente de carbono e hidrogênio, mas também podem conter oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo. Eles fornecem nutrientes para os organismos, armazenam carbono e energia, desempenham papéis estruturais nas membranas e funcionam como hormônios, produtos farmacêuticos, fragrâncias e pigmentos.
Os ácidos graxos são hidrocarbonetos de cadeia longa com um grupo funcional de ácido carboxílico. Suas cadeias de hidrocarbonetos não polares relativamente longas os tornam hidrofóbicos. Os ácidos graxos sem ligações duplas são saturados; aqueles com ligações duplas são insaturados.
Os ácidos graxos se ligam quimicamente ao glicerol para formar lipídios estruturalmente essenciais, como triglicérides e fosfolipídios. Os triglicérides compreendem três ácidos graxos ligados ao glicerol, produzindo uma molécula hidrofóbica. Os fosfolipídios contêm cadeias de hidrocarbonetos hidrofóbicos e grupos de cabeças polares, tornando-os anfipáticos e capazes de formar estruturas de grande escala funcionais de grande escala.
As membranas biológicas são estruturas de grande escala baseadas em bicamadas de fosfolipídios que fornecem superfícies hidrofílicas externas e internas adequadas para ambientes aquosos, separadas por uma camada hidrofóbica intermediária. Essas bicamadas são a base estrutural das membranas celulares na maioria dos organismos, bem como dos componentes subcelulares, como vesículas.
Os isoprenóides são lipídios derivados de moléculas de isopreno que têm muitas funções fisiológicas e uma variedade de aplicações comerciais.
A cera é um isoprenóide de cadeia longa que normalmente é resistente à água; um exemplo de substância que contém cera é o sebo, produzido pelas glândulas sebáceas na pele. Os esteróides são lipídios com estruturas complexas em anel que funcionam como componentes estruturais das membranas celulares e como hormônios. Os esteróis são uma subclasse de esteróides contendo um grupo hidroxila em um local específico em um dos anéis da molécula; um exemplo é o colesterol.
As bactérias produzem hopanoides, estruturalmente semelhantes ao colesterol, para fortalecer as membranas bacterianas. Fungos e protozoários produzem um agente fortalecedor chamado ergosterol.